埃爾溫·薛定諤（Erwin Schr?dinger）用貓構(gòu)想了量子力學(xué)中最著名的思想實(shí)驗(yàn)；天文學(xué)家埃德溫·哈勃（Edwin Hubble）工作時(shí)，他的貓“尼古拉斯·哥白尼”（Nicolas Copernicus）總會(huì)愜意地趴在他的草稿紙上；在 1975 年的一篇《物理評(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters）論文中，一只名叫切斯特（Chester）的暹羅貓甚至被列為了第一作者。貓咪的魅力不僅征服了無數(shù)普通人，也讓許多頂尖科學(xué)家為之著迷。

圖 | 會(huì)寫論文的貓（來源：IOP）

貓的身體里，還藏著一個(gè)困擾了科學(xué)界長達(dá) 300 多年的經(jīng)典謎題：“墜落的貓”（Falling cat problem）。當(dāng)一只貓從高處跌落時(shí)，它總能在半空中完成一次優(yōu)雅的翻轉(zhuǎn)，最終穩(wěn)穩(wěn)地四腳著地。

這種看似尋常的行為，似乎公然違背了物理學(xué)中最核心的鐵律之一：角動(dòng)量守恒定律。直到 2026 年 2 月，日本的一支科研團(tuán)隊(duì)通過精密的生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)，為這個(gè)橫跨幾個(gè)世紀(jì)的物理學(xué)謎題拼上最關(guān)鍵的一塊生物學(xué)拼圖。

挑戰(zhàn)物理學(xué)鐵律的“墜落悖論”

科學(xué)界對(duì)貓咪下落現(xiàn)象的系統(tǒng)研究，最早可以追溯到 1700 年。按照經(jīng)典力學(xué)理論中的“角動(dòng)量守恒定律”（Conservation of angular momentum），一個(gè)在自由落體狀態(tài)下、初始角動(dòng)量為零的剛體，如果沒有受到外界的扭矩，是絕對(duì)無法在半空中自行旋轉(zhuǎn)的。換句話說，貓?jiān)跊]有支點(diǎn)的情況下，比如蹬踹墻壁借力，理論上是不可能完成 180 度翻轉(zhuǎn)的。

但 1894 年，法國生理學(xué)家艾蒂安-朱爾·馬雷（étienne-Jules Marey）首次向科學(xué)界展示他用高速攝影機(jī)（每秒 12 幀）捕捉到的貓咪下落過程，照片清晰地顯示，貓咪在沒有任何借力點(diǎn)的情況下，憑空扭轉(zhuǎn)了身體，最終四腳著陸。

（來源：Wikipedia）

物理學(xué)家們終于意識(shí)到，貓并非物理學(xué)中理想化的“剛體”（Rigid body），而是可以通過彎曲脊柱、伸縮四肢來改變自身形狀的“變形體”。它們并沒有打破物理定律，而是極具策略性地利用了物理定律。

生命科學(xué)界也對(duì)貓墜落涉及的神經(jīng)生理過程相當(dāng)感興趣。20 世紀(jì)初，德國籍神經(jīng)生理學(xué)家和藥理學(xué)家魯?shù)婪颉ゑR格努斯（Rudolf Magnus）在研究動(dòng)物失去大腦皮層控制后的身體姿態(tài)時(shí)，發(fā)現(xiàn)了動(dòng)物依靠內(nèi)耳前庭（迷路）、視覺和頸部肌肉來自動(dòng)恢復(fù)直立姿態(tài)的機(jī)制。

他在 1924 年出版的經(jīng)典巨著《身姿》（K?rperstellung）中，正式確立了“翻正反射”這一概念，并將其細(xì)分為迷路翻正、視覺翻正、頸部翻正和軀體翻正等。

