他喵的地心引力：下落小猫与它的九条命

1967年2月15日，多伦多降落伞协会把“自由落体奖”颁给了海伦·库帕里（Helen Kupari）的猫贾斯珀（Jasper），以表彰它“壮观且历史性的14层自由落体”。

海伦·库帕里与她的小猫贾斯帕。

[图源：yorku.ca]

对于猫咪们来说，它们早已不是第一天凭着在惊险的下落中绝处逢生的本领，被大惊小怪的人类评选为拥有九条命的神秘生物了。关于猫翻身能力的非科学性解释，最早也许能够追溯至先知穆罕默德（570—632）的时代。这个故事的一个版本如下：

先知穆罕默德有一天深入荒原，长途跋涉之后疲劳来袭，陷入沉睡。一条大蛇（这撒旦之子该被诅咒！）从灌木中钻出，逐渐靠近安拉的使者穆罕默德，就在蛇将咬穆罕默德时，一只猫突然出现，跳上蛇身，经过长时间的搏斗终于杀死了蛇。蛇临死前的嘶嘶声惊醒了穆罕默德，他意识到是猫救了他。 “过来！”安拉的使者命令道。 猫走近穆罕默德，他轻抚了猫三次，祝福了它三次：“祝你平安。”为了进一步表示感谢，穆罕默德接着说：“为了回报你，你将战无不胜。没有任何生物能将你翻转过来。去吧，你已经接受了我的三次祝福。” 正是因为猫受到穆罕默德的祝福，它才获得了无论从多高下落都将脚着地的能力。

- The Falling Cat Problem -

自由下落的小猫到底是如何调整自身的姿势，在任意初始姿势的条件下，都能够实现以脚朝下着地的？为了解开这个落猫问题，许多科学家开始将魔爪伸向现实中的小猫。比如麦克斯韦，他不仅是电磁学之父，还是扔猫狂魔本魔。他的扔猫生涯始于大学期间。在剑桥大学做研究的这两年，麦克斯韦会利用部分空闲时间研究下落的猫为什么总是脚着地。也许是为了澄清自己的“虐猫嫌疑“，在写给他夫人凯瑟琳·玛丽·克拉克·麦克斯韦的信中，麦克斯韦对此进行了说明：

“三一学院流传着一个传说，说我在三一学院时经常往窗外扔猫，因此发现了一种使得猫不以脚着地的扔法。我只得向他们解释，我的研究目的是为了发现猫翻身能有多快，而研究方法也只是让猫从两英尺的桌上或床上跳下，但这种情况下猫仍是脚着地。”

麦克斯韦夫妇（1869年）。没有证据表明麦克斯韦是否同样抛掷了图中的狗。

[图源：Wikimedia Commons]

19世纪的物理学家认为，猫不可能在不借助外力的情况下翻转。他们的结论是，在猫开始下落的那一刻，它必须从附近的某个固定物体（如下落的边缘或扔它的手）上借力，才能获得一些角动量来旋转。

但法国科学家艾蒂安-朱尔·马雷的照片清楚地表明，这个被广为接受的假说是不正确的。借助瞬时摄影技术，马雷捕捉到了猫咪下落时的清晰影像。

马雷用高速摄像机拍摄的小猫下落过程的瞬时摄影照片。照片清楚地表明，在猫开始下落时，猫仍保持其初始姿态。只有当它意识到自己正在下落时，它才会开始翻身。

[图源：Wikimedia Commons]

图片显示，猫下落时爪子没有抓任何东西，却得以及时扭动身体保证四肢着地。图中上一行右边第三张图片表明，猫刚被扔出时几乎没有转动。只有当猫真正处于自由落体状态，不接触任何可以推一把的物体时，它才会真正改变朝向。马雷的照片颠覆了曾经有关落猫问题的假说，并且对许多科学领域都产生了重要影响。

- 翻正反射 -

传说提出“我思故我在”命题的哲学家笛卡儿，也曾从一楼窗户扔出了一只猫，以便观察猫是否会害怕，因为在他看来只有有灵魂的生物才会感到害怕。这个传说听起来煞有其事、令人不安，因为与此同时，笛卡儿还进行了大量令人毛骨悚然的动物活体解剖实验，同样是为了观察动物是否和人一样具有感觉和情感。显然，笛卡儿的观点是它们没有。将一只猫扔出窗外，或许是他做过的最不残忍的事。

虽然与物理学家的研究动机不同，但笛卡儿的假设指向了落猫问题的中心：反射。猫可以在自由落体的瞬间翻正，其反应的速度表明，这至少在一定程度上是一种反射，即生物对外界刺激的不自主反应。笛卡儿将猫扔至窗外，可能是为了证明动物是没有灵魂的机器，将外部刺激转化成机械反应。也就是说，他想证明动物行为只是一系列的自动反应。

