熱訊：十九世紀科學家奇怪的活動：丟貓

在近代物理學發展的歷程中，有一種動物格外受到科學家們的鐘愛，它不論是作為寵物還是試驗對象，都令人為之著迷，這種動物就是貓。

(資料圖片僅供參考)

比如著名的“虐貓”達人歐文·薛定諤，通過判斷貓在盒子中的狀態提出了有關生死疊加態的問題，也就是著名的量子力學思維實驗——“薛定諤的貓”。

而從十九世紀開始，在某些科學家的圈子里，出現了一種奇怪的活動：丟貓。

當時一些著名的理論物理學家都在嘗試將貓從不同高度扔下來，比如詹姆斯·克拉克·麥克斯韋，沒錯，就是那個提出麥克斯韋方程的麥克斯韋。

麥克斯韋在劍橋三一學院的時候就發現了貓從高處跌落后總能讓腳掌先著地，就算是以后背向著地面墜落也同樣如此。

這一“怪現象”引起了他的注意，因為根據牛頓第一定律，**在理想情況下，一個靜止的物體將一直保持靜止，除非受到外力的作用。**但是貓從高處跌落的過程并沒有受到外力作用，它又是怎么在空中進行運動的呢？

為了找出原因，麥克斯韋進行了多次丟貓試驗，不過受制于人眼的觀察能力有限，他只能大致推測出貓在大概低于5公分的高度落下時腳掌才不會先著地（后來有科學家進一步研究發現，這個高度要到30公分才能保證貓的安全）。

直到幾十年后，隨著延時攝影技術的出現，才得以讓科學家將貓跌落的過程分解得更為直觀。

在1882年，法國科學家兼攝影師艾蒂安-朱爾·馬雷發明了一種攝影槍，在一秒內可以拍攝12幀的畫面，由此也得到了下面這張著名的照片。

方向從右向左

在這之前，比較普遍的理論認為：貓是依靠丟它的人手作為杠桿支點完成了翻身動作。

但從這張照片可以看出，貓在開始下降時并沒有做旋轉運動，而是在自由落體期間以某種方式獲得了角動量。對此馬雷認為貓是利用了自身質量的慣性來翻轉了自己的身體。

首先貓脊椎骨肌肉收縮產生的力會作用于前腳上，此時前腳縮短并壓在了頸部，因此前腳的轉動慣量很小。另外，后腿在跌落過程中被拉伸并且幾乎垂直于身體軸線，由此產生了另一個轉動慣量，但是旋轉的方向與前者是相反的。在運動的第二階段，前后腳的狀態相反，前腳的慣性為后腿的旋轉提供了支點。

——引自維基百科馬雷論文摘要雖然馬雷的這種解釋基本上與他拍攝照片所展現出的姿態很一致。但依然有許多物理學家不太認可，其主要原因則牽扯到物理學上的“角動量守恒”的概念。

角動量守恒定律是物理學的普遍定律之一，反映了質點和質點系圍繞一點或一軸運動的普遍規律；反映不受外力作用或所受諸外力對某定點（或定軸）的合力矩始終等于零的質點和質點系圍繞該點（或軸）運動的普遍規律。

因此貓在空中進行翻身的時候如果要實現角動量守恒，當時的物理學家認為貓前腿往下翻的時候后腿應該往上翻，從而相互抵消角動量，可是高速攝影下的照片又并不是這么一回事。

后來有人提出是貓尾巴在貓掉落的時候產生的角動量抵消了前半身產生的角動量，這種解釋倒是與馬雷的照片比較一致。

可惜后面又被打臉了，有人使用無尾貓試驗發現，它們也可以完成這個動作，說明尾巴的幫助并不大。

這個問題直到1969年，在斯坦福的應用力學物理學家凱恩和舍爾發表的論文《落貓現象的動力解釋》中，才終于解開了這個謎。

他們將貓分為前半部分和后半部分，并以圓柱為模型進行探討，創建了一個新的物理模型。

簡單來說，當貓從高處落下時，貓內耳里的前庭構造首先會感知到自己的方向。然后它們會彎曲身體變成弓腰的形狀，這樣一來，身體的前半部分和后半部分就會沿著不同的軸線轉動。

再加上與貓身體平行的這根軸線，恰好構成一個矢量三角形的角動量，也就遵循了角動量守恒定律。

有趣的是，當時的物理學家沒有料到貓的結構如此特殊，居然可以通過弓腰來實現角動量守恒。所以他們當時選擇了與貓平行和垂直的軸線來建立坐標系，在這種情況下，顯然是違背了角動量守恒定律。

最后，玩歸玩，看歸看，大家可不要隨意嘗試去進行丟貓試驗，它們還是有可能會受傷的。據1987年發表在《美國獸醫協會雜志》上的一項研究結果顯示，每只貓的受傷程度隨著高度的升高而增加，畢竟重力可不是鬧著玩的。

標簽： 麥克斯韋 物理學家 角動量守恒