其中，“空中翻正反射”（Air-righting reflex）指的是動(dòng)物在半空中自由下落時(shí)，能夠自發(fā)、迅速地調(diào)整身體姿態(tài)，最終使得四腳朝下平穩(wěn)落地的先天性本能反應(yīng)。除了貓之外，某些嚙齒類動(dòng)物（如老鼠）、靈長類動(dòng)物，甚至部分無尾目動(dòng)物也具備這種反射能力。

1939 年，學(xué)者約翰·沃肯廷（John Warkentin）和倫納德·卡邁克爾（Leonard Carmichael）發(fā)表了一篇名為《貓與兔子空中翻正反射的發(fā)展研究》（A Study of the Development of the Air-Righting Reflex in Cats and Rabbits）的經(jīng)典論文，追蹤了幼貓、幼兔的空中翻正反射發(fā)育過程，并探討這種能力與視覺發(fā)育之間的關(guān)系。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，小貓滿月時(shí)，在半空中只需 0.6 秒就能完美翻正并四腳著地。研究還證實(shí)，動(dòng)物的空中翻正反射主要依賴于內(nèi)耳前庭系統(tǒng)（感知重力和加速度）以及頸部肌肉的本體感覺，視覺充其量只起到輔助作用。

圖 | 墜落的兔子、狗和貓（來源：https://skullsinthestars.com）

破解翻轉(zhuǎn)密碼的四大經(jīng)典假說

在過去的一個(gè)多世紀(jì)里，科學(xué)家們?yōu)榱私忉屫堖淙绾卧诓划a(chǎn)生凈角動(dòng)量的情況下翻轉(zhuǎn)，提出了四種經(jīng)典的力學(xué)模型：

第一次拍到貓咪墜落過程的馬雷提出了收縮與轉(zhuǎn)身模型（Tuck and turn）。他認(rèn)為，貓咪利用了“轉(zhuǎn)動(dòng)慣量”的物理原理。當(dāng)貓收起前爪時(shí)，上半身的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量急劇減小，此時(shí)它扭動(dòng)上半身，下半身為了抵消角動(dòng)量會(huì)產(chǎn)生反向旋轉(zhuǎn)，但由于下半身此時(shí)后腿伸展，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大，其反轉(zhuǎn)的幅度極小。隨后，貓咪反向操作，伸出前爪并收起后腿，扭動(dòng)下半身，從而在不產(chǎn)生整體凈旋轉(zhuǎn)的情況下，像棘輪一樣分步把身體翻正。

19 世紀(jì)著名物理學(xué)家詹姆斯·克拉克·麥克斯韋（James Clerk Maxwell）則認(rèn)為，貓像花樣滑冰運(yùn)動(dòng)員一樣，通過伸縮爪子來精細(xì)調(diào)節(jié)角動(dòng)量。

1920 年代，荷蘭生理學(xué)家拉德梅克（Gijsbertus G. J. Rademaker）和特·布拉克（Jan Willem Gijsbertus ter Braak）又提出了彎折與扭轉(zhuǎn)模型（Bend and twist）。該模型認(rèn)為，貓會(huì)從腰部彎折，使身體的前半部分和后半部分沿著不同的軸線反向旋轉(zhuǎn)。這兩部分的旋轉(zhuǎn)相互抵消了彼此的角動(dòng)量，最終使得整體在沒有凈角動(dòng)量的情況下完成了翻轉(zhuǎn)。

圖 | 彎折與扭轉(zhuǎn)模型示意（來源：Wikipedia）

除了以上這些主流觀點(diǎn)，還有一些人提出，或許是因?yàn)樨埖奈舶涂梢韵裰鄙龣C(jī)螺旋槳一樣，向一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)，從而迫使身體向反方向旋轉(zhuǎn)以補(bǔ)償角動(dòng)量。但這一理論很快就可以找到反例，因?yàn)闆]有尾巴的貓，如天生無尾的馬恩島貓（Manx Cat），同樣能完美落地。

