下落小猫：一个令科学家欲罢不能的谜题

孙欣

在人类探索大地、海洋和天空的征途中，处处都有猫的身影，科学研究也不例外。

猫从高处落下时常常能四脚着地，毫发无伤。可以想象，多少双充满兴趣的眼睛观察过猫上房上树捕鸟，偷食，戏耍……然后从高处以各种姿势落下，四脚落地安然无恙。这些看过许多次猫落地的人，在有条件的时候，就想搞清楚猫究竟是怎么做到的，因为很多别的动物——包括人类在内——都比不上猫。

1850年，著名的物理学家麦克斯韦在剑桥大学三一学院学习数学的时候，就对猫落地产生了浓厚的兴趣。传说他在业余时间经常研究猫落地的过程，抓住猫的四肢让它背部朝着地面落下，观察猫在空中的翻转。但是，猫的动作比人眼的感知力要快许多，麦克斯韦认为猫能在三分之一秒内实现翻身。当时还没有完备的摄影摄像器材，麦克斯韦无法从他的猫下落实验中得出有用的结论。

麦克斯韦之后，又有许多物理学家和生物学家做了许多实验，证明猫只需要大概70厘米的高度，就能在空中完成翻身，转成四脚落地的姿势。物理学家在研究动力学时，习惯将物体抽象成一个有质量的球体，因此当时的看法是猫在下落时用脚爪或身体触碰了环境中的支点，借助外力实现翻身，否则无法达成角动量平衡。

1894年，法国生理学家马雷借助新出现的摄影技术，给猫下落研究带来了突破，推翻了之前的普遍看法。他拍摄了组图《园丁的猫下落》，用一组19张照片证明了猫在空中没有支点借力的情况下也能轻松翻转身体，四脚落地。这组照片在法国科学院展示，引起了轰动，因为当时的物理学家认为猫在空中不借助外力翻身是对已知力学定律的冒犯。然而猫一次又一次地证明了自己，轻巧落地，把修正物理模型的难题甩给了目瞪口呆的科学家。

在摄影证据面前，研究者不得不修正他们的模型。他们认识到：把猫想象成一个“坚硬的球体”模型是错误的，因为猫的柔软身躯在空中能向不同的方向旋转，达到角动量的平衡。物理学家认为猫的前半身和后半身分别向两个不同方向旋转，配合前脚后脚的蜷缩和舒张，还有螺旋桨一样摆动的尾巴，使猫在极短的时间内实现了角动量平衡。

为什么这么多人对猫的下落问题感兴趣？

猫的下落复杂微妙，既是生物问题，又是物理问题。在陆地上生活的高等生物每日奔忙觅食捕猎，感知自己的位置、确保肢体的协调运动非常重要，身体悬空的时候，如何保证安全着陆，猫在这方面作出了表率。

人类的梦想之一是飞行，冲出太空。进入太空后，飞船内的人处于失重状态。在这种状态下，人不能再自然感知“地面”所在，也就无法控制自己行进的方向。了解下落的猫在空中的運动方式，可以帮助宇航员在飞船和空间站的生活中更好地控制自己的身体。为了更好地了解猫落地的问题，航空航天研究者把猫带上了失重模拟舱。在失重状态下，猫丧失了四脚落地的本领，它们会惊慌地在空中打滚，无法确定应该向哪个方向“下落”。宇航员跟猫学会了不少肢体动作，帮助他们在失重状态下转身和翻滚。

（摘自《少年新知》2023年第12期，魏克图）