Загадка падающей кошки и фундаментальная физика
Статья Радемакера и тер Браака не стала последним словом в решении вопроса о том, как кошка двигается, чтобы перевернуться в свободном падении и принять правильное положение, но в ней был представлен преобладающий, почти наверняка, механизм, посредством которого кошка добивается такого необычайного результата.
Однако упрямый вопрос не хотел сдаваться: откуда кошка узнает, где находится верх, когда начинает падать? Общая теория относительности указывает, что кошка в свободном падении не испытывает на себе действия какой-либо силы, которую ее вестибулярный аппарат мог бы использовать для ориентации; зрение тут также ни при чем, поскольку кошка с завязанными глазами тоже переворачивается без проблем.
Британский физиолог Джайлс Бриндли (род. 1926 г.) предположил, что единственная оставшаяся возможность — то, что животное сохраняет
Вообще, можно смело сказать, что «забавное» было научной специализацией Бриндли{21}. Тогда же, в 1960-е гг., он, в дополнение к своим физиологическим исследованиям, изобрел собственный электронный инструмент, «логический фагот».
В экспериментах с кроликами, описанных в материалах нескольких научных конференций, Бриндли стремился подвергнуть кролика ускорению, которое должно было изменить, в восприятии кролика, направление силы тяжести{22}. Бриндли хотел подвергнуть кролика действию ложной по направлению силы тяжести, а затем уронить его и посмотреть, куда кролик будет падать — вниз на землю или в соответствии с направлением ложной силы тяжести.
Материалы конференций не приводят ни особых подробностей, ни фотографий аппаратов, которые Бриндли использовал в своих экспериментах, так что нам придется лишь догадываться об их конкретных формах.
В первом эксперименте использовался ящик, катающийся по паре рельсов, наклоненных под углом 13°6′ к горизонту. В ящик сажали кролика и катапультировали его вверх по склону. Ящик поднимался, а затем съезжал обратно; в нижней точке срабатывала автоматическая заслонка, и кролик выпадал из ящика; его рефлекторное переворачивание в падении фиксировали при помощи фотокамеры.
Ускорение, придаваемое ящику катапультой, длилось 0,3 с; целиком подъем и спуск по рельсам занимали 8,0 с. Все это время ящик был наклонен, а кролик ощущал силу тяжести, направленную под углом 13° к истинной. Нам придется предположить, что платформа, где кролик начинал и заканчивал свой путь, была горизонтальной. Таким образом, если кролик некоторое существенное время находился как бы в отклоненном гравитационном поле, а затем это поле непосредственно перед «сбрасыванием» внезапно изменялось, то что происходило с кроликом? Процитируем Бриндли:
На девятой секунде пол ящика автоматически раскрывался и кролик фотографировался в падении с высоты 150 см (0,553 с) на подушку. Все время падения он сохранял наклон примерно в 13° к правильному положению. Напротив, если ящик держали неподвижно под наклоном 13°6′, а затем кролика роняли, то он уже через 30 см падения поворачивался в воздухе и занимал правильное положение.
Иными словами, кролик ориентируется на основании не того, каким было гравитационное поле в самый момент падения, а того, каким оно было на протяжении нескольких секунд до того. Задним числом можно сказать, что это разумно: в момент, когда животное падает, оно может испытывать на себе действие любого числа самых разных сил, пока топчется на месте, пока его сталкивают или сбрасывают с гнезда. Память о направлении силы тяжести в недавнем прошлом более надежна, чем память непосредственно о моменте падения.
Но Бриндли на этом не закончил. Затем он взял кролика в автомобиль.
Тот же ящик без колес был установлен в автомобиле. Внутрь, как и раньше, посадили кролика. Машина сначала ехала по прямой со скоростью 32 км/ч на протяжении 30 с, а затем внезапно поворачивала с той же скоростью по круговой траектории диаметром 50 м, так что кролик внезапно испытывал на себе искаженное гравитационное поле, наклоненное под углом 17°51′ к вертикали. После 10 с движения по кругу пол в ящике раскрывался и кролик фотографировался в падении с высоты 80 см (0,404 с) на подушку. Все время падения он сохранял наклон примерно в 18° к вертикали.
При круговом движении автомобиля в этом эксперименте кролик испытывал на себе центробежную силу, которая вынуждала его ощущать, будто действующая на него сила тяжести наклонена наружу по отношению к радиусу движения. Как и в предыдущем эксперименте, кролик падал в соответствии с направлением силы тяжести, которую испытывал исторически, а не с вертикальной силой тяжести.
Как удалось определить позже, этот эксперимент был проведен на заброшенной взлетной полосе аэродрома в Даксфорде. Жена Бриндли Хилари вела машину, а сам Джайлс фотографировал{23}.
И эксперимент с рельсами, и атомобильный эксперимент описывались в первом выступлении Бриндли на конференции; на второй конференции он рассказал еще об одном испытании, связанном с раскручиванием кроликов на центрифуге.
Кролики были помещены в ящик с автоматически открывающимся дном, поднятый на 105 см от оси центрифуги («карусели» Инженерных лабораторий Кембриджского университета). Центрифугу разогнали до скорости, обеспечивающей наклон поля тяготения-ускорения примерно на 30° к вертикали. После полуминуты или более вращения ящик быстро передвигался к оси центрифуги, и в некоторый момент времени в интервале от 1/4 с до 15 с после этого дно ящика открывалась… Кролики, которых сбрасывали через 1 с или меньше после сдвига, обычно падали в сильно наклонном положении, примерно соответствующем направлению поля на периферии центрифуги. Промежуточные моменты давали промежуточные позы.
Конечным результатом всех экспериментов Бриндли стал вывод о том, что кролики и, предположительно, кошки имеют «банк памяти» направления силы тяжести примерно за 6–8 последних секунд и падают в соответствии с данными, в этом банке содержащимися. Иначе говоря, после резкого изменения направления силы тяжести животному обычно требуется около 6 или 8 с, чтобы полностью акклиматизироваться. Видимо, полукружные каналы вестбулярного аппарата, регистрирующие вращение, способны отследить, насколько повернулось животное относительно запомненного состояния силы тяжести, даже если глаза животного закрыты.
Хотя остаются, очевидно, вопросы о том, как именно центральная нервная система кошек и кроликов умудряется разобраться с разными сенсорными импульсам и рефлекторными действиями и обеспечить надежную и точную работу рефлекса переворачивания, ясно, что Бриндли удалось адекватно разрешить вопрос о том, как действие этого рефлекса согласуется со счастливейшей мыслью Эйнштейна. На то, чтобы разгадать эту загадку, после открытия Эйнштейна потребовалось около 45 лет.
Следует отметить, что в экспериментах Бриндли изменения кажущегося направления силы тяжести, испытываемые кроликом, были все более резкими и кардинальными — от 13°6′ до 17°51′ и далее до 30°. В своем втором выступлении на конференции Бриндли предложил еще более экстремальный эксперимент, в котором кролика предполагалось посадить в пикирующий самолет, чтобы изменить для него кажущееся направление силы тяжести на 40°. Судя по всему, этот эксперимент так никогда и не был проведен, вероятно потому, что ВВС США в то время уже проводили аналогичные эксперименты с кошками, связанные с подготовкой полета человека в космос.
8. Кошки… в космосе!