多年來，科學(xué)界一直在爭論哪種機(jī)制才是最主要的。北卡羅來納大學(xué)夏洛特分校的物理學(xué)家、《墜落的貓與基礎(chǔ)物理學(xué)》（Falling Felines and Fundamental Physics）一書作者格雷格·吉布爾（Greg Gbur）曾認(rèn)為，從數(shù)學(xué)推導(dǎo)來看，“彎折與扭轉(zhuǎn)”是貓咪翻轉(zhuǎn)最核心的機(jī)制，其他動(dòng)作只是輔助的微調(diào)。然而，2026 年的一項(xiàng)最新生物學(xué)研究，讓他重新評(píng)估了先前的結(jié)論。

胸椎與腰椎的“柔剛并濟(jì)”

2026 年 2 月，日本山口大學(xué)的獸醫(yī)學(xué)教授日暮康夫（Yasuo Higurashi）帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)在《解剖學(xué)記錄》（The Anatomical Record）期刊上發(fā)表了一項(xiàng)突破性研究。他們跳出了純物理建模的局限，直接從生物力學(xué)的硬件層面尋找答案。

研究者從五只捐贈(zèng)的家貓尸體中取出脊柱，保留韌帶和椎間盤，切除頸椎后，將貓的脊柱分離為胸椎（上/中背部）和腰椎（下背部），置于扭轉(zhuǎn)裝置中進(jìn)行破壞性失效測(cè)試，分別測(cè)量其靈活性、強(qiáng)度和抗旋轉(zhuǎn)阻力。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，貓的脊柱靈活性在不同區(qū)域存在巨大的差異：胸椎異常靈活、柔韌性更高，存在一個(gè)接近 50 度的“中性區(qū)”。在這個(gè)近乎 50 度的范圍內(nèi)，胸椎幾乎不受任何力學(xué)阻力，可以完全自由地扭轉(zhuǎn)。對(duì)比之下，腰椎則顯得非常僵硬，完全不存在這種中性區(qū)，其扭轉(zhuǎn)需要克服極大的阻力。

（來源：Higurashi et al., The Anatomical Record, 2026）

這一解剖學(xué)上的鐵證，極大地提升了“收縮與轉(zhuǎn)身”模型在理論中的地位。研究人員指出，在滯空調(diào)整期間，由于胸椎高度靈活且前半身較輕，貓會(huì)率先旋轉(zhuǎn)頭部和前腿。

此時(shí)，僵硬的腰椎充當(dāng)了一個(gè)堅(jiān)固的“穩(wěn)定錨點(diǎn)”，讓前半身可以像鞭子一樣迅速抽轉(zhuǎn)，而不會(huì)導(dǎo)致整個(gè)身體失控。這種“前軀干先轉(zhuǎn)，后軀干跟進(jìn)”的順序旋轉(zhuǎn)機(jī)制，完美契合了貓的生物學(xué)構(gòu)造。

活體觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，貓咪也是右撇子更多

除了尸體解剖，山口大學(xué)的團(tuán)隊(duì)讓兩只健康的活貓各自進(jìn)行了 8 次自由落體（落在軟墊上），用高速攝像機(jī)記錄墜落過程。通過追蹤位于肩部和髖部的標(biāo)記點(diǎn)，他們進(jìn)一步驗(yàn)證了動(dòng)作的細(xì)節(jié)。

（來源：Higurashi et al., The Anatomical Record, 2026）

吉布爾在分析這些最新照片時(shí)敏銳地指出，貓的動(dòng)作其實(shí)是多種經(jīng)典模型的集大成者：照片中不僅出現(xiàn)了“彎折與扭轉(zhuǎn)”特有的腰部側(cè)向扭轉(zhuǎn)，同時(shí)也清晰地展示了“收縮與轉(zhuǎn)身”的特征：貓咪的一只后腿大幅伸展，而前爪緊緊收縮。吉布爾甚至認(rèn)為，這種單側(cè)后腿的猛烈伸展，可能為貓咪提供了初始的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)力。

