Загадочное котоверчение

Кот Шрёдингера — суперзвезда в мире котов науки, пусть и вымышленная. Он был придуман одним нобелевским лауреатом (Эрвином Шрёдингером), чтобы доказать другому (Нильсу Бору), что тот не вполне корректен в интерпретации квантовой механики.

Бор утверждал, что, изучая субатомные частицы (составляющие атома — например, электроны) с помощью измерительных приборов, учёные описывают не свойства самих частиц, а лишь ограниченный набор характеристик, которые зафиксировали инструменты. Мысленный эксперимент Шрёдингера с котом (а точнее, с кошкой — в рукописи на немецком было упомянуто животное женского пола) помог показать, что объекты макромира (измерительные приборы и коты) вполне могут отражать свойства микромира (субатомных систем), но это не снимает проблему неполноты квантовой механики, поскольку узнать о состоянии частицы можно, только измерив её.

Сам мысленный эксперимент можно представить так: в небольшой стальной ящик помещаются кошка и счётчик Гейгера (объекты макромира), атом радиоактивного вещества (объект микромира), цианистая кислота (яд — для драматического эффекта). Вся эта система час остаётся закрытой. Известно, что радиоактивный атом за это время может распасться, а может остаться целым — с равной вероятностью. При распаде атома срабатывает счётчик Гейгера — прилаженный к нему механизм разбивает колбу с ядом, и кошка погибает. Узнать, в каком состоянии животное, можно, лишь открыв ящик — произведя измерение. Но пока мы этого не сделали, можно считать кошку находящейся в суперпозиции, то есть и живой, и мёртвой одновременно, — точно как электрон, который находится одновременно в разных состояниях.

Правда ли, что кошка при падении всегда приземляется на лапы, и почему так происходит? Это любопытно не только детям, но и взрослым. Впервые поиском научного объяснения этого феномена озаботился физик Джеймс Клерк Максвелл в середине 1850-х, когда, сдав итоговые экзамены в Кембридже, остался там работать, чтобы получить звание профессора. В то время его занимали многие неизученные проблемы, даже те, что не имели высокого научного значения — как, например, проблема котоверчения.

Совместно с профессором математики Джорджем Габриелем Стоксом молодой физик Максвелл экспериментально выявлял минимальную высоту, упав с которой кошка успевает приземлиться на лапы. Ничего сенсационного установить не удалось. Однако позже Максвеллу приходилось отбиваться от нападок зоозащитников:

«В Кембридже существует предание, что я открыл способ кидать кошек таким образом, чтобы они не приземлялись на лапы, и что я, бывало, выкидывал их из окон. Я должен был пояснить, что истинной целью исследования было определить, насколько быстро кошка может повернуться в воздухе, и что истинным методом было позволить кошке падать на стол или кровать с высоты примерно двух дюймов [чуть больше 5 см]; надо сказать, что даже в этом случае кошка приземлялась на лапы».

Спустя 40 лет вопросом котопадения занялись ещё более основательно. В 1894 году французский физиолог и изобретатель Этьен-Жюль Маре за 2 секунды сделал 32 кадра падения кошки с высоты 1,2 метра. Эти снимки были показаны в Парижской академии наук и опубликованы в авторитетнейшем научном журнале Nature.
Феномен котопадения стали обсуждать всё больше именитых учёных. Например, итальянский математик Джузеппе Пеано считал, что секрет кошачьего переворота в хвосте, на что коллеги возражали, что и бесхвостые кошки без особого труда переворачивают себя в воздухе.

