熱訊：十九世紀(jì)科學(xué)家奇怪的活動：丟貓

在近代物理學(xué)發(fā)展的歷程中，有一種動物格外受到科學(xué)家們的鐘愛，它不論是作為寵物還是試驗(yàn)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(dá)人歐文·薛定諤，通過判斷貓?jiān)诤凶又械臓顟B(tài)提出了有關(guān)生死疊加態(tài)的問題，也就是著名的量子力學(xué)思維實(shí)驗(yàn)——“薛定諤的貓”。

而從十九世紀(jì)開始，在某些科學(xué)家的圈子里，出現(xiàn)了一種奇怪的活動：丟貓。

當(dāng)時(shí)一些著名的理論物理學(xué)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(xué)院的時(shí)候就發(fā)現(xiàn)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(xiàn)象”引起了他的注意，因?yàn)楦鶕?jù)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(jìn)行運(yùn)動的呢？

為了找出原因，麥克斯韋進(jìn)行了多次丟貓?jiān)囼?yàn)，不過受制于人眼的觀察能力有限，他只能大致推測出貓?jiān)诖蟾诺陀?公分的高度落下時(shí)腳掌才不會先著地（后來有科學(xué)家進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，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(shí)攝影技術(shù)的出現(xiàn)，才得以讓科學(xué)家將貓跌落的過程分解得更為直觀。

在1882年，法國科學(xué)家兼攝影師艾蒂安-朱爾·馬雷發(fā)明了一種攝影槍，在一秒內(nèi)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(rèn)為：貓是依靠丟它的人手作為杠桿支點(diǎn)完成了翻身動作。

但從這張照片可以看出，貓?jiān)陂_始下降時(shí)并沒有做旋轉(zhuǎn)運(yùn)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(rèn)為貓是利用了自身質(zhì)量的慣性來翻轉(zhuǎn)了自己的身體。

首先貓脊椎骨肌肉收縮產(chǎn)生的力會作用于前腳上，此時(shí)前腳縮短并壓在了頸部，因此前腳的轉(zhuǎn)動慣量很小。另外，后腿在跌落過程中被拉伸并且?guī)缀醮怪庇谏眢w軸線，由此產(chǎn)生了另一個轉(zhuǎn)動慣量，但是旋轉(zhuǎn)的方向與前者是相反的。在運(yùn)動的第二階段，前后腳的狀態(tài)相反，前腳的慣性為后腿的旋轉(zhuǎn)提供了支點(diǎn)。

——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(xiàn)出的姿態(tài)很一致。但依然有許多物理學(xué)家不太認(rèn)可，其主要原因則牽扯到物理學(xué)上的“角動量守恒”的概念。

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

因此貓?jiān)诳罩羞M(jìn)行翻身的時(shí)候如果要實(shí)現(xiàn)角動量守恒，當(dāng)時(shí)的物理學(xué)家認(rèn)為貓前腿往下翻的時(shí)候后腿應(yīng)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(shí)候產(chǎn)生的角動量抵消了前半身產(chǎn)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?jiān)囼?yàn)發(fā)現(xiàn)，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(yīng)用力學(xué)物理學(xué)家凱恩和舍爾發(fā)表的論文《落貓現(xiàn)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(jìn)行探討，創(chuàng)建了一個新的物理模型。

簡單來說，當(dāng)貓從高處落下時(shí)，貓內(nèi)耳里的前庭構(gòu)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(zhuǎn)動。

再加上與貓身體平行的這根軸線，恰好構(gòu)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(dāng)時(shí)的物理學(xué)家沒有料到貓的結(jié)構(gòu)如此特殊，居然可以通過弓腰來實(shí)現(xiàn)角動量守恒。所以他們當(dāng)時(shí)選擇了與貓平行和垂直的軸線來建立坐標(biāo)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(jìn)行丟貓?jiān)囼?yàn)，它們還是有可能會受傷的。據(jù)1987年發(fā)表在《美國獸醫(yī)協(xié)會雜志》上的一項(xiàng)研究結(jié)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(biāo)簽： 麥克斯韋 物理學(xué)家 角動量守恒