更有趣的是，這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)還意外揭示了一個(gè)現(xiàn)象：貓似乎有著強(qiáng)烈的“向右翻轉(zhuǎn)”偏好。實(shí)驗(yàn)中的一只貓 8 次掉落全部向右翻轉(zhuǎn)，另一只貓則有 6 次向右翻轉(zhuǎn)。吉布爾猜測(cè)，這種天然偏好可能由于貓?bào)w內(nèi)器官的非對(duì)稱分布，使得向某一側(cè)扭動(dòng)在重力或生物力學(xué)上更加省力。

（來源：New Scientist）

從幾何相位到機(jī)器人學(xué)

當(dāng)我們跳出日常生活的視角，貓咪的翻轉(zhuǎn)已經(jīng)觸及了現(xiàn)代物理學(xué)中最深邃的結(jié)構(gòu)之一。著名科學(xué)哲學(xué)家羅伯特·巴特曼（Robert Batterman）在 2003 年的一篇論文中指出，貓咪下落問題實(shí)際上是量子力學(xué)和經(jīng)典力學(xué)中“幾何相位”（Geometric phase）的宏觀體現(xiàn)。

所謂幾何相位，是指一個(gè)系統(tǒng)在完成一個(gè)完整的循環(huán)變化后，雖然回到了初始的形狀，但其空間狀態(tài)（朝向）卻發(fā)生了改變。這在數(shù)學(xué)和物理的底層邏輯上，與傅科擺（Foucault pendulum，單擺受地球自轉(zhuǎn)影響導(dǎo)致擺動(dòng)平面旋轉(zhuǎn)）、偏振光的相位變化，甚至是我們?nèi)粘Ｉ钪衅嚨钠叫胁窜嚕≒arallel parking，通過方向盤和前進(jìn)后退的循環(huán)操作實(shí)現(xiàn)汽車橫向平移）是完全一致的。

回到貓本身，了解其中脊柱各區(qū)域的生物力學(xué)極限，有助于臨床上更好地治療貓的脊柱損傷和高處墜落綜合征（High-rise syndrome）。此外，物理學(xué)家可以借此進(jìn)一步完善包含柔性構(gòu)件的復(fù)雜系統(tǒng)在失重或自由落體環(huán)境下的數(shù)學(xué)模型，這類模型曾被 NASA 用于研究宇航員的太空姿態(tài)調(diào)整。

以當(dāng)下最火的具身智能為例，目前的仿生機(jī)器人雖然能在特定倒置下落時(shí)翻正，但尚無法像貓一樣，在伴隨各種初始翻滾、自旋的極其混亂的拋擲狀態(tài)下，依然可以游刃有余地完美落地。貓咪靈活與僵硬并存的脊柱設(shè)計(jì)，將為下一代敏捷機(jī)器人的關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)提供直接靈感。

長達(dá) 325 年的“墜落貓咪”大討論完美地詮釋了科學(xué)發(fā)展的真實(shí)面貌。正如吉布爾所言，物理學(xué)家往往本能地尋找“最簡單”的單一解，而大自然在漫長的演化中，總是傾向于尋找“最有效”的解。貓咪將“收縮轉(zhuǎn)身”、“彎折扭轉(zhuǎn)”等各種微調(diào)技巧融為一體，依靠“量身定制”的脊柱硬件，將生物學(xué)和物理學(xué)結(jié)合到了極致。

參考內(nèi)容：

https://arstechnica.com/science/2026/03/tuck-and-turn-or-bend-and-twist-how-falling-cats-land-on-their-feet/

https://skullsinthestars.com/2026/03/07/new-falling-cat-paper-just-dropped/

https://phys.org/news/2026-03-japanese-scientists-falling-cats.html

https://anatomypubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/ar.70165

運(yùn)營/排版：何晨龍