چرا گربه‌ها بعد از سقوط از ارتفاع، همیشه روی پاهایشان فرود می‌آیند؟

دانشمندان به جذابیت‌های وسوسه‌انگیز گربه‌های خانگی بی‌توجه نیستند. بدون تردید اِروین شرودینگر می‌تواند به‌‌دلیل انجام آزمایش استدلالی معروفش به ظلم علیه حیوانات متهم شود. اِدوین هابل، ستاره‌شناس نام‌آشنا، نیز گربه‌ای به‌نام کوپرنیکوس داشت که هنگام کار، روی کاغذهای پراکنده روی میز لم می‌داد و با خوشحالی خرخر می‌کرد. حتی گربه‌ی سیامی به‌نام چِستر به‌عنوان نویسنده‌ی همکار فیزیک‌دانی به‌نام جک‌ هثرینگتون وجود ‌داشت که در سال ۱۹۷۵ در یکی از مقالات فیزیک با موضوع درجه حرارت پایین با او همکاری کرد. این مقاله در Physical Review Letters منتشر شده‌ است. بنابراین، شاید جای تعجب نباشد که سابقه‌ی طولانی حدودا ۳۰۰ ساله درزمینه‌ی تجسس دانشمندان در راز چگونگی سقوط امن گربه‌ها وجود داشته باشد که همیشه به فرود موفقیت‌آمیز آن روی پاهایش منجر می‌شود که به پدیده‌ی چرخش گربه معروف است.

گِرِگ گِبِر، فیزیک‌دان عاشق گربه، در مصاحبه‌ای گفت:

موضوع گربه‌ی در حال سقوط اغلب جزو مباحث فرعی در پژوهش محسوب می‌شود. گربه‌ها به بازیگوشی شهرت دارند و در طول تاریخ، از آن‌ها یاد شده‌ است. گربه‌ها معمولا در جایی‌ که کمترین انتظار از آن‌ها می‌رود، کارهای شگفت‌انگیزی انجام می‌دهند. آن‌ها در تاریخ‌ علم و فعالیت‌های علمی من، دردسرهای زیادی ایجاد کرده‌اند. اغلب می‌گویم گربه‌ها از آنچه فکر می‌کنیم، باهوش‌تر و از آنچه خودشان فکر می‌کنند، کم‌هوش‌ترند.

گربه

گربه‌ها عاشق فیزیک هستند؛ همان‌طور که آریل می‌تواند این گفته را تصدیق کند.

طی قرن‌ها، دانشمندان چهار فرضیه‌ی مجزا برای توضیح این پدیده ارائه دادند. فرضیه‌ی اصلی به‌نام «درون‌کشی و چرخش» وجود دارد که براساس آن، گربه دسته‌ای از پنجه‌هایش را به درون می‌کشد تا بتواند بخش‌های مختلف بدنش را بچرخاند. جیمز کلرک ماکسول، فیزیک‌دان قرن نوزدهم، این پدیده را به حالت «اسکیت‌باز در حال سقوط» تشبیه می‌کند که به‌موجب آن، گربه هنگام سقوط با حرکت آنی زاویه‌دار و درصورت نیاز جمع یا بازکردن پنجه‌ها، بدنش را می‌تاباند. فرضیه‌ی بعدی «خم‌و‌پیچ» است که آن را با مانور «خم و راست ناگهانی» معروف در فیلم کمدی Legally Blonde محصول سال ۲۰۰۱ نباید اشتباه بگیرید. در این فرضیه، گربه کمرش را خم می‌کند تا بتواند دو بخش از بدنش را در جهت مخالف بچرخاند. درنهایت، به فرضیه‌ی «دُم پروانه‌ا‌ی» می‌رسیم که در آن گربه می‌تواند چرخش بدن خود را با چرخاندن دُمش در یک‌ جهت مانند حرکت پروانه‌ی موتور معکوس کند. براساس گفته‌ی گِبِر، گربه‌ی در حال سقوط به‌احتمال خیلی زیاد برخی از ویژگی‌های این چهار فرضیه‌ را به‌کار می‌گیرد. او به هرکس که قصد دارد خودش چنین آزمایش‌هایی روی گربه‌ها انجام دهد، توصیه‌ی مهمی می‌کند:

لطفا گربه‌های خود را از ارتفاع به پایین پرتاب نکنید؛ حتی اگر این کار به‌نام علم باشد.

