2014年,美國有一只名為“小糖”的貓咪它從32層高樓墜落。監控畫面顯示,這只貓在空中完成了五次華麗的轉身;就像跳水運動員一樣,不斷調整著姿態。最后輕巧地用肉墊著陸,僅僅掉了一顆牙。物理學家們盯著這段視頻,陷入沉思:沒有翅膀的貓,究竟憑啥能在真空中憑空旋轉?難道說牛頓的棺材板,都要壓不住了!
這場針對“貓為什么總能四腳著地”展開的爭論,在科學史上那可是持續時間最久的“爭斗”。1894年那會兒,法國科學家馬雷利用早期膠片機把貓墜落的畫面給拍下來了,這一下子就引發了輿論熱潮。他留意到,貓在空氣中旋轉的時候,前半身和后半身居然是以相反的方向在擺動呢。并且他當時特別激動地宣稱,“貓單單憑借自身的身體,就違反了角動量守恒定律呀!”
這句話把居里夫婦的導師李普曼給徹底地惹惱了。他一名經典力學的堅定維護者,突然就“啪”地一下拍了下桌子,大聲地質問:“要是沒有外力起作用,角動量必定會保持不變!你這些數據,肯定存在大問題,或許還是假造的呢!”在巴黎科學院的會議室里,兩人爭得那叫一個激烈,最后竟被保安架著胳膊給強行拖出了門外,原本打算商量的重要事兒,全都被拋到九霄云外去了。
這場爭論,持續了半個多世紀,而且一直到1960年,NASA才正式參與進來,這樣的話才讓局面有了轉變。為了研究動物在太空失重狀態下的運動特點,研究人員把貓固定在專門設計的吊索上,接著把它送到零重力艙里。從高速攝像機拍攝到的畫面能夠看出,稍微有些驚訝:當貓開始下落的那一瞬間,它竟像一根彈簧一樣,拱起背部,前爪緊緊收攏,后爪完全伸展,把身體分成了上下兩部分,呈現出“反向擰轉”的奇怪姿勢。
更怪異的是,盡管貓的總角動量一直以來都為零(其前后半身的運動相互得以抵消),但它居然達成了整體的轉向。這就如同有個人坐在轉椅上,一動不動,卻能夠讓自身朝著相反的方向——經典力學的教科書,在此刻被硬生生地撕開了一道縫隙。
答案在21世紀到來之時揭曉了,因為X光掃描技術的應用。科學家們發現,貓的脊柱內部,隱藏著一種奇特的結構,叫做“生物鉸鏈”。它們的鎖骨已然演變為獨立的狀態,而且脊椎骨能夠像橡皮泥一般,非常自如地彎曲到180度。更令人驚奇的是,關節之間好像被注入了類似萬向節的功能,這樣的話,在運動時格外流暢。
當貓從空中墜落之時,會閃電般地完成四步操作:首先輕松愉快地,縮緊前爪,進而減小前半身的慣性矩;接著簡潔明快地,猛甩前半身,使其逆時針旋轉;接下來稍稍伸展后腿,以此增大后半身的慣性矩;最后竟然迫使后半身順時針緩慢旋轉。
整個過程,就像是把身體拆成了兩個反向轉動的陀螺,總角動量,保持為零,但是整體朝向,已偷偷偏轉90度。這種操作的精細程度,簡直可與頂級體操運動員相媲美,每秒750度的旋轉速度,甚至比F1賽車方向盤轉向還要快上三倍。
鮮為人知的是,人類對貓體研究的黑歷史,比科學發現更為驚悚。中世紀歐洲教會,竟堅信“違反物理定律的貓必是惡魔”,而且成千上萬的貓咪被從高處扔下進行測試。
那些幸存下來的貓,而且居然被當作女巫的化身,隨后便被綁上火刑架。諷刺的是,這種殘忍的“殺貓驗巫”運動其實意外地推動了早期生物力學研究;解剖學家正是在這些貓尸上,首次發現了它們區別于其他哺乳動物的那種液態骨骼結構。
如今喵星人的絕技正于悄然之間拯救著人類科技。MIT團隊受貓那在空中的姿態控制所啟發,研發出了“無陀螺儀自穩機器人”。這種機器人在被踢飛之后,居然能夠在空氣中自動地調整姿勢,并且未來還將被應用于火星探測器的抗沖擊設計之中。
下次見到貓從衣柜頂失足跌落之時,不妨掏出手機,開啟慢動作模式——你會親眼,目睹它怎樣,將身體分解又重新組合,完成這場,與直覺相悖的物理魔術。當它優雅落地之后,朝你輕蔑地瞥上一眼時,請記住這個毛茸茸的小生靈,剛剛在你眼前,完成了一場,歷經137年的科學論戰里,最為完美的實證展示。
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