利維坦 - 貓咪高處墜落的詭異物理謎題－鑽石舞台

利維坦按：

好幾年前，我就聽一位攝影師朋友說起他養的一隻貓從高樓掉落（大概十幾層）只受了輕傷的傳奇故事，當時覺得不可思議：即便是看過無數次喵從貓爬架上或桌子上不慎跌落後的敏捷落地，可還是對於喵高空墜落後的高存活率感到震驚。另外一位養貓的朋友告訴我，他家的喵從5樓不慎掉落，等發現它的時候嘴角在流血，但經過獸醫一通檢查後發現，身體並沒有任何骨折和臟器受損的跡象。

雖然我無數次腦補出喵墜落時如同鼯鼠一樣展開了翅膀……但現實告訴我們，即便沒有護身斗篷，貓咪仍舊（大概率）地得以倖存。

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1894年10月，法國科學院的一次會議上，著名生理學家艾蒂安-朱爾斯·馬雷（Étienne-Jules Marey）展示了一系列照片，同事們集體譁然。隨後的一系列報道中，一位與會者宣稱，馬雷不過只是提出了一個科學悖論，其違反了物體移動的基本規律。

引發爭議的是一隻貓咪。具體來說，一隻從空中掉落的貓咪在半空中不斷扭動，最終落地。掉落以及落地本身都不是問題所在，而是貓咪在空中扭動的過程。

艾蒂安-朱爾斯·馬雷提供了一張貓咪下落的照片，該照片於1894年發表在《自然》雜誌。

多年來，科學家一直認為，貓咪要想落地，必須要從一個固定的面上跳下來。該設想源於一個稱為角動量守恆的物理概念，該概念指出，若無外力，不旋轉的物體不會運動。沒有推力，貓咪就沒有槓桿支撐其右轉。但馬雷的一系列照片卻顯示，一隻貓咪在開始下降後就開始扭動，然而周圍卻無一物。

隨後幾十年裡，科學家為此做出了許多解釋，但許多都是含糊其辭。「即使放到今天，你仍會發現人們在爭論貓咪落地的種種，」北卡羅來納大學夏洛特分校（University of North Carolina at Charlotte）物理學家格雷格·格伯爾（Greg Gbur）說。

©Oxford University Press

格伯爾是《跌落的貓科動物和基礎物理學》（Falling Felines and Fundamental Physics）的作者。專家們一致認同的是，貓咪這種行為也許並不違反物理學定律，它們只是進化到利用其最細微的差別——即使環境儼然無法生存。

格伯爾告訴我，對此困惑不已的法國科學院物理學家們把貓咪的角動量想得太簡單了。角動量在旋轉物體（貓咪）中仍可以守恆，只要其身體半邊朝一個方向旋轉，另半邊向另一個方向旋轉，聽起來有點像胡椒研磨機。然後，身體兩邊充當彼此支點，相互賦予相等且相反的推力，這便是旋轉力。這種現象恰好出現在貓咪身上。

©BDinGD

「貓咪的骨架非常靈活，」加州大學戴維斯分校（UC Davis）的獸醫巴布羅·菲利奎斯特（Barbro Filliquist）說。貓咪將脊柱很大程度彎曲像是將身體一分為二，這好比「你的背部上可以像膝關節那樣活動」，佐治亞理工學院的機械工程師大衛德·胡（David Hu）說。

©Wikipedia

當一隻貓倒懸在空中時，靠近頭部的半邊身體通常率先翻轉。要做到這一點，這半部分轉動速度必須快於剩餘部分——貓咪可能會把前爪塞向肚子，同時後爪保持張開狀態，以完成上述動作（類似於花樣滑冰運動員在快速轉體時拉動手臂）。

然後，貓咪放鬆前腿，同時將後腿塞向肚子。這一次，靠近屁股半邊旋轉得更快，將其餘身體部位帶動到右側向上的位置。與此同時，尾巴可能會充當螺旋槳，以加速身體轉動。這其實沒有必要，格伯爾告訴我：馬恩島貓（Manx Cat，一種幾乎沒有尾巴的貓）也能安穩落下。

馬恩島貓。© The Spruce Pets

貓咪轉體出奇之快，瑞典皇家理工學院（KTH Royal Institute of Technology）的物理學家漢諾艾森（Hanno Essén）說，他已經模擬了貓咪的矯正反射過程[1]。貓可以在幾英尺內重新定位自己，這一過程僅持續幾分之一秒。正是得益於這一過程，艾森那頑皮的奶貓慕什（Mooshe）才能從離地面約四五十英尺（約12到15米）的窗戶墜落後安全着陸。

這似乎不符合空氣動力學，但拋開這不談，它們從高處墜落時，仍面臨不小風險，現在城中大樓俞建愈高，更是雪上加霜[2]。紐約蘇世民動物醫療中心（Schwarzman Animal Medical Center，AMC）高級獸醫卡利·福克斯（Carly Fox）稱，過去7年裡，這裡收治的寵物近四分之一是從高處墜落而創傷。其中最糟糕的情況是，所謂的高層綜合徵可以使貓科動物流鼻血，口腔骨折，肺部塌陷，腿部骨折，甚至器官破裂[3]。

