Загадка падающей кошки и фундаментальная физика
Реакция на открытие Чандлера очень напоминала ситуацию, возникшую позже вокруг фотографий Марея с кошками: сначала недоверие и недоумение, а затем стремительный интерес и принятие. Отчет о 73-м ежегодном заседании Королевского астрономического общества в феврале 1893 г. наглядно иллюстрирует эту реакцию:
Прежде астрономы колебались, признавая 427-суточный период даже перед лицом очень сильных свидетельств в его пользу в наблюдениях 1860–1880 гг., по причине сложности теоретического его обоснования. Еще Эйлер в свое время указал, что если рассматривать Землю как твердое тело, то период вращения полюса должен составить 306 суток. Профессор Ньюком, однако, указал, к счастью, что получающийся более длинный период вполне объясним, ведь твердым телом Землю можно назвать лишь с оговоркой (из-за присутствия океанов можно говорить о ее реальной вязкости или композитном характере); после этого предположения 427-суточный период мистера Чандлера был принят с готовностью и даже теплотой{7}.
Короче говоря, Эйлер считал Землю идеально твердым телом, но присутствие жидкостей на внешней части планеты — атмосферы и океанов — могло привести к существенным отступлениям от расчетов Эйлера.
Но одно дело — дать словесное объяснение новому физическому явлению, и совершенно другое — разработать количественную теорию для поддержки этого объяснения. Когда Пеано в 1894 г. познакомился с проблемой падающей кошки, он сразу же обратил внимание на ее схожесть с задачей о колебаниях Земли и начал работать над математическим аппаратом, который помог бы разрешить последнюю. В обеих задачах присутствует объект, изменяющий свою ориентацию в пространстве при отсутствии внешних сил, и обе они могут получить качественное объяснение с привлечением внутренних движений рассматриваемого объекта.
Можно усмотреть подлинную иронию в том, что Пеано на исследования вдохновила падающая кошка. Антуан Паран в 1700 г. при моделировании кошки взял в качестве основы модели сферу; в 1895 г. мы видим, что Пеано моделирует сферическую Землю как кошку. 5 мая 1895 г. в статье «Касательно сдвига полюса Земли» Пеано представил Академии наук в Турине собственную математическую теорию этого явления, не забыв при этом и кошку, которой выразил должную благодарность.
В конце прошлого года в Академии наук в Париже было доказано путем эксперимента, что некоторые животные, такие как кошки, могут при падении посредством внутренних действий изменять свою ориентацию. Возможность такого движения вполне объясняется механикой. В короткой статье, опубликованной в
Это естественным образом ведет к вопросу: может ли шарообразное тело изменять свою ориентацию в пространстве при помощи только внутренних сил, как это делает каждое живое существо? Механически вопрос остается прежним. Но заслуга первого предположения по этому поводу по праву принадлежит профессору Вольтерре. Именно он сделал этот вопрос темой нескольких записок, представленных этой Академии; первая из них была опубликована 3 февраля.
В следующем абзаце статьи Пеано демонстрирует свою способность объяснять физические концепции в ясной и увлекательной манере, привлекая одновременно законы сохранения импульса и момента импульса.
Поскольку утверждается, что, когда тело падает на землю, земля, в свою очередь, приближается к телу, то можно сказать, что любое смещение тела на Земле порождает противоположное движение земного шара. Так что если Магомед идет к горе, то гора тоже приближается к Магомеду; и если лошадь бегает по кругу на ипподроме, то тем самым она вынуждает Землю вращаться в противоположном направлении с той разницей, однако, что если лошадь, описав круг, возвращается на место, с которого стартовала, то Земля поворачивается только на крохотный угол и принимает иную ориентацию по сравнению с той, которую занимала до движения лошади.
Саймон Ньюком к тому моменту уже выдвинул предположение о том, что чандлеровское колебание может объясняться нежесткостью Земли; работа Пеано была новой в том смысле, что он оценил конкретные механизмы, которые могли бы внести вклад в это колебание.
На суше воды морей движутся в виде течений; в атмосфере вода поднимается в виде пара, переносится ветром и выпадает дождем или снегом, обеспечивая плодородие равнин, и по руслам рек возвращается в море.
Задача этой записки — объяснить, как мы можем провести расчет смещений, вызываемых на Земле относительным движением ее частей, и сделать численную оценку{8}.
