埃爾溫·薛定諤（Erwin Schrödinger）用貓構想了量子力學中最著名的思想實驗；天文學家埃德溫·哈勃（Edwin Hubble）工作時，他的貓“尼古拉斯·哥白尼”（Nicolas Copernicus）總會愜意地趴在他的草稿紙上；在 1975 年的一篇《物理評論快報》（Physical Review Letters）論文中，一隻名叫切斯特（Chester）的暹羅貓甚至被列爲了第一作者。貓咪的魅力不僅征服了無數普通人，也讓許多頂尖科學家爲之着迷。
圖 | 會寫論文的貓（來源：IOP）
貓的身體裏，還藏着一個困擾了科學界長達 300 多年的經典謎題：“墜落的貓”（Falling cat problem）。當一隻貓從高處跌落時，它總能在半空中完成一次優雅的翻轉，最終穩穩地四腳着地。
這種看似尋常的行爲，似乎公然違背了物理學中最核心的鐵律之一：角動量守恆定律。直到 2026 年 2 月，日本的一支科研團隊通過精密的生物力學實驗，爲這個橫跨幾個世紀的物理學謎題拼上最關鍵的一塊生物學拼圖。
挑戰物理學鐵律的“墜落悖論”
科學界對貓咪下落現象的系統研究，最早可以追溯到 1700 年。按照經典力學理論中的“角動量守恆定律”（Conservation of angular momentum），一個在自由落體狀態下、初始角動量爲零的剛體，如果沒有受到外界的扭矩，是絕對無法在半空中自行旋轉的。換句話說，貓在沒有支點的情況下，比如蹬踹牆壁借力，理論上是不可能完成 180 度翻轉的。
但 1894 年，法國生理學家艾蒂安-朱爾·馬雷（Étienne-Jules Marey）首次向科學界展示他用高速攝影機（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的情況下，憑空扭轉了身體，最終四腳着陸。
（來源：Wikipedia）
物理學家們終於意識到，貓並非物理學中理想化的“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”。它們並沒有打破物理定律，而是極具策略性地利用了物理定律。
生命科學界也對貓墜落涉及的神經生理過程相當感興趣。20 世紀初，德國籍神經生理學家和藥理學家魯道夫·馬格努斯（Rudolf Magnus）在研究動物失去大腦皮層控制後的身體姿態時，發現了動物依靠內耳前庭（迷路）、視覺和頸部肌肉來自動恢復直立姿態的機制。
他在 1924 年出版的經典鉅著《身姿》（Körperstellung）中，正式確立了“翻正反射”這一概念，並將其細分爲迷路翻正、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）指的是動物在半空中自由下落時，能夠自發、迅速地調整身體姿態，最終使得四腳朝下平穩落地的先天性本能反應。除了貓之外，某些齧齒類動物（如老鼠）、靈長類動物，甚至部分無尾目動物也具備這種反射能力。
1939 年，學者約翰·沃肯廷（John Warkentin）和倫納德·卡邁克爾（Leonard Carmichael）發表了一篇名爲《貓與兔子空中翻正反射的發展研究》（A Study of the Development of the Air-Righting Reflex in Cats and Rabbits）的經典論文，追蹤了幼貓、幼兔的空中翻正反射發育過程，並探討這種能力與視覺發育之間的關係。
結果發現，小貓滿月時，在半空中只需 0.6 秒就能完美翻正並四腳着地。研究還證實，動物的空中翻正反射主要依賴於內耳前庭系統（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/）
破解翻轉密碼的四大經典假說
在過去的一個多世紀裏，科學家們爲了解釋貓咪如何在不產生淨角動量的情況下翻轉，提出了四種經典的力學模型：
第一次拍到貓咪墜落過程的馬雷提出了收縮與轉身模型（Tuck and turn）。他認爲，貓咪利用了“轉動慣量”的物理原理。當貓收起前爪時，上半身的轉動慣量急劇減小，此時它扭動上半身，下半身爲了抵消角動量會產生反向旋轉，但由於下半身此時後腿伸展，轉動慣量大，其反轉的幅度極小。隨後，貓咪反向操作，伸出前爪並收起後腿，扭動下半身，從而在不產生整體淨旋轉的情況下，像棘輪一樣分步把身體翻正。
19 世紀著名物理學家詹姆斯·克拉克·麥克斯韋（James Clerk Maxwell）則認爲，貓像花樣滑冰運動員一樣，通過伸縮爪子來精細調節角動量。
1920 年代，荷蘭生理學家拉德梅克（Gijsbertus G. J. Rademaker）和特·布拉克（Jan Willem Gijsbertus ter Braak）又提出了彎折與扭轉模型（Bend and twist）。該模型認爲，貓會從腰部彎折，使身體的前半部分和後半部分沿着不同的軸線反向旋轉。這兩部分的旋轉相互抵消了彼此的角動量，最終使得整體在沒有淨角動量的情況下完成了翻轉。
圖 | 彎折與扭轉模型示意（來源：Wikipedia）
