Грегори Гбур - Загадка падающей кошки и фундаментальная физика

В конечном итоге Макдональд не увидел на пленке никаких признаков магнусовского винтообразного вращения кошки — и это не удивительно, поскольку объяснение Магнуса нарушало закон сохранения момента импульса. Однако Макдональд указал, что Марей и Радемакер с тер Брааком были по крайней мере отчасти правы. Кошка действительно складывается и крутится, как утверждали последние двое, но помимо этого она также поворачивается в поясе и вытягивает — поджимает лапы, как отмечал Марей. Макдональд заметил также, что кошка склонна вращать хвостом, «часто в направлении, противоположном повороту», как предполагал еще Пеано. Однако Макдональд, кажется, недостаточно хорошо понимает физику момента импульса, чтобы судить о полезности хвоста; он предполагает, что кошка может использовать «пушистый хвост», чтобы отталкиваться от воздуха или управлять тангажем с его помощью, как будет происходить в робототехнике несколько десятилетий спустя.

Но Макдональд признал то, что остальные исследователи проблемы никогда не признавали: кошка не обязана выбирать один-единственный метод переворачивания, но может использовать все доступные ей способы, чтобы оптимизировать результат. Поэтому любой ученый, который подходит к проблеме переворачивания кошки, пытаясь отыскать «единственно верную стратегию», обязательно оказывается в тупике. Спор между стратегиями «подожмись и поворачивайся» и «сложись и крутись» продолжается так долго, потому что исследователь может найти в движении кошки признаки и первого, и второго механизма.

Подобного рода сложности возникают не только тогда, когда физики изучают живых существ. Немало обыденных, на первый взгляд, физических эффектов многие годы и даже десятилетия не получали простых объяснений потому, что возможных объяснений существует множество, а придумать эксперименты для их проверки трудно. Как и кошачья задача, эти эффекты могут вызываться более чем одним фактором.

Один из примеров тому — чандлеровское колебание полюсов Земли, о котором уже говорилось прежде. Физики быстро поняли, что колебания эти вызваны нежесткостью Земли, но и сегодня, более столетия спустя, ученые продолжают исследовать еще несколько значимых факторов, которые также вносят свой вклад в этот эффект.

Еще один пример стоит рассмотреть чуть подробнее. В 1969 г. танзанийский студент Эрасто Мпемба и профессор физики Д. Дж. Осборн из Университетского колледжа в Дар-эс-Саламе опубликовали в журнале Physics Education замечательную статью, озаглавленную просто «Круто?». В ней Мпемба и Осборн представили данные о том, что при определенных обстоятельствах крутой кипяток может замерзнуть быстрее, чем такое же количество воды комнатной температуры {5} . Публикация статьи породила научную загадку и споры, которые продолжаются и полвека спустя.

Мпемба, делая свое открытие, не замахивался на подобные последствия. Просто в 1963 г. в старших классах школы он вместе с одноклассниками увлекался изготовлением мороженого; согласно рецепту, ингредиенты нужно было вскипятить, затем дать приготовленной смеси остыть до комнатной температуры и поставить все в морозилку. Однако места в морозилке вечно не хватало, и однажды Мпемба поставил туда свою плошку с кипятком одновременно с остывшей плошкой одноклассника. Он был поражен, обнаружив, что его мороженое замерзло первым; однако попытка обратиться к учителю за разъяснениями была встречена насмешкой. К счастью, в школу Мпембы приехал Осборн, который, услышав вопрос школьника, согласился сам проделать эксперимент.

Результаты удивили Осборна. «В Университетском колледже Дар-эс-Салама я попросил молодого лаборанта проверить полученную информацию. Лаборант доложил, что вода, которая вначале была горячей, действительно замерзла первой, и добавил в приступе какого-то ненаучного энтузиазма: „Но мы будем повторять эксперимент до тех пор, пока не получим верный результат“» {6} .

Мпемба был не первым, кто предположил, что иногда горячая вода может замерзать быстрее, чем холодная. Свидетельства об этом уходят в прошлое на две с лишним тысячи лет. Аристотель в Греции около 350 г. до н. э. писал:

Тот факт, что вода предварительно была нагрета, способствует ее быстрому замерзанию, ибо в этом случае она остывает быстрее. (Поэтому многие, когда хотят быстро остудить воду, для начала ставят ее на солнце. Так что обитатели Понта, когда устраиваются на льду рыбачить (прорезают отверстие во льду и затем рыбачат), поливают теплой водой концы своих удочек, чтобы они быстрее замерзли; ибо используют лед как груз для закрепления удочек.) И именно в жарких странах и в жаркие сезоны вода, которая образуется, вскоре нагревается {7} .