سایت آرس تکنیکا برای کسب اطلاعات بیشتر از این موضوع پژوهشی جالب با گِبِر به گفت‌وگو نشست.

آرس تکنیکا: چه چیزی باعث شد  کتابی کامل درباره‌ی فیزیک گربه‌های در حال سقوط بنویسید؟

گِرِگ گِبر: این کار درواقع از عشق من به تاریخ علم و نوشتن از آن در وبلاگم آغاز شد. یکی از روزها مشغول مرور مجلات علمی قدیمی بودم که به مقاله‌ای از سال ۱۸۹۴ برخوردم که در آن، عکس‌هایی از گربه‌ای در حال سقوط بررسی شده بود که روی پاهایش فرود می‌آمد. بر همین اساس، پستی وبلاگی درباره‌اش نوشتم؛ اما از توضیحاتش کاملا راضی نبودم و متوجه شدم مقالات علمی بیشتری در‌این‌زمینه وجود دارد. در هر جست‌وجو، مقاله‌ی جدیدی پیدا می‌کردم که زاویه‌ی دیگری از این موضوع جالب را ارائه می‌داد. حتی در هفته‌های آخر نگارش کتابم، همچنان به یافتن مطالب از مقاله‌های کوچک و جزئی ادامه می‌دادم تا اطلاعاتی کاملا جدید و متفاوت از اطلاعات ثبت‌شده در مقاله‌های مجلات قدیمی دراختیارم قرار گیرند. شگفت‌آور بود که مقاله‌های بی‌شماری درباره‌ی چگونگی سقوط گربه‌ها وجود داشت. هرچه بیشتر نگاه کنید، افراد بیشتری خواهید یافت که مسحور موضوع جذاب چگونگی فرود گربه روی پاهایش به هنگام سقوط از ارتفاع شده‌اند. به‌نظر می‌رسد این موضوع، موضوعی است که به‌راحتی حل‌شدنی خواهد بود.

گربه در حال سقوط

آرس تکنیکا: به‌طور‌قطع، یکی از مسائل مهم آن زمان اختراع‌نشدن عکاسی، به‌ویژه عکاسی سریع بود. دیدگاه شما در‌این‌باره چیست؟

گِرِگ گِبر: بله. ماکسوِل تحقیقات اولیه‌اش را در‌این‌زمینه انجام داد؛ اما خاطرنشان کرد وقتی گربه‌ای را با خشونت از دو پا رها کنید، بازهم می‌تواند روی پاهایش فرود بیاید؛ یعنی حتی اگر آن را وارونه به پایین پرتاب کنید، بازهم با موفقیت روی دو پایش فرود خواهد آمد. این اتفاق در زمان واقعا کوتاهی رخ می‌دهد. چشم انسان به‌راحتی نمی‌تواند این مسئله را تجزیه‌وتحلیل کند؛ به‌همین‌‌دلیل، این موضوع پیچیده تا وقتی حل‌نشدنی بود که فناوری عکاسی سریع وجود نداشت.

اِتین ژول ماره اولین عکس‌های سریع از سقوط گربه را ثبت کرد. این کار تقریبا فکری ثانوی برای او بود. وی این عکس‌های پرسرعت و متفاوت را از حیوانات گوناگون ثبت می‌کرد؛ زیرا این مدل عکاسی جزئی از پژوهش او محسوب می‌شد و از این طریق موجودات زنده‌ی در حال حرکت را بررسی می‌کرد. او با انتشار تصاویری از گربه‌ای در حال سقوط، جامعه‌ی علمی را واقعا شگفت‌زده کرد. یکی از اعضای حاضر در جلسه که عکس‌ها در آن ارائه شده، گفت: «این ماره‌ی جوان مسئله‌ای را برایمان مطرح کرده‌ است که به‌نظر می‌رسد برخلاف قوانین معروف فیزیک باشد.»

 عکس‌های سریع از گربه‌ی در حال سقوط نشان داد آن‌ها قوانین فیزیک را نقض نمی‌کنند

حرکات به‌تصویر کشیده‌شده در عکس‌های سریع کاملا پیچیده هستند و توضیحات ارائه‌شده درباره‌ی آن، بخشی از واقعیتی است که ناقص به‌نظر می‌رسد. این کار به‌اندازه‌ی کافی خوب بود تا فیزیک‌دانان را متقاعد کند گربه قوانین فیزیک را نقض نمی‌کند؛ اما برای اینکه همه را متقاعد کنیم این توضیحات درست یا کامل هستند، به‌اندازه‌ی کافی قانع‌کننده نبود.

