2014年,美国有一只名为“小糖”的猫咪它从32层高楼坠落。监控画面显示,这只猫在空中完成了五次华丽的转身;就像跳水运动员一样,不断调整着姿态。最后轻巧地用肉垫着陆,仅仅掉了一颗牙。物理学家们盯着这段视频,陷入沉思:没有翅膀的猫,究竟凭啥能在真空中凭空旋转?难道说牛顿的棺材板,都要压不住了!
这场针对“猫为什么总能四脚着地”展开的争论,在科学史上那可是持续时间最久的“争斗”。1894年那会儿,法国科学家马雷利用早期胶片机把猫坠落的画面给拍下来了,这一下子就引发了舆论热潮。他留意到,猫在空气中旋转的时候,前半身和后半身居然是以相反的方向在摆动呢。并且他当时特别激动地宣称,“猫单单凭借自身的身体,就违反了角动量守恒定律呀!”
这句话把居里夫妇的导师李普曼给彻底地惹恼了。他一名经典力学的坚定维护者,突然就“啪”地一下拍了下桌子,大声地质问:“要是没有外力起作用,角动量必定会保持不变!你这些数据,肯定存在大问题,或许还是假造的呢!”在巴黎科学院的会议室里,两人争得那叫一个激烈,最后竟被保安架着胳膊给强行拖出了门外,原本打算商量的重要事儿,全都被抛到九霄云外去了。
这场争论,持续了半个多世纪,而且一直到1960年,NASA才正式参与进来,这样的话才让局面有了转变。为了研究动物在太空失重状态下的运动特点,研究人员把猫固定在专门设计的吊索上,接着把它送到零重力舱里。从高速摄像机拍摄到的画面能够看出,稍微有些惊讶:当猫开始下落的那一瞬间,它竟像一根弹簧一样,拱起背部,前爪紧紧收拢,后爪完全伸展,把身体分成了上下两部分,呈现出“反向拧转”的奇怪姿势。
更怪异的是,尽管猫的总角动量一直以来都为零(其前后半身的运动相互得以抵消),但它居然达成了整体的转向。这就如同有个人坐在转椅上,一动不动,却能够让自身朝着相反的方向——经典力学的教科书,在此刻被硬生生地撕开了一道缝隙。
答案在21世纪到来之时揭晓了,因为X光扫描技术的应用。科学家们发现,猫的脊柱内部,隐藏着一种奇特的结构,叫做“生物铰链”。它们的锁骨已然演变为独立的状态,而且脊椎骨能够像橡皮泥一般,非常自如地弯曲到180度。更令人惊奇的是,关节之间好像被注入了类似万向节的功能,这样的话,在运动时格外流畅。
当猫从空中坠落之时,会闪电般地完成四步操作:首先轻松愉快地,缩紧前爪,进而减小前半身的惯性矩;接着简洁明快地,猛甩前半身,使其逆时针旋转;接下来稍稍伸展后腿,以此增大后半身的惯性矩;最后竟然迫使后半身顺时针缓慢旋转。
整个过程,就像是把身体拆成了两个反向转动的陀螺,总角动量,保持为零,但是整体朝向,已偷偷偏转90度。这种操作的精细程度,简直可与顶级体操运动员相媲美,每秒750度的旋转速度,甚至比F1赛车方向盘转向还要快上三倍。
鲜为人知的是,人类对猫体研究的黑历史,比科学发现更为惊悚。中世纪欧洲教会,竟坚信“违反物理定律的猫必是恶魔”,而且成千上万的猫咪被从高处扔下进行测试。
那些幸存下来的猫,而且居然被当作女巫的化身,随后便被绑上火刑架。讽刺的是,这种残忍的“杀猫验巫”运动其实意外地推动了早期生物力学研究;解剖学家正是在这些猫尸上,首次发现了它们区别于其他哺乳动物的那种液态骨骼结构。
如今喵星人的绝技正于悄然之间拯救着人类科技。MIT团队受猫那在空中的姿态控制所启发,研发出了“无陀螺仪自稳机器人”。这种机器人在被踢飞之后,居然能够在空气中自动地调整姿势,并且未来还将被应用于火星探测器的抗冲击设计之中。
下次见到猫从衣柜顶失足跌落之时,不妨掏出手机,开启慢动作模式——你会亲眼,目睹它怎样,将身体分解又重新组合,完成这场,与直觉相悖的物理魔术。当它优雅落地之后,朝你轻蔑地瞥上一眼时,请记住这个毛茸茸的小生灵,刚刚在你眼前,完成了一场,历经137年的科学论战里,最为完美的实证展示。