Наиболее популярное и понятное объяснение этой загадки предложил известный советский математик Яков Перельман. Оно было опубликовано в журнале «Природа и люди» в 1912 году:

«Когда падающая кошка поворачивает переднюю половину своего тела, то задняя половина на тот же угол поворачивается в обратную сторону; если затем кошка повернёт в том же направлении заднюю половину, то передняя вернётся назад, и тело кошки опять займёт прежнее положение. Никакой поворот при таких условиях не возможен. Но дело будет обстоять иначе, если кошка при повороте будет соответствующим образом вытягивать и укорачивать передние и задние лапы: согласно так называемому закону площадей, часть тела с вытянутыми лапами должна, при равных прочих условиях, повернуться на меньший угол, нежели часть тела с прижатыми лапами. Чередуя надлежащим образом вытягивание и прижатие лап, кошка может рядом телодвижений достичь нужного поворота в желаемом направлении».

Спустя более чем полвека это подтвердили инженеры Стэнфордского университета в статье «Динамическое объяснение феномена падающей кошки», вышедшей в журнале International Journal of Solids and Structures. На этот раз котами учёные не разбрасывались, а создали математическую модель. Она в точности повторяла падение реальной кошки и подтверждала предположение Перельмана.

В середине 1970-х американский физик и математик Джек Хетерингтон занимался изучением условий, при которых гелий становится твёрдым. А происходит это при температуре близкой к абсолютному нулю (примерно − 273,15 °C) и давлении не менее 25 атмосфер. Для получения некоторых изотопов твёрдого гелия давление и вовсе должно быть экстремальным — около 1000 атмосфер. Учёного интересовал кристаллизованный изотоп гелия-3 и его свойства.

Статья с результатами эксперимента вышла в престижном журнале Physical Review Letters, причём подписана она была всего двумя фамилиями, что редкость для научных публикаций — обычно над ними работает целый коллектив. Первым автором значился сам Хетерингтон, а вторым — некий Ф.Д.Ч. Уиллард. Научная общественность захотела познакомиться c неизвестным коллегой, доселе ни разу не публиковавшимся и вдруг дебютировавшим с такой сложной темой.

Оказалось, это был сиамский кот Честер. Правда, в соавторы он попал не потому, что давал хозяину мудрые советы относительно свойств гелия-3. Случилось это из-за лени Хетерингтона. Написав статью, он показал её своему другу-физику. Тот похвалил работу, но предостерёг, что редакция Physical Review Letters может не принять рукопись. По правилам этого издания в статьях с одним автором принято было писать не «мы», а «я», либо ставить глаголы в безличную форму. Перепечатывать текст Хетерингтону не хотелось, поэтому он просто добавил в соавторы своего домашнего питомца под именем «Ф.Д.Ч. Уиллард», использовав первые буквы латинского названия вида домашняя кошка — Felis domesticus, начальную букву настоящего имени кота — Честер и имя его отца — Уиллард.
После случайного разоблачения физик обратил всё в шутку и даже выпустил несколько репринтов статьи, подписанной обоими авторами. У физика была стандартная подпись, а у кота — отпечаток лапы.

Куда же без космоса! За пределы Земли отправляли множество видов животных, первыми несложными организмами были мушки дрозофилы, первыми высшими — собаки. Ставку на собак сделали в СССР. А во Франции первый отряд космонавтов был сформирован из 14 кошек.
Все животные проходили тренировки на центрифуге и в барокамере. Постепенно, исходя из показателей здоровья претендентов, их количество сокращали. И в итоге оставили всего одну чёрно-белую кошку, стойко перенёсшую все испытания. Она стала не только первой мордочкой космической программы Франции, но и самой известной в мире «астрокошкой» — так окрестила её пресса. Кстати, похоже, благодаря журналистам у кошки появилось и имя — Фелисетт. Учёные не могли её так называть: биоэтические нормы запрещают давать клички подопытным животным, чтобы не привязываться к ним.