自20世纪起，猫下落过程中的反射成为了神经科学的重点研究对象。1916年，已进入约翰斯·霍普金斯大学的威德与同事亨利·穆勒（Henry Muller）一起，首次从神经科学的角度对猫的翻正反射进行了研究。他们发现，一只除去大脑的猫完全不会翻正反射（也许这并不令人意外），这表明翻正反射需要更高级的大脑功能甚至意识。他们还研究了猫是依靠什么感官来决定用何种方式翻身并安全着陆的。他们的实验及后续研究主要关注前庭系统，它是生物体内感知加速的器官。虽然它起作用的部分主要位于内耳，但它有时被认为是与视觉、听觉、触觉、味觉和嗅觉并列的第六感。

通过实验，他们发现被蒙住眼睛的猫也可以翻身并准确着陆，没有被蒙住眼睛但前庭系统受损的猫同样可以准确着陆。但如果一只猫前庭系统受损，又被蒙上眼睛，它根本不会做出任何翻身的动作。这些观察表明，翻正反射依赖眼睛及前庭系统，至少需要通过其中某个的感觉才能确定着陆的正确方向。

一只被蒙住眼睛的猫居然能翻身实在是惊人。根据爱因斯坦广义相对论，下落的猫感觉不到加速度——前庭系统不会被激活，也没有视觉信息来识别自己是否在下落，猫是如何以正确姿势落地的呢？在20世纪初，爱因斯坦的广义相对论并没有引起生理学家的注意，所以答案最终出现的时间要晚得多。

- 布林德利的兔子实验 -

英国生理学家贾尔斯·布林德利（Giles Brindley，1926-）认为剩下的唯一可能性是，动物对向下的方向保持一种反射性记忆，并利用这种记忆本能地确定着陆的方向。20世60年代，为了验证自己的假设是否正确，他对同样具有翻正反射的兔子进行了一系列特殊的测试。

在兔子实验中，布林德利在一开始给兔子施加了一个加速度，让它以为重力方向发生了改变。然后，研究者把兔子扔出，看看它是向地面翻身，还是向加速度的方向翻身。

布林德利关于兔子的实验。（a）“弹射兔”；（b）“车兔”；（c）“离心兔”[图源：由莎拉·阿迪根据本书作者对实验过程的推测绘制]

实验结果发现，兔子改变身体朝向不是基于下落瞬间的重力场，而是基于下落前几秒的重力场。事后看来，这是有道理的：动物下落时，由于它会乱动，而且可能会受到围栏、墙面等固定物体的推力或弹力，它可能会受到各种力。记住最近一段时间的重力方向比记住下落瞬间的方向更可靠。

布林德利得出的结论是，兔子（可能还有猫）有一个“记忆库”，大约能记住下落前6~8秒的重力方向，然后根据记忆库中的数据调整下落姿势。换句话说，在重力方向发生巨大变化后，动物通常需要6~8秒才能完全适应。据推测，即使是蒙上眼睛，前庭系统里监测旋转的半规管仍可追踪动物相对于记忆库的重力旋转了多远。

尽管我们仍不清楚猫和兔子的中枢神经系统是如何准确地控制各种感官输入信号和反射动作，以进行可靠而准确的翻正反射的，但布林德利已经圆满地解释了这些动物的行为是如何遵守爱因斯坦广义相对论的。从爱因斯坦理论的提出到布林德利解开这个谜，大约经过了45 年的时间。

—— — —— — —— — ——

《下落小猫与基础物理学》

跳跃、旋转、稳当落地

为什么猫可以如此灵巧？

人见人爱的猫咪也遵循自然法则！

一本包含摄影史、量子力学、数学

和基础物理学的科学杂说

和牛顿、爱因斯坦和薛定谔一起“吸猫”

《下落小猫与基础物理学》

[美] 格雷戈里·J·格布尔 著

戴一 译

2020年10月

中信出版·鹦鹉螺

内容简介

至少从19世纪中叶开始，一只往下跳落的猫究竟是如何稳当地站在地面上的，这个问题就一直困扰着人类。在这段有趣和令人大开眼界的历史中，科学家通过物理、生理学、摄影和机器人技术，展开各种科学辩论，揭开猫如同杂技一般的“表演”的秘密，猫是如何在空中扭转的。

在这些探索过程中，精妙有趣的细节其实仍未有定论，甚至还引起了研究者们的激烈辩论。我们研究得越深入、越多，我们发现的惊喜就越多。

值得一提的是，作者还在书的结尾为我们奉上了一章科学家与他们的猫咪的故事，让读者在收获科学知识的同时也可以了解科学家饶有趣味的生活细节。来看看牛顿、爱因斯坦和薛定谔和猫之间的趣事吧，你甚至会看到一只在科研论文中署名的猫咪哦。

作者简介

GregoryJ. Gbur，美国北卡罗来纳大学物理学与光电科学教授，Science Blogging: The Essential Guide一书合著者，同时还有两个长期习作的科学博客，以科学史和恐怖事物为主题。