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全球观速讯丨十九世纪科学家奇怪的活动——丢猫

来源：科普中国

在近代物理学发展的历程中，有一种动物格外受到科学家们的钟爱，它不论是作为宠物还是试验对象，都令人为之着迷，这种动物就是猫。

比如著名的“虐猫”达人欧文·薛定谔，通过判断猫在盒子中的状态提出了有关生死叠加态的问题，也就是著名的量子力学思维实验——“薛定谔的猫”。

而从十九世纪开始，在某些科学家的圈子里，出现了一种奇怪的活动：丢猫。


【资料图】

当时一些著名的理论物理学家都在尝试将猫从不同高度扔下来，比如詹姆斯·克拉克·麦克斯韦，没错，就是那个提出麦克斯韦方程的麦克斯韦。

麦克斯韦在剑桥三一学院的时候就发现了猫从高处跌落后总能让脚掌先着地，就算是以后背向着地面坠落也同样如此。

这一“怪现象”引起了他的注意，因为根据牛顿第一定律，在理想情况下，一个静止的物体将一直保持静止，除非受到外力的作用。但是猫从高处跌落的过程并没有受到外力作用，它又是怎么在空中进行运动的呢？

为了找出原因，麦克斯韦进行了多次丢猫试验，不过受制于人眼的观察能力有限，他只能大致推测出猫在大概低于5公分的高度落下时脚掌才不会先着地（后来有科学家进一步研究发现，这个高度要到30公分才能保证猫的安全）。

直到几十年后，随着延时摄影技术的出现，才得以让科学家将猫跌落的过程分解得更为直观。

在1882年，法国科学家兼摄影师艾蒂安-朱尔·马雷发明了一种摄影枪，在一秒内可以拍摄12帧的画面，由此也得到了下面这张著名的照片。

方向从右向左

在这之前，比较普遍的理论认为：猫是依靠丢它的人手作为杠杆支点完成了翻身动作。

但从这张照片可以看出，猫在开始下降时并没有做旋转运动，而是在自由落体期间以某种方式获得了角动量。对此马雷认为猫是利用了自身质量的惯性来翻转了自己的身体。

首先猫脊椎骨肌肉收缩产生的力会作用于前脚上，此时前脚缩短并压在了颈部，因此前脚的转动惯量很小。另外，后腿在跌落过程中被拉伸并且几乎垂直于身体轴线，由此产生了另一个转动惯量，但是旋转的方向与前者是相反的。在运动的第二阶段，前后脚的状态相反，前脚的惯性为后腿的旋转提供了支点。

——引自维基百科马雷论文摘要

虽然马雷的这种解释基本上与他拍摄照片所展现出的姿态很一致。但依然有许多物理学家不太认可，其主要原因则牵扯到物理学上的“角动量守恒”的概念。

角动量守恒定律是物理学的普遍定律之一，反映了质点和质点系围绕一点或一轴运动的普遍规律；反映不受外力作用或所受诸外力对某定点（或定轴）的合力矩始终等于零的质点和质点系围绕该点（或轴）运动的普遍规律。

因此猫在空中进行翻身的时候如果要实现角动量守恒，当时的物理学家认为猫前腿往下翻的时候后腿应该往上翻，从而相互抵消角动量，可是高速摄影下的照片又并不是这么一回事。

后来有人提出是猫尾巴在猫掉落的时候产生的角动量抵消了前半身产生的角动量，这种解释倒是与马雷的照片比较一致。

可惜后面又被打脸了，有人使用无尾猫试验发现，它们也可以完成这个动作，说明尾巴的帮助并不大。

这个问题直到1969年，在斯坦福的应用力学物理学家凯恩和舍尔发表的论文《落猫现象的动力解释》中，才终于解开了这个谜。

他们将猫分为前半部分和后半部分，并以圆柱为模型进行探讨，创建了一个新的物理模型。

简单来说，当猫从高处落下时，猫内耳里的前庭构造首先会感知到自己的方向。然后它们会弯曲身体变成弓腰的形状，这样一来，身体的前半部分和后半部分就会沿着不同的轴线转动。

再加上与猫身体平行的这根轴线，恰好构成一个矢量三角形的角动量，也就遵循了角动量守恒定律。

有趣的是，当时的物理学家没有料到猫的结构如此特殊，居然可以通过弓腰来实现角动量守恒。所以他们当时选择了与猫平行和垂直的轴线来建立坐标系，在这种情况下，显然是违背了角动量守恒定律。

最后，玩归玩，看归看，大家可不要随意尝试去进行丢猫试验，它们还是有可能会受伤的。据1987年发表在《美国兽医协会杂志》上的一项研究结果显示，每只猫的受伤程度随着高度的升高而增加，毕竟重力可不是闹着玩的。

关键词： 麦克斯韦 物理学家 角动量守恒

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