В октябре 1963 года французский Учебный и научно-исследовательский центр авиационной медицины (CERMA) успешно запустил в космос ракету-носитель Veronique AG1 с кошкой на борту. На высоте 160 км капсула с пушистым астронавтом отделились от корабля и начала спуск на землю. Посадка прошла успешно! Капсулу подобрала поисковая команда. Живую и здоровую кошку доставили в CERMA, где сделали фото, которое позже было растиражировано на почтовых открытках и марках с подписью: Merci pour votre participation à mon succès du. 18 octobre 1963 («Спасибо, что разделили со мной успех. 18 октября 1963-го»).
Есть байка, что Фелисетт попала в космос случайно. К полёту якобы готовили кота Феликса, который умудрился сбежать из лаборатории в день старта, и вместо него решили запустить первую попавшуюся кошку. Однако один из участников проекта, доктор Жерар Шательер, в 2014 году опроверг эти слухи, уточнив, что в столь серьёзном эксперименте случайное животное участвовать не могло. Фелисетт была первым и настоящим — прошедшим сложнейшие тренировки и испытания — кошачьим астронавтом.

Звали её СиСи — сокращение от английского Copy Cat. Эксперимент проводили на базе ветеринарного колледжа Техасского университета (США). Финансировала его компания Genetic Savings & Clone, которая собиралась продавать клонированных животных.
Однако на свой «первоисточник» — трёхцветную (рыже-бело-коричневую) кошку по кличке Радуга — клонированная оказалась совершенно непохожа. СиСи родилась двухцветной, без каких-либо рыжих пятнышек или вкраплений. Причём, как объяснили позже учёные, ничего парадоксального в этом не было. У кошек (и не только) за окрас шерсти отвечают сразу несколько генов в каждой из двух Х-хромосом, но не все они активируются. Для создания клона в лаборатории вырастили 87 здоровых эмбрионов, но дальше в организме суррогатной матери смог развиться только один, который и стал кошечкой СиСи. Судя по всему, именно у этого эмбриона был подавлен ген, отвечающий за рыжую окраску.
После этого, с одной стороны, успешного, а с другой — провального эксперимента компания, мечтавшая разбогатеть на воскрешении домашних любимцев, оказалась на грани банкротства. СиСи забрал к себе руководитель проекта — профессор Дуэй Креймер.

Заголовок не зря заключён в кавычки — такое милое название носил особый секретный проект Дирекции по науке и технике Центрального разведывательного управления США в 1960-е годы. Проект состоял ни много ни мало в использовании кошек для слежки за сотрудниками советского посольства в Соединённых Штатах.
Специалисты ЦРУ имплантировали в ушные каналы животного микрофоны, в основание черепа встроили малюсенький передатчик и провели вдоль всего тела — от головы до кончика хвоста — незаметную среди шерсти тонкую проволочную антенну.

Первой задачей «акустической кошечки» было подслушать двух мужчин, сидевших на скамейке в парке за территорией посольства СССР. Пушистого шпиона выпустили рядом с объектами слежки. Однако кошка не заинтересовалась мужчинами и пошла по своим делам, а через некоторое время и вовсе попала под колёса.
Дальнейшие попытки использовать кошек для прослушки сочли нецелесообразными. В меморандуме ЦРУ от 1967 года об этой провальной операции сказано, что кошки не годятся на роль шпионов, так как они плохо обучаемы и не проявляют должного интереса к вопросам национальной безопасности.

В 2008 году Нобелевскую премию по химии вручили за открытие и применение флуоресцирующего белка GFP. Чем он так примечателен? С 1990-х и по сей день его используют как маркер для наблюдения за биохимическими процессами в организме, в частности для изучения развития опасных заболеваний. Маркером GFP стал, так как успешно связывается с другими белками и заставляет их светиться зелёным в ультрафиолетовых лучах. В последнее десятилетие прошлого века учёные вывели множество животных со встроенным GFP: нематод, рыбок, кроликов, собак… В 2011 году очередь дошла до кошек.
Светящихся зелёным кошек вырастила группа биологов под руководством Эрика Пейшла из Медицинской школы клиники Майо (США). Учёные хотели проверить, можно ли создать организм, генетически устойчивый к вирусу иммунодефицита. Оказалось, что да. Статья об этом вышла в престижном журнале Nature Methods.