Гольфстрим, к примеру, циркулирует против часовой стрелки, перенося теплую воду из тропиков в более высокие широты к Европе. Эта непрерывная циркуляция воды, согласно Пеано, должна была вызвать соответствующий небольшой поворот Земли по часовой стрелке, который уравновесил бы ее по закону о сохранении момента импульса. Пеано, по существу, уподобил циркулирующий Гольфстрим вращению кошачьего хвоста в его варианте объяснения вращения падающей кошки.
Почти потерялось во Введении великодушное, на первый взгляд, признание работы профессора Вольтерры: «Но заслуга первого предположения по этому поводу по праву принадлежит профессору Вольтерре. Именно он сделал этот вопрос темой нескольких записок, представленных Академии; первая из них была опубликована 3 февраля». На самом же деле Вольтерра тогда представил собственный математический анализ чандлеровского колебания и высказал предположение о том, что причиной аномальной длительности периода могут быть морские течения{9}. Так что, хотя, как кажется, Пеано признавал первенство Вольтерры в работе над этой проблемой, на самом деле он бросил профессору вызов; жест Пеано привел Вольтерру в ярость и породил вражду длительностью в целый год.
Вито Вольтерра (1860–1940), как и Пеано, вышел из небогатой семьи и рано проявил блестящие способности{10}. Вито родился в итальянском портовом городе Анкона, и ему было всего два года, когда его отец умер, оставив семью на попечение брата матери. Мать с сыном поселились во Флоренции, где Вольтерра и провел значительную часть своей юности.
У Вольтерры рано проявился интерес к математике, уже в 11 лет он самостоятельно изучал классические книги по арифметике и геометрии. В 13 лет Вито прочитал классический роман Жюля Верна «Вокруг Луны» и захотел рассчитать траекторию реактивного снаряда, движущегося в совместном гравитационном поле Земли и Луны; 40 лет спустя он запоздало представит свой метод решения этой задачи в серии лекций. К 14 годам Вито начал самостоятельно, без какого бы то ни было наставника, изучать дифференциальное и интегральное исчисление.
Небогатая семья Вольтерры хотела, чтобы мальчик выбрал для себя финансово прибыльную профессию, так что его настойчивое желание пойти в науку вызвало в семье настоящий переполох. В отчаянии родные Вито связались с богатым и успешным дальним родственником Эдоардо Альмаджа и попросили его поговорить с молодым человеком и, если получится, вдолбить в него толику здравого смысла. Однако разговор с юношей произвел на финансиста такое сильное впечатление, что он поменял курс и искренне посоветовал Вито следовать за своей мечтой. Вольтерра начал обучение в Университете Флоренции, затем посещал курсы в Университете Пизы, где и получил степень доктора физики в 1882 г. В 23 года он стал профессором Университета Пизы, примерно десятилетием позже перешел в Университет Турина, где уже работал Пеано, и стал там профессором механики.
Чтобы понять, почему Вольтерра был разъярен доброжелательным, казалось бы, упоминанием в статье Пеано, нам следует еще раз взглянуть на упомянутые даты. Пеано отмечает, что его статья по физике кошки вышла в январе 1895 г., но что первая презентация Вольтерры на тему чандлеровского колебания появилась в феврале. Иными словами, Пеано намекал, что Вольтерра позаимствовал свои идеи о происхождении чандлеровского колебания из «кошачьей» статьи Пеано. Если представить себе исследования по чандлеровскому колебанию в виде необитаемого острова, то заявление Пеано было эквивалентно тому, что кто-то воткнул в землю на острове большой флаг и объявил его территорию своей — в присутствии Вольтерры, который уже стоял там.
В научном сообществе случаются самые разные ссоры и разногласия, но, пожалуй, никакие из них не бывают более яростными и менее продуктивными, чем сражения за приоритет открытия, то есть споры о том, кто первым его сделал. Первенство в открытии какого-то явления или его объяснении может означать решающий шаг в карьере — или ее крах, причем приоритет, как ни странно, зачастую решается разницей всего в несколько недель или даже дней. Вольтерра, со своей стороны, имел право злиться; он работал над этой задачей дольше, чем готов был признать Пеано. Хотя его первая статья на эту тему вышла в журнале
Вольтерра, присутствовавший на лекции Пеано 5 мая, немедленно возразил. Он сообщил присутствующим членам Академии, что давно уже работает над этой проблемой, но придерживал более подробные расчеты, основанные на данных Чандлера, до того момента, когда у него будет время как следует их изучить. С позволения Академии, он хотел бы привезти свою статью и показать работу. Получив разрешение, он действительно привез статью и представил ее на заседании{12}.