四川
大家好我是老札，你有没有见过猫咪从窗台、阳台甚至更高的地方跳下，哪怕落地时四脚朝天，最终也能稳稳用四肢落地？
这个看似寻常的场景，困扰了物理学家300多年，直到今天，人类依然没有完全搞透猫咪空中转身的完整机制，这个落猫问题不仅是经典力学的经典谜题，甚至还和近代物理的规范场讨论有关联。
角动量守恒是解开落猫问题的核心前提，简单来说，当物体不受外力矩时，总角动量保持不变。
我们可以用转椅实验感受：坐在转椅上双脚悬空，不触碰任何物体，你无法自己转动，因为初始角动量为零，没有外力矩加持，转椅不会动。
自由下落的猫咪基本只受重力，重力通过重心，不会产生力矩，按道理总角动量应该保持为零，那猫咪是怎么凭空完成180度转身的？
最早的解释来自1700年法国数学家安托万・帕伦，他认为猫的脊背能反张抬高重心，借助空气浮力翻转身体，但现在看来这个说法纯属胡说八道——空气浮力极小，根本不可能改变总角动量。
19世纪科学家提出另一种解释：猫咪下落前获得了初始角速度，就像捏住铅笔一端放手，铅笔会在重力和支撑点作用下旋转。
但这个解释也有漏洞，麦克斯韦曾做过扔猫实验，哪怕高度只有两英尺，猫咪依然能顺利转身。
按计算，两英尺高度下落仅需0.35秒，猫咪要完成180度转身，初始角速度需要达到1.5转每秒，而实际猫咪初始角动量几乎为零，这个解释无法自圆其说。
意大利数学家皮亚诺提出了滑稽又合理的解释：猫会甩动尾巴，尾巴产生的角动量会让身体产生反向角动量，从而完成转身。
这个逻辑在物理上没问题，但现实中没人见过猫咪坠楼时疯狂甩尾巴，而且无尾猫同样能顺利转身，所以这个解释也站不住脚。
1894年，法国科学家埃迪安・朱尔・马雷用每秒12帧的摄影枪，首次拍下了猫咪下落的慢动作，他根据影像提出了全新的解释：猫咪会分阶段调整身体的转动惯量。
第一阶段，猫咪收拢上肢、展开下肢，上半身转动惯量小、转速快，下半身转动惯量大、转速慢，两者角动量大小相等、方向相反，总角动量保持为零。
第二阶段，猫咪展开上肢、收拢下肢，反过来调整转动惯量，让下半身转速加快、上半身转速变慢。通过两个阶段的切换，猫咪就能在总角动量为零的情况下完成转身。
这个解释有影像证据支撑，物理上也完全说得通，但有学者认为这个分阶段旋转的效率不高，1935年，荷兰生理学家拉德梅克和特布拉克提出了更精准的模型：
把猫咪简化为两个用柔性铰链连接的圆柱体，通过调整两个圆柱体的旋转方向和弯折角度，让总角动量始终为零。
后来斯坦福大学的凯恩和舍尔借助NASA的资助经费，完成了数学计算，他们的模型甚至被用于训练太空失重环境下的宇航员转身。
不过随着高速摄影技术的发展，人们发现猫咪实际的下落过程，和分阶段旋转的模型吻合度更高——往往是上半身先完成转动。
最近几位日本科学家通过解剖五只捐献的猫咪大体老师，给这个谜题补充了新的证据。
他们取下猫咪的脊椎，分别测试胸椎和腰椎的扭转应力，发现猫咪的胸椎扭转能力更强，存在约50度的无阻力自由扭转区，而上腰椎几乎没有无阻力区，旋转时更僵硬。
这个发现和分段转身的模型高度吻合：胸椎更灵活，让猫咪可以快速转动上半身，让头部尽快朝下保持正确方向，僵硬的腰椎则起到支撑作用，避免旋转失控。
日本科学家还重复了麦克斯韦的扔猫实验，两只测试猫分别表现出明显的右旋倾向：一只八次下落都向右转，另一只八次中有六次向右转。
至于猫咪为什么更倾向于右旋，目前还没有定论，留给了后续研究，落猫问题看似简单，却横跨了经典力学和量子力学领域。
猫咪下落时，姿态从四脚朝天变为四脚着地，相当于整体的角相位发生了变化，但初始和最终的身体姿态都是摆正的，这种形状不变的旋转，和量子力学中的AB效应、傅科摆实验有着共通之处。
1993年，物理学家理查德・蒙哥马利证明，求解猫咪最优转身的数学方程，和轴对称磁场下电子的运动方程完全等价，研究落猫问题，不仅能帮人类理解更多物理规律，还能应用到太空行走、机器人设计等领域。
三百多年来，人类对落猫问题的研究从未停止，而猫咪依然在以自己的方式，指导着物理学的发展。
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