آرس تکنیکا: شما چهار فرضیه‌ی مجزا و ارائه‌شده در زمان‌های مختلف را به‌اختصار بیان می‌کنید تا از این طریق پدیده‌ی چرخش گربه را توضیح دهید. بر همین اساس از دیدگاه شما، تاکنون بهترین پاسخ داده‌شده به این پرسش که «چگونه گربه می‌تواند بچرخد و روی پاهایش فرود بیاید» کدام است؟ 

گِرِگ گِبِر: این بخشی از دلیل چالشی‌بودن این مسئله است. هریک از این حرکاتی که از گربه‌ی در حال سقوط می‌بینید، نقش خاص و کاربردی در این فرایند ایفا می‌کند. اگر در حال تماشای مجموعه‌ای از عکس‌ها یا ویدئویی از گربه‌ی در حال سقوط باشید، این کار تقریبا به مشکل روانی تبدیل خواهد شد؛ زیرا توجه افراد مختلف به جنبه‌های گوناگونی از یک حرکت جلب می‌شود. بااین‌حال، مهم‌ترین موضوع آن حرکت خم‌و‌پیچ است. گربه کمرش را خم می‌کند و نیمه‌های فوقانی و تحتانی بدنش را در جهت مخالف می‌چرخاند تا آن حرکات را خنثی کند.

وقتی کسی محاسبات ریاضی را با دقت مرور کند، به‌نظر می‌رسد بتواند به اساسی‌ترین جنبه‌ی چگونگی چرخش گربه پی ببرد؛ اما در رأس این موضوع، جزئیاتی مانند استفاده از دُم یا پنجه‌ها به‌عنوان اهرم اضافی نیز نقش بسزایی ایفا می‌کنند. بنابراین، موضوع اصلی درواقع موضوع خم‌شدن و پیچیدن گربه است؛ ولی بعد از آن جزئیات و اصلاحات این‌چنینی نیز مطرح می‌شود.

تصاویر پیاپی گربه در حال سقوط

کرونوفتوگراف (عکس سلسله‌مراتبی از رویداد به‌ترتیب زمان وقوع) ساخته‌شده از روی فیلم سقوط گربه که دوازده قاب را شامل می‌شود و اتین ژول ماره حدود سال ۱۸۹۳ آن را ثبت کرده است.

آرس تکنیکا: هم‌اکنون بعد از انجام تمامی این پژوهش‌ها، آیا دقیقا می‌دانیم در زمان سقوط گربه، چه بر او می‌گذرد یا این مسئله هنوز بخشی از پژوهش‌های در حال انجام محسوب می‌شود؟

گِرِگ گِبر: اطلاعی ندارم که در‌حال‌حاضر کسی برای دستیابی به جزئیات علمی دقیق‌تر در این موضوع به‌طور جدی مشغول مطالعه‌ی الگوی سقوط گربه‌ها است یا خیر. بااین‌همه، این را می‌توانم بگویم پژوهش‌های ما درباره‌ی چگونگی سقوط گربه به سطحی رسیده‌ است که بتوان ازطریق نتایج به‌دست‌آمده چگونگی اجرای آن را درک کرد. همان‌طورکه زمانی یکی از فیزیک‌دانان قرن نوزدهم می‌گفت: «در جست‌وجوی نقاط اعشاری بالاتر هستیم»، ما نیز در جست‌وجوی یافته‌های بیشتری از این پدیده هستیم. بخشی از یافته‌های پژوهش ما عبارت است از اینکه هر گربه ممکن است کار‌ها را کمی متفاوت از گربه‌ی دیگر انجام‌ دهد؛ زیرا آن‌ها موجوداتی زنده و در‌عین‌حال مستقل هستند. برخی از گربه‌ها ازنظر وزنی سنگین‌تر و برخی دیگر سبک‌ترند. انواع مختلفی از هر دو گروه را در خانه‌ام دارم: گربه‌های دراز‌تر و گربه‌های کوتاه‌تر. هریک از آن‌ها ممکن است کمی متفاوت از دیگری بدنش را بپیچاند و خم شود یا آن را به درون جمع کند و بچرخد. اگر فیلم‌هایی از گربه‌های در حال سقوط را تماشا کنید، خواهید دید بسیاری از آن‌ها از دُم خود برای جابه‌جایی و غلت‌زدن استفاده می‌کنند. همان‌طورکه می‌دانیم، گربه‌ها حتی بدون دُم‌هایشان نیز می‌توانند به‌خوبی غلت بزنند؛ بنابراین از دیدگاه علم فیزیک، این مسئله به مرحله‌ای رسیده است که جزئیات در آن به هر گربه به‌‌طور خاص بستگی دارد و مردم همچنان درباره‌ی آن بحث خواهند کرد. به‌عقیده‌ی من، بسیاری از فیزیک‌دانان متوجه نیستند که این مسئله چقدر پیچیده است؛ ازاین‌رو، اغلب به‌دنبال یافتن راه‌حلی ساده برای آن هستند. فیزیک‌دانان به‌طور غریزی همیشه در جست‌وجوی راه‌حل‌های ساده هستند؛ ولی طبیعت همیشه به‌دنبال مؤثرترین راه‌حل می‌گردد و بدیهی است این دو شیوه‌ی دستیابی به راه‌حل، همیشه یکسان نخواهد بود.

