猫咪高处坠落的诡异物理谜题

Original Katherine J. Wu 利维坦

利维坦按：

好几年前，我就听一位摄影师朋友说起他养的一只猫从高楼掉落（大概十几层）只受了轻伤的传奇故事，当时觉得不可思议：即便是看过无数次喵从猫爬架上或桌子上不慎跌落后的敏捷落地，可还是对于喵高空坠落后的高存活率感到震惊。另外一位养猫的朋友告诉我，他家的喵从5楼不慎掉落，等发现它的时候嘴角在流血，但经过兽医一通检查后发现，身体并没有任何骨折和脏器受损的迹象。

虽然我无数次脑补出喵坠落时如同鼯鼠一样展开了翅膀……但现实告诉我们，即便没有护身斗篷，猫咪仍旧（大概率）地得以幸存。

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1894年10月，法国科学院的一次会议上，著名生理学家艾蒂安-朱尔斯·马雷（Étienne-Jules Marey）展示了一系列照片，同事们集体哗然。随后的一系列报道中，一位与会者宣称，马雷不过只是提出了一个科学悖论，其违反了物体移动的基本规律。

引发争议的是一只猫咪。具体来说，一只从空中掉落的猫咪在半空中不断扭动，最终落地。掉落以及落地本身都不是问题所在，而是猫咪在空中扭动的过程。

艾蒂安-朱尔斯·马雷提供了一张猫咪下落的照片，该照片于1894年发表在《自然》杂志。

多年来，科学家一直认为，猫咪要想落地，必须要从一个固定的面上跳下来。该设想源于一个称为角动量守恒的物理概念，该概念指出，若无外力，不旋转的物体不会运动。没有推力，猫咪就没有杠杆支撑其右转。但马雷的一系列照片却显示，一只猫咪在开始下降后就开始扭动，然而周围却无一物。

随后几十年里，科学家为此做出了许多解释，但许多都是含糊其辞。“即使放到今天，你仍会发现人们在争论猫咪落地的种种，”北卡罗来纳大学夏洛特分校（University of North Carolina at Charlotte）物理学家格雷格·格伯尔（Greg Gbur）说。

格伯尔是《跌落的猫科动物和基础物理学》（Falling Felines and Fundamental Physics）的作者。专家们一致认同的是，猫咪这种行为也许并不违反物理学定律，它们只是进化到利用其最细微的差别——即使环境俨然无法生存。

格伯尔告诉我，对此困惑不已的法国科学院物理学家们把猫咪的角动量想得太简单了。角动量在旋转物体（猫咪）中仍可以守恒，只要其身体半边朝一个方向旋转，另半边向另一个方向旋转，听起来有点像胡椒研磨机。然后，身体两边充当彼此支点，相互赋予相等且相反的推力，这便是旋转力。 这种现象恰好出现在猫咪身上。

“猫咪的骨架非常灵活，”加州大学戴维斯分校（UC Davis）的兽医巴布罗·菲利奎斯特（Barbro Filliquist）说。猫咪将脊柱很大程度弯曲像是将身体一分为二，这好比“你的背部上可以像膝关节那样活动”，佐治亚理工学院的机械工程师大卫德·胡（David Hu）说。

当一只猫倒悬在空中时，靠近头部的半边身体通常率先翻转。要做到这一点，这半部分转动速度必须快于剩余部分——猫咪可能会把前爪塞向肚子，同时后爪保持张开状态，以完成上述动作（类似于花样滑冰运动员在快速转体时拉动手臂）。

然后，猫咪放松前腿，同时将后腿塞向肚子。这一次，靠近屁股半边旋转得更快，将其余身体部位带动到右侧向上的位置。与此同时，尾巴可能会充当螺旋桨，以加速身体转动。这其实没有必要，格伯尔告诉我：马恩岛猫（Manx Cat，一种几乎没有尾巴的猫）也能安稳落下。

马恩岛猫。© The Spruce Pets

猫咪转体出奇之快，瑞典皇家理工学院（KTH Royal Institute of Technology）的物理学家汉诺艾森（Hanno Essén）说，他已经模拟了猫咪的矫正反射过程[1]。猫可以在几英尺内重新定位自己，这一过程仅持续几分之一秒。正是得益于这一过程，艾森那顽皮的奶猫慕什（Mooshe）才能从离地面约四五十英尺（约12到15米）的窗户坠落后安全着陆。

这似乎不符合空气动力学，但抛开这不谈，它们从高处坠落时，仍面临不小风险，现在城中大楼俞建愈高，更是雪上加霜[2]。纽约苏世民动物医疗中心（Schwarzman Animal Medical Center，AMC）高级兽医卡利·福克斯（Carly Fox）称，过去7年里，这里收治的宠物近四分之一是从高处坠落而创伤。其中最糟糕的情况是，所谓的高层综合征可以使猫科动物流鼻血，口腔骨折，肺部塌陷，腿部骨折，甚至器官破裂[3]。

