Загадка падающей кошки и фундаментальная физика

Давным-давно, рассказывают, несколько слепцов сидели при дороге. Прослышали они, что поведут по дороге слона, и высказали желание посмотреть на него. Один слепец ощупал ногу слона и сказал, что слон похож на колонну. Другой ощупал хобот и объявил, что слон похож на веревку. Третий ощупал ухо и с уверенностью сказал, что слон похож на веер. Четвертый слепец ощупал хвост слона и был убежден, что слон похож на змею^{1}.

При рассмотрении недавних исследований на тему падающих роботизированных кошек поражает тот факт, что по вопросу о том, как все-таки кошка переворачивается в свободном падении, до сих пор сохраняются значительные разногласия. Некоторые исследователи воплощают в своих роботах алгоритм «подожмись и поворачивайся»; другие склоняются к модели «сложись и крутись». Различия во мнениях специалистов-робототехников отражают различия во взглядах физиков. Исследователь-робототехник Такаси Кавамура так описал происходящее: «Интересно, что объяснения в учебниках по физике и динамике, где говорится о переворачивании кошачьих в нормальное положение, остаются противоречивыми и неоднозначными»^{2}.

Удивительно, вне всяких сомнений, но такой обыденный, казалось бы, вопрос даже ученых, вооруженных самыми современными теориями и методами, интригует и ставит в тупик вот уже больше столетия, со времени первых фотографий падающей кошки Марея и до сего дня. Как могут ученые в мире, где человек обуздал энергию атома, построил глобальный интернет и отправил людей на Луну, испытывать трудности с пониманием и воспроизведением движений кошки?

Ответ на этот вопрос заключается отчасти в том, что стратегия, которой традиционно пользуются физики при анализе задач, не слишком хорошо согласуется с тем, как природа в виде эволюционных процессов в живых существах эти задачи реально решает. Хороший пример того, как учат думать физиков, можно найти в труде Исаака Ньютона. Ньютон взял беспорядочный набор наблюдений за движением планет, комет и наземных объектов и объединил их в единую теорию гравитации, при помощи которой можно объяснить все эти явления (задействовав при этом его законы движения и кучу математики). С тех пор идея о том, чтобы взять сложные наблюдения, связанные с природой, и максимально упростить их, приведя к простейшему виду, является руководящим принципом физики. Мы уже отмечали, что в 1860-е гг. Джеймс Клерк Максвелл, одним из первых начавший ронять кошек, показал, что такие разные, на первый взгляд, явления, как электричество, магнетизм и свет, можно объяснить как единую фундаментальную силу — электромагнетизм. Столетием позже, в 1970-е гг., исследователи показали также, что слабое ядерное взаимодействие, управляющее распадом нестабильных элементарных частиц, можно связать с электромагнетизмом, а все вместе объяснить как единое фундаментальное природное явление — электрослабое взаимодействие. Теперь специалисты по физике элементарных частиц заняты поиском — как теоретическим, так и экспериментальным — великой теории всего, которая объединила бы электрослабое взаимодействие с гравитацией и сильным ядерным взаимодействием и показала, что все виды взаимодействия суть различные аспекты еще одной единой фундаментальной силы.

Итак, физики прошли уже долгий путь, на котором учились сложные физические наблюдения сводить в единое целое. Процесс исследования не всегда идет именно так: поскольку задачи, которые решают физики, становятся все сложнее, их стратегии также эволюционируют, но инстинкт поиска единой «причины» у физиков в крови.

Природа же заинтересована не в простоте, а в эффективности. В природе простейшее решение задачи не несет с собой никаких преимуществ — преимущества дает только наилучшее решение, а оно может включать в себя несколько вариантов поведения или несколько движений, соединенных между собой. Можно убедиться в этом по числу различных стратегий кошачьего переворачивания, открытых на данный момент, которых — исключая неверную гипотезу Антуана Парана — насчитывается четыре.

1. «Падающая фигуристка» Джеймса Клерка Максвелла (ок. 1850 г.): кошка, которая в момент падения уже вращается, может изменять скорость своего вращения, подтягивая или вытягивая во всю длину лапы, из-за чего меняется ее общий момент инерции.

2. «Подожмись и поворачивайся» Этьен-Жюля Марея (1894 г.): выборочно поджимая под себя одну или другую пару лап, кошка может изменять момент инерции соответствующей секции тела, что позволяет ей провернуть сначала одну половину, затем другую без значительного противовращения.