Проблема Фейнмана решена спустя полвека

Великий физик ХХ века, нобелевский лауреат Ричард Фейнман, обычно достигал успеха в тех задачах, за которые брался — к примеру, в создании квантовой электродинамики. Тем не менее одну из поставленных им задач он так и не решил. По свидетельству очевидцев, целый вечер доктор Фейнман задумчиво вынимал из пачки спагетти по одной макаронине, брал ее за два конца и гнул, пока та не сломается. Макаронина ломалась на три части, на четыре, на пять или больше. Но ни разу она не сломалась на два куска (каждый желающий может повторить опыт и убедиться в справедливости правила).

Гениальный теоретик откладывал спагетти и исписывал формулами листы бумаги, а затем снова возвращался к экспериментированию. Но объяснение эффекта — не говоря уже о практическом рецепте разламывания спагетти ровно надвое — оставалось неуловимым.

Задача была решена лишь теперь спустя 30 лет после его смерти, — о чем и сообщает статья в Proceedings of the National Academy of Sciences, одном из самых престижных научных изданий мира.

Нельзя сказать, что физики надолго отложили работу над этой проблемой: загадка не могла не будоражить их умы, и на протяжении десятилетий они то и дело откладывали текущие дела и возвращались к макаронам. Наконец, в 2005 году успех улыбнулся французским ученым Базилю Одоли и Себастиану Нейкиршу: они предложили теоретическое объяснение эффекта. Дело в том, что, если сгибать сухую макаронину, — или любой другой жесткий стержень, — он в конце концов сломается где-то вблизи середины, то есть там, где изгиб максимален. Однако в момент разлома по стержню распространяется волна деформаций, которые приводят к дополнительным разломам в других местах, в зависимости от рисунка распространения прямой и отраженной волн. Работа французских исследователей в 2006 году удостоилась Шнобелевской премии. Однако половина задачи осталась нерешенной: что нужно сделать, чтобы все-таки сломать спагетти на две части? Этим и занялись ученые из Массачусетского института технологий.

Профессор Йорн Дункель поручил задачу своим студентам, Рональду Хайсеру, Эдгару Гриделло и Вишалу Патилу, в качестве итогового проекта по курсу «Нелинейная динамика: континуальные системы». Для чистоты эксперимента макароны ломали не вручную, а с помощью специально разработанного прибора: стержень закреплялся с двух сторон, и к нему прилагалось тщательно дозируемое механическое усилие. И решение было найдено. Чтобы сломать спагетти на две части, требуется не только гнуть их, но одновременно скручивать, причем довольно сильно. Стандартную 25-сантиметровую макаронину придется скрутить минимум на 270 градусов: тогда в большинстве случаев на ней образуется всего один разлом.

После серии экспериментов последовала теоретическая работа: следовало объяснить, в чем же волшебство скрученной макаронины. Выяснилось следующее: при первом разломе происходит релаксация напряжения скручивания. Так же как и с изгибом, волна колебаний распространяется вдоль макаронины от излома к концам. Однако волна колебаний скручивания бежит быстрее, и она успевает рассеять энергию еще до того, как волна изгибов приведет к новым изломам. Теоретические расчеты полностью совпали с данными эксперимента.

Практическое значение работы весьма велико. Жесткие цилиндрические стержни — элемент разнообразных инженерных конструкций. Человека, идущего по мосту, приятно успокаивает мысль, что такие конструкции рассчитываются по последнему слову науки о сопротивлении материалов. Однако тот факт, что задача Фейнмана так долго оставалась нерешенной — а значит, инженеры вообще не имеют никакого представления о том, почему жесткий стержень ломается именно так, а не этак — может омрачить его прогулку.

По словам руководителя исследования Йорна Дункеля, полученный результат углубляет понимание того, как скручивание влияет на каскадные изломы. Однако ученый предостерегает, что теория пока описывает только спагетти, чтобы понять поведение макаронных изделий, имеющих форму ленты, потребуются дополнительные расчеты.