在某種程度上，掉落點越高，貓咪的狀況通常越糟。一些研究（包括AMC的研究）表明[4]，如果掉落點在六七樓高之上，隨着高度升高，受傷率可能不會發生變化，甚至降低。從科學上講，這着實奇怪，東南路易斯安那大學的物理學家瑞德·艾蘭（Rhett Allai）說。

©BDinGD

瑞德曾為《連線》雜誌撰寫了關於這種現象的文章。「並非'越高越好'。」有些數據可能有失偏頗，主人將貓咪帶到獸醫那裡，很難確認他們有沒有誇大其詞，另有一些研究得出的結論截然相反[5]。

這些數據不僅零散，並且自相矛盾[6]。「對此我們無從解釋，」加利福尼亞州的緊急和重症監護獸醫邁克爾·加藤（Michael Kato）說。

如果這一模式符合物理定律，我們就可以解釋一些貓在高處展現出的驚人彈跳力。格伯爾曾經看到一隻貓咪從高100英尺（約30米）的樹上跌下，然而這種高度對它來說似乎無關痛癢。福克斯最近救治了一個在從19層樓墜落卻得以生還的貓咪。一隻名叫薩布麗娜（Sabrina）的貓咪曾從離地32層樓高的地方掉下來，最後活了下來，簡直是一個奇蹟。另一隻叫喬米（Jommi）的貓咪據說從26層樓摔下，砸穿了帳篷的屋頂，最後人們發現它在掉落點附近舔毛，毫髮無損[7]。

「我見過貓咪從7，8，9，甚至10樓摔下，身上有撕裂傷，有的還摔斷了腿，但這些都可以通過治療恢復，」德克薩斯A&M大學急診和重症監護醫師克里斯汀·魯特（Christine Rutter）說。

研究表明[2]，貓的高層綜合徵存活率一直超過90%，「在我工作的急診室和ICU中，這對我來說太瘋狂了，」北卡羅來納州立大學緊急和重症監護醫師索菲亞·埃米爾蘇丹（Sophia Amirsultan）說。

©techcrunch

這其中奧秘可能涉及另一個物理漏洞。在剛開始墜落的幾十英尺內，貓咪的身體會不斷加速，其撞擊地面的衝擊力隨之攀增。對於從大約兩到五層樓掉落的貓咪來說，這很難抉擇。然而，只要高度稍稍超過五層樓，一隻11磅（約5公斤）重的貓咪落地時極限速度就會達到每小時60英里（約96公里）。此後不管墜落起點再怎麼升高，落地時那砰的一聲也不會更響亮。這的確瘋狂：艾蘭告訴我，實際上，貓咪墜落並能存活的高度似乎並不存在上限。

魯特告訴我，達到極限速度可能會讓貓咪感到失重，甚至可能使貓咪「停止恐慌」，雙腿鬆開。如若墜落，落地撞擊無可避免，而貓咪的身體可以更均勻地分攤這種衝擊。這便可以解釋為什麼加藤和他的同事們發現，從七層樓及以上的高度掉下的貓咪，受傷部位往往在軀幹和下巴，而不是四肢。

兔子似乎也有相當不錯的矯正反射。科學家發現，某些壁虎也可以通過揮舞其粗壯的尾巴而使自己安全落地[8]。但也許，只有家貓才能做到完美：它們擁有一種驚人的平衡感，當它們需要翻轉時可以瞬間找到平衡，加上反應極快，背部可彎曲，四肢延展性超強，可完美執行這一動作[9]，加利福尼亞州雷蒙德·阿爾夫古生物學博物館的古生物學家瑪伊·巴里希（Mairin Balisi）對我說。

埃米爾蘇丹告訴我，歷經進化，貓咪反應敏捷，習慣樹棲，有點甚至像流體[10]、略帶減震作用[11]的體格。幾位獸醫告訴我，狗狗的下墜情況往往沒有貓咪那樣樂觀。巴里希說，即使是一些體型更大貓科動物，也不總是能安全着陸。她補充說，如果它們總能安全着陸，《獅子王》估計就拍不出來了。（刀疤教唆小辛巴在角馬群附近吼叫，受到獅吼刺激的角馬群受驚，紛紛跑下山，大批的角馬沖向辛巴，幸好木法沙及時趕到救下了辛巴，但自己卻沒能倖免，木法沙本來是可以得救的，但他遭到了刀疤的暗算被推下了山崖，最後被角馬群踩死了。）

我問格伯爾，人類是否可以學會模仿貓咪的陀螺儀轉彎。他告訴我，我們已經可以做到了。最優秀潛水員和體操運動員在轉體的身體可能像極了貓科動物；美國宇航局也希望宇航員可以跟貓咪學習如何在無重力空間中飛行。