在某种程度上，掉落点越高，猫咪的状况通常越糟。一些研究（包括AMC的研究）表明[4]，如果掉落点在六七楼高之上，随着高度升高，受伤率可能不会发生变化，甚至降低。从科学上讲，这着实奇怪，东南路易斯安那大学的物理学家瑞德·艾兰（Rhett Allai）说。

瑞德曾为《连线》杂志撰写了关于这种现象的文章。“并非'越高越好'。”有些数据可能有失偏颇，主人将猫咪带到兽医那里，很难确认他们有没有夸大其词，另有一些研究得出的结论截然相反[5]。

这些数据不仅零散，并且自相矛盾[6]。“对此我们无从解释，”加利福尼亚州的紧急和重症监护兽医迈克尔·加藤（Michael Kato）说。

如果这一模式符合物理定律，我们就可以解释一些猫在高处展现出的惊人弹跳力。格伯尔曾经看到一只猫咪从高100英尺（约30米）的树上跌下，然而这种高度对它来说似乎无关痛痒。福克斯最近救治了一个在从19层楼坠落却得以生还的猫咪。一只名叫萨布丽娜（Sabrina）的猫咪曾从离地32层楼高的地方掉下来，最后活了下来，简直是一个奇迹。另一只叫乔米（Jommi）的猫咪据说从26层楼摔下，砸穿了帐篷的屋顶，最后人们发现它在掉落点附近舔毛，毫发无损[7]。

“我见过猫咪从7，8，9，甚至10楼摔下，身上有撕裂伤，有的还摔断了腿，但这些都可以通过治疗恢复，”德克萨斯A&M大学急诊和重症监护医师克里斯汀·鲁特（Christine Rutter）说。

研究表明[2]，猫的高层综合征存活率一直超过90%，“在我工作的急诊室和ICU中，这对我来说太疯狂了，”北卡罗来纳州立大学紧急和重症监护医师索菲亚·埃米尔苏丹（Sophia Amirsultan）说。

这其中奥秘可能涉及另一个物理漏洞。在刚开始坠落的几十英尺内，猫咪的身体会不断加速，其撞击地面的冲击力随之攀增。对于从大约两到五层楼掉落的猫咪来说，这很难抉择。然而，只要高度稍稍超过五层楼，一只11磅（约5公斤）重的猫咪落地时极限速度就会达到每小时60英里（约96公里）。此后不管坠落起点再怎么升高，落地时那砰的一声也不会更响亮。这的确疯狂：艾兰告诉我，实际上，猫咪坠落并能存活的高度似乎并不存在上限。

鲁特告诉我，达到极限速度可能会让猫咪感到失重，甚至可能使猫咪“停止恐慌”，双腿松开。如若坠落，落地撞击无可避免，而猫咪的身体可以更均匀地分摊这种冲击。这便可以解释为什么加藤和他的同事们发现，从七层楼及以上的高度掉下的猫咪，受伤部位往往在躯干和下巴，而不是四肢。

兔子似乎也有相当不错的矫正反射。科学家发现，某些壁虎也可以通过挥舞其粗壮的尾巴而使自己安全落地[8]。但也许，只有家猫才能做到完美：它们拥有一种惊人的平衡感，当它们需要翻转时可以瞬间找到平衡，加上反应极快，背部可弯曲，四肢延展性超强，可完美执行这一动作[9]，加利福尼亚州雷蒙德·阿尔夫古生物学博物馆的古生物学家玛伊·巴里希（Mairin Balisi）对我说。

埃米尔苏丹告诉我，历经进化，猫咪反应敏捷，习惯树栖，有点甚至像流体[10]、略带减震作用[11]的体格。几位兽医告诉我，狗狗的下坠情况往往没有猫咪那样乐观。巴里希说，即使是一些体型更大猫科动物，也不总是能安全着陆。她补充说，如果它们总能安全着陆，《狮子王》估计就拍不出来了。（刀疤教唆小辛巴在角马群附近吼叫，受到狮吼刺激的角马群受惊，纷纷跑下山，大批的角马冲向辛巴，幸好木法沙及时赶到救下了辛巴，但自己却没能幸免，木法沙本来是可以得救的，但他遭到了刀疤的暗算被推下了山崖，最后被角马群踩死了。）

我问格伯尔，人类是否可以学会模仿猫咪的陀螺仪转弯。他告诉我，我们已经可以做到了。最优秀潜水员和体操运动员在转体的身体可能像极了猫科动物；美国宇航局也希望宇航员可以跟猫咪学习如何在无重力空间中飞行。