این روزها بیشترین تأکید درزمینه‌ی رباتیک است. آیا واقعا می‌توانیم رباتی بسازیم که بتواند این‌گونه مؤثر و کارا بدنش را در جهت مخالف بچرخاند، درست مانند همان کاری که گربه انجام می‌دهد. می‌توانید رباتی طراحی کنید که اگر آن را سروته به‌سمت پایین رها کردید، بتواند در جهت درست فرود بیاید؛ اما گربه می‌تواند بدون درنظرگرفتن اینکه سقوطش از کدام جهت شروع شده، یعنی چه وارونه باشد، چه در حال چرخش یا در جهت درست، درهرصورت به‌راحتی تغییرجهت بدهد و در سمت درست فرود آید. گربه در زمان سقوط از ارتفاع، پیچ‌و‌تاب‌های مختلفی به بدنش می‌دهد؛ اما همچنان با موفقیت روی پاهایش فرود می‌آید. این‌ها کارهایی هستند که گمان نمی‌کنم تاکنون رباتی ساخته شده‌ باشد که بتواند به‌درستی همه‌ی آن‌ها را انجام دهد.

دو رویکرد متفاوت در موضوع گربه‌ی در حال سقوط علم رباتیک را به دو قسمت مختلف تقسیم کرده است. می‌توانید از مدل‌های مکانیکی برای امتحان‌کردن و درک کار گربه استفاده کنید یا از علم رباتیک کمک بگیرید تا حرکت گربه را به‌خوبی تقلید و بازنمایی کند. بخشی به مسئله‌ی تجزیه و تحلیل مربوط است؛ جایی که می‌گویید «می‌خواهم بفهمم چه خبر است» و بخش دیگر مسئله‌ای ترکیبی است و آنجا می‌گویید «می‌خواهم به‌صورت آزمایشی دستگاهی بسازم که بتواند حرکات گربه‌ی در حال سقوط را به‌طور دقیق بازآفرینی کند.»

مراحل سقوط یک گربه عکس‌های گربه‌ی در حال سقوط، ثبت‌شده در سال ۱۸۹۴

آرس تکنیکا: شما درباره‌ی مقاله‌ای نیز بحث می‌کنید که رابرت باترمنِ فیزیک‌دان در سال ۲۰۰۳ آن را نوشت. در این مقاله، او گربه‌های در حال سقوط را از جنبه‌های فاز بری بررسی می‌کند که ازنظر نظم و ترتیب حرکات به آونگ فوکو مرتبط می‌شوند. آیا می‌توانید کمی درباره‌ی این ارتباط خاص توضیح دهید؟

گِرِگ گِبِر: ایده‌ی اصلی این است که مسائل فیزیکی زیادی وجود دارند که با آن‌ها می‌توانید فرایند فرود را هدایت کنید. شما از وضعیت اولیه‌ کارتان را شروع می‌کنید و با تغییر مداوم حالات و رفتار در طی مسیر،‌ دوباره آن را به وضعیت اصلی‌اش برمی‌گردانید. باوجوداین، با ساختار فیزیکی کاملا متفاوتی از زمان شروع به کارتان پایان می‌دهید. گربه‌ی در حال سقوط نمونه‌ی مناسبی است. گربه با پشت صاف حرکت وارونه‌اش را شروع می‌کند و هنگام فرود، با شکل درست بدن و پشتی صاف به کارش پایان می‌دهد. حتی اگر در طول مسیر سقوطش پیچ خورده یا وارونه شده باشد، دوباره با پشت صاف فرودش را به پایان می‌رساند؛ اما در چنین حالتی، بدون شک ۱۸۰ درجه چرخیده است.