除了以上這些主流觀點，還有一些人提出，或許是因爲貓的尾巴可以像直升機螺旋槳一樣，向一個方向旋轉，從而迫使身體向反方向旋轉以補償角動量。但這一理論很快就可以找到反例，因爲沒有尾巴的貓，如天生無尾的馬恩島貓（Manx Cat），同樣能完美落地。
多年來，科學界一直在爭論哪種機制纔是最主要的。北卡羅來納大學夏洛特分校的物理學家、《墜落的貓與基礎物理學》（Falling Felines and Fundamental Physics）一書作者格雷格·吉布爾（Greg Gbur）曾認爲，從數學推導來看，“彎折與扭轉”是貓咪翻轉最核心的機制，其他動作只是輔助的微調。然而，2026 年的一項最新生物學研究，讓他重新評估了先前的結論。
胸椎與腰椎的“柔剛並濟”
2026 年 2 月，日本山口大學的獸醫學教授日暮康夫（Yasuo Higurashi）帶領團隊在《解剖學記錄》（The Anatomical Record）期刊上發表了一項突破性研究。他們跳出了純物理建模的侷限，直接從生物力學的硬件層面尋找答案。
研究者從五隻捐贈的家貓屍體中取出脊柱，保留韌帶和椎間盤，切除頸椎後，將貓的脊柱分離爲胸椎（上/中背部）和腰椎（下背部），置於扭轉裝置中進行破壞性失效測試，分別測量其靈活性、強度和抗旋轉阻力。
結果發現，貓的脊柱靈活性在不同區域存在巨大的差異：胸椎異常靈活、柔韌性更高，存在一個接近 50 度的“中性區”。在這個近乎 50 度的範圍內，胸椎幾乎不受任何力學阻力，可以完全自由地扭轉。對比之下，腰椎則顯得非常僵硬，完全不存在這種中性區，其扭轉需要克服極大的阻力。
圖 | 貓咪胸椎和腰椎的扭轉能力對比（來源：Higurashi et al., The Anatomical Record, 2026）
這一解剖學上的鐵證，極大地提升了“收縮與轉身”模型在理論中的地位。研究人員指出，在滯空調整期間，由於胸椎高度靈活且前半身較輕，貓會率先旋轉頭部和前腿。
此時，僵硬的腰椎充當了一個堅固的“穩定錨點”，讓前半身可以像鞭子一樣迅速抽轉，而不會導致整個身體失控。這種“前軀幹先轉，後軀幹跟進”的順序旋轉機制，完美契合了貓的生物學構造。
活體觀測發現，貓咪也是右撇子更多
除了屍體解剖，山口大學的團隊讓兩隻健康的活貓各自進行了 8 次自由落體（落在軟墊上），用高速攝像機記錄墜落過程。通過追蹤位於肩部和髖部的標記點，他們進一步驗證了動作的細節。
（來源：Higurashi et al., The Anatomical Record, 2026）
吉布爾在分析這些最新照片時敏銳地指出，貓的動作其實是多種經典模型的集大成者：照片中不僅出現了“彎折與扭轉”特有的腰部側向扭轉，同時也清晰地展示了“收縮與轉身”的特徵：貓咪的一隻後腿大幅伸展，而前爪緊緊收縮。吉布爾甚至認爲，這種單側後腿的猛烈伸展，可能爲貓咪提供了初始的旋轉驅動力。
更有趣的是，這項實驗還意外揭示了一個現象：貓似乎有着強烈的“向右翻轉”偏好。實驗中的一隻貓 8 次掉落全部向右翻轉，另一隻貓則有 6 次向右翻轉。吉布爾猜測，這種天然偏好可能由於貓體內器官的非對稱分佈，使得向某一側扭動在重力或生物力學上更加省力。
（來源：New Scientist）
從幾何相位到機器人學
當我們跳出日常生活的視角，貓咪的翻轉已經觸及了現代物理學中最深邃的結構之一。著名科學哲學家羅伯特·巴特曼（Robert Batterman）在 2003 年的一篇論文中指出，貓咪下落問題實際上是量子力學和經典力學中“幾何相位”（Geometric phase）的宏觀體現。
所謂幾何相位，是指一個系統在完成一個完整的循環變化後，雖然回到了初始的形狀，但其空間狀態（朝向）卻發生了改變。這在數學和物理的底層邏輯上，與傅科擺（Foucault pendulum，單擺受地球自轉影響導致擺動平面旋轉）、偏振光的相位變化，甚至是我們日常生活中汽車的平行泊車（Parallel parking，通過方向盤和前進後退的循環操作實現汽車橫向平移）是完全一致的。
回到貓本身，瞭解其中脊柱各區域的生物力學極限，有助於臨牀上更好地治療貓的脊柱損傷和高處墜落綜合徵（High-rise syndrome）。此外，物理學家可以藉此進一步完善包含柔性構件的複雜系統在失重或自由落體環境下的數學模型，這類模型曾被 NASA 用於研究宇航員的太空姿態調整。
以當下最火的具身智能爲例，目前的仿生機器人雖然能在特定倒置下落時翻正，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下，依然可以遊刃有餘地完美落地。貓咪靈活與僵硬並存的脊柱設計，將爲下一代敏捷機器人的關節設計提供直接靈感。
長達 325 年的“墜落貓咪”大討論完美地詮釋了科學發展的真實面貌。正如吉布爾所言，物理學家往往本能地尋找“最簡單”的單一解，而大自然在漫長的演化中，總是傾向於尋找“最有效”的解。貓咪將“收縮轉身”、“彎折扭轉”等各種微調技巧融爲一體，依靠“量身定製”的脊柱硬件，將生物學和物理學結合到了極致。
參考內容：
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
運營/排版：何晨龍