Белок GFP использовали как индикатор, реагирующий на успешное внедрение в организм котика гена TRIMcyp. Этот ген, выделенный из ДНК макак-резусов, как раз и обеспечивает устойчивость к вирусу иммунодефицита.
После череды сложных манипуляций у суррогатной матери-кошки родились трое здоровых котят: два мальчика и девочка. И GFP, и TRIMcyp корректно внедрились в их организмы. Шерсть и тело животных излучали зелёный свет под действием ультрафиолета, а образцы клеток, заражённые вирусом кошачьего иммунодефицита, демонстрировали частичную устойчивость к нему.
Чуть позже светящихся кошек скрестили между собой, и все признаки трансгенных родителей сохранились, что подтвердило высокую эффективность имплантации новых генов.

«Видела я котов без улыбки. Но улыбку без кота!» — удивлялась Алиса, путешествуя по Стране чудес. Кто бы мог подумать, что Чешир из сказки Льюиса Кэрролла окажется столь точной метафорой удивительного квантового эффекта, наблюдающегося при воздействии на нейтроны. Исследование о нём было опубликовано в журнале Nature Communications в 2013 году.
В ходе экспериментов учёные смогли разделить материальную сущность нейтрона и одно из его свойств. То есть частица перемещалась в установке по одному пути, а её характеристика — отдельно, по совершенно иному. Чтобы доходчивее объяснить, как это происходит, исследователи привели аналогию с Чеширским котом и его улыбкой, причём прямо в статье! Они нарисовали график, который показывал: исходное положение (кот и его улыбка как единое целое), отделение улыбки от хозяина (оскал летит в одном направлении, а сам кот уже без улыбки — в другом) и конец эксперимента (кот и улыбка снова воссоединяются).

А что же происходило в мире элементарных частиц? Учёные разделили пучок нейтронов на два в нейтронном интерферометре с помощью кристалла кремния и заставили их двигаться разными путями.
Нейтронам на первом направлении был задан спин (то есть собственный момент импульса) вдоль траектории движения; на втором — спин задали в обратном направлении. Одновременно с этим физики постоянно фиксировали местоположение частиц и их спина. Для этого направление спина слегка изменяли при помощи магнитного поля. Но оказалось, что даже такое слабое воздействие искажало квантовое состояние некоторых частиц.
Детектор зафиксировал, что воздействие магнитного поля на первый пучок не дало никакого эффекта: частицы и их спины оставались неразлучны. А вот при приложении магнитного поля ко второму пучку неожиданно появлялся странный эффект: система вела себя так, словно частицы существовали отдельно от их магнитных свойств. Другими словами, нейтроны-коты отделились от своих спинов-улыбок.

О выдающемся изобретательском таланте Николы Теслы знают многие: усовершенствованный им генератор переменного тока сделал электричество более доступным, и его стали применять в промышленных масштабах. Но известно ли вам, читатели, хоть что-то про музу Теслы? Кто ещё в детстве вдохновил его и помог увлечься наукой?
Этой музой был домашний питомец — кот Мачак. Будущий инженер часто писал о нём в дневнике. О том, как именно кот поспособствовал развитию любознательности Николы, рассказывает вот эта запись:

«Однажды в сумерках, когда я гладил Мачака по спине, я увидел чудо, которое лишило меня дара речи. Спина кота превратилась в полотно света, и из-под моей руки вылетело столько искр, что треск от них был слышен на весь дом. Мой отец был очень образованным человеком, он знал ответ на любой вопрос. Но этот феномен оказался в новинку и для него… Мама казалась зачарованной. Она сказала: “Хватит играть с котом. Из-за него может начаться пожар”. Но я размышлял абстрактно. Может быть, природа — это гигантский кот? И если да, то кто гладит его по спине? Это может быть только Господь, я уверен. Мне было только три года, а я уже философствовал… Невозможно переоценить силу воздействия этого чудесного вечера на моё детское воображение. День за днём я спрашивал себя: “Что такое электричество?”»