گربه‌ی در حال سقوط و آونگ فوکو ازنظر  شروع حرکت و تغییر حالات در طی مسیر و پایان کار شباهت‌هایی باهم دارند

آونگ فوکو چیزی است که می‌توانید حرکت آن را براساس چرخش کره‌ی زمین توصیف کنید. یک‌ روز کامل می‌گذرد و پس‌از‌آن می‌بینید زمین یک دور کامل حول محورش چرخیده است؛ بنابراین، آونگ ازلحاظ مکانی به جایی بازمی‌گردد که از ابتدای روز قبل حرکتش را از آنجا شروع کرده بود؛ اما در جهتی مخالف نوسان می‌کند. نکته بسیار مهم این است که ریاضیات ازلحاظ ساختاری برای همه‌ی این مسائل به‌صورت مشابه عمل می‌کند؛ پس اگر مسئله‌ی گربه‌ی در حال سقوط را درک می‌کنید، آونگ فوکو و نحوه‌ی کارکرد آن را نیز به‌صورت جزئی درک خواهید کرد. باترمن همچنین گربه‌های در حال سقوط را با نور قطبی و پارکینگ موازی به‌عنوان جنبه‌های فاز بری در فیزیک مرتبط می‌کند.

آرس تکنیکا: گاهی اوقات به‌نظر می‌رسد فیزیک‌دانان درک نمی‌کنند  سابقه‌ی علمی‌شان چقدر برای درک پژوهش‌های کنونی مهم است. دیدگاه شما چیست؟

گِرِگ گِبر: یکی از دلایلی که همیشه بر یادگیری بیشتر تاریخ علم تأکید می‌کنم، این است که تاریخ علم درک بهتری از چگونگی انجام فعالیت‌های علمی به ما می‌دهد. در کلاس‌های پایه‌ی آموزش فیزیک، اغلب نسخه‌ی بسیار کوتاه و مختصر از تاریخ آن به ما آموزش داده می‌شود که در آن، فقط مسیر خطی مستقیم ارائه شده است که به انتهای راه ختم می‌شود.

من تاریخ علم را نوعی پیچ‌ راه می‌دانم. ممکن است تعدادی از مردم را در این مسیر پرپیچ‌و‌خم سرگردان و خسته بیابید که حتی بسیاری از آنان شاید به بن‌بست نیز رسیده باشند. این اتفاق کاملا طبیعی است؛ چراکه هیچ‌کس نمی‌داند دنبال چه چیزی است. هنگامی‌که تاریخ علم را در کلاس به ما آموزش می‌دهند، اغلب فقط درباره‌ی شخصی صحبت می‌شود که آن موضوع علمی را تا انتهای این مسیر پرپیچ‌و‌خم بدون کوچک‌ترین خطایی به سرانجام رسانده است.

این موضوع که علم همیشه درباره‌ی این ست که «بله، دقیقا می‌دانم مشغول انجام چه‌ کاری هستم و به کجا خواهم‌ رسید»، می‌تواند باعث ایجاد گمان بسیار غلطی در ذهن دانشجویان شود. درواقع، این طرزفکر اصلا درست نیست. درک این واقعیت که علم همیشه رو به جلو حرکت می‌کند؛ اما بن‌بست‌هایی نیز بر سر راهش وجود خواهد داشت و این خطاهای گاه‌و‌بیگاه در طول مسیر پرپیچ‌و‌خم علم نیز جزئی از ماهیت آن محسوب می‌شود، برای عموم مردم مفید خواهد بود؛ چراکه علم فرایندی کامل و بدون نقص نیست؛ به‌همین‌‌دلیل، نباید آن‌ را در این راه محکوم کرد؛ زیرا این آزمون و خطاها روشی کاملا طبیعی در دنیای علم است.

فیسبوک توییتر گوگل + لینکداین تلگرام واتس اپ کلوب

دیدگاهتان را بنویسید