Вообще, после такого признания не будет преувеличением сказать, что изобретением эффективных генераторов переменного тока мы обязаны не только великому учёному и инженеру Тесле, но и его хвостатому другу.

Для некоторых людей чистая родословная домашнего любимца — предмет особой гордости. Однако исследование, проведённое в 2017 году палеогенетиками, доказывает, что абсолютно все домашние кошки — и беспородные, и чистокровные — потомки одного невзрачного подвида дикой кошки.
Результаты работы были опубликованы в журнале Nature Ecology and Evolution. Конечно, тот факт, что когда-то все кошки были дикими и люди их одомашнили, никого не удивляет. Учёных интересовали детали доместикации: какой именно подвид диких животных можно считать прародителем всех приручённых впоследствии кошек?
Чтобы выяснить это, палеогенетики проанализировали фрагменты митохондриальной и ядерной ДНК 352 кошек пяти географических подвидов, охватив временной интервал от 8 тыс. лет до нашей эры до современности. И установили, что, скорее всего, общим предком был африканский степной кот F. s. lybica — один из пяти подвидов дикого кота Felis silvestris. Правда, об абсолютно чистой крови и тут речи не идёт: в изученных останках попадались генетические примеси, ведь все пять подвидов легко скрещивались между собой.

Результаты археологических раскопок свидетельствуют, что первые попытки приручить этого сурового нравом котищу предпринимались ещё в неолите на Ближнем Востоке и в Египте. Оба эти региона борются за право быть основным очагом доместикации кошек. По одной версии, первым крупным центром одомашнивания был Древний Египет: на месте додинастического города Нехен нашли останки целого кошачьего семейства (кота, кошки и четырёх котят) возрастом примерно 5800–5600 лет. По другой версии, таким очагом была Юго-Западная Азия.
Однако самое древнее на сегодняшний день захоронение кошки (правда, единичное) было найдено на Кипре: тело животного закопали рядом с человеческой могилой около 9500 лет назад. Учёные отмечают, что в ту пору диких кошек на Кипре не было, а значит, кто-то специально привёз туда усатого хвостатого зверя.

И напоследок немного об удаче. Мы понимаем, что читатели научно-популярного издания вряд ли верят в приметы. Однако, не будучи склонны к суевериям, вы вполне можете испытывать благородное желание искоренять их.
Например, бразильский биолог и эколог, профессор Эдуардо Эйзирик и его коллеги из Национального института рака США доказали, что чёрный кот, который во многих культурах считается символом неудачи, напротив, настоящее олицетворение везения! Исследование, подтверждающее сей факт, вышло в журнале Current Biology в 2003 году.

В ходе изучения «невезучих» котов и кошек учёные рассматривали ген меланизма MC1R, который связан с чёрным окрасом. Мутируя, этот ген не только начинает влиять на цвет шерсти, но и придаёт организму устойчивость к некоторым опасным заболеваниям, в частности к вирусу иммунодефицита. Ну не счастливчики ли они, коты тёмной окраски?
Однако научная цель Эйзирика была, конечно, не в победе над суеверием — профессор и его команда хотели разобраться, возможны ли подобные эффекты в организме человека. MC1R происходит из того же семейства генов, что и человеческий CCR5. Этот ген есть в каждом из нас, но выгодно проявить себя он способен в очень редких случаях. Его мутация известна учёным как CCR5-Δ32 — при ней происходит делеция части гена (потеря участка хромосомы в процессе перестройки). Так вот, было установлено, что люди с этой мутацией значительно меньше подвержены риску стать носителями ВИЧ — прямо как везучие чёрные коты!