学了这么多年物理，可能你还不如猫

科普中国-科普融合创作与传播 2019-04-12

　　出品：科普中国

　　制作：刘翠翠（中国科学院半导体研究所）

　　监制：中国科学院计算机网络信息中心

　　曾几何时，“铲屎官”成为了一类人的别称，他们乐此不疲的为一只只自称“朕”的优雅生物服务。没错，“朕”就是她，就是集美貌、优雅、高贵、华丽、灵敏、惊觉、睿智等等等特点于一身的——喵星人。

　　（来源：54fcnr.com）

　　睿智？那绝对是当然的！因为身为铲屎官的你，也许还不如喵星人懂的物理知识多！

　　薛定谔的猫：量子叠加原理

　　大家都只知道“薛定谔的猫”吧？这是奥地利著名物理学家薛定谔提出的一个理想实验，试图从宏观尺度阐述微观尺度的量子 叠加原理的问题，巧妙地把微观物质在观测后是粒子还是波的存在形式和宏观的猫联系起来，以此求证观测介入时量子的存在形式。而随着量子物理学的发展，薛定谔的猫还延伸出了平行宇宙等物理问题和哲学争议。

　　畅想一下，薛定谔也许就像一只猫，他的爱情缠绵悱恻，有时就像一只猫一样，充满了神秘感。所以，薛定谔注定和猫有着不可言说的不解之缘。

　　（来源：新浪博客）

　　就这样，在薛定谔的脑海中诞生了这个伟大实验——薛定谔的猫。一只猫咪，被关在不透明的箱子里，箱子里还有少量的放射性物质。

　　现在，箱子、猫、放射性物质，三者就形成了自己的一个封闭的小空间。接下来，在这个封闭的空间里，会发生什么事情呢？首先，放射性物质将会有50%的概率衰变，并释放出有毒物质。而这些有毒物质会杀死这只猫。但是，与此同时，还有50%的概率，是这些放射性物质不会衰变，这时，这只猫将活下来。

　　（来源：新华社）

　　我们猜想，这只猫的结局会是怎样的？死或者活？不准确，应该是又死又活的叠加态。不打开箱子的话，我们永不可能知道箱子里的情况。而打开箱子的话，我们所看到的也不一定是没打开箱子之前的结果。就像微观的量子世界，在我们采取措施观测它的时候，我们也无法确定我们所观测到的结果是否准确。因为，宏观上的观测结果，都是待物质可以粒子形式表现后才能确定的。这个实验是十分巧妙的，因为它从宏观的尺度上阐述了微观尺度上的量子叠加原理的问题。

　　（来源：“中科院物理所”微信公众号）

　　作为日常吸猫人士的你是不是觉得，这个实验十分之残忍之忍无可忍？注意审题啊！薛定谔并没有把这只猫真的放在黑箱子里，而只是放到了自己的思想里。所以，记住，薛定谔的猫，只是一个思想实验。

　　牛顿的猫：角动量守恒定律

　　常言道：猫有9条命。这意寓表明猫动作灵敏、生性惊觉，不易被害致死的特性。大家都听说过牛顿的苹果，那你们知道牛顿的猫吗？猫即使是从高楼上落下，也总能平安着落，此中原因也许是：牛顿的猫不仅深刻理解了规范场的动力学，更将理论运用到实践之中。历史上，牛顿的猫比较厉害，因为它下落的问题不仅难住了大批的物理学家，还难住了一众数学家、生物学家。后来，经过几十年的多方合作、共同探索，结论逐渐清晰。

　　请看下图的动作分解：

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　　（来源：科学松鼠会）

　　将猫考虑成一个质点，在猫下落的情形当中，可以想象一条通过猫身体质量重心的水平线，猫的四肢向上，必须经过一次相对于水平线的旋转才能平安落地，那么猫是如何做到凭空旋转的呢？

　　研究发现，猫能够很好的调整身体的姿态，可以用角动量守恒定律来解释。角动量是转动惯量和角速度相乘的结果。转动惯量和质量不同，一个物体不管外形如何变化，它的质量不会改变。但是，转动惯量却和物体的外形和旋转轴有关，相对于旋转轴的距离越大，转动惯量越大。

　　将猫的身体分成上半身和下半身两部分来分析。猫下落的时候，身体呈现弯曲。猫的前半身和后半身都以相同的方向绕各自的轴线旋转。猫先伸直后腿，同时将前腿蜷缩，这时根据角动量守恒，猫的前半身旋转的角速度大，相比来说后半身转的慢；当前半身旋转到脚朝下的时候，前腿伸直，后退蜷缩。此时，猫的后半身旋转的角速度就会大于前半身，进而后半身也逐渐趋向于腹部朝下。自然而然地，猫就会以四肢朝下的方式平安落地。

　　（来源：搜狐娱乐爆笑浆糊）

　　其实，角动量守恒定律也在很多现象中有所体现，比如花样滑冰，运动员靠伸展或收缩手臂来决定旋转的速度；跳水运动员跳水时，通过调整手臂等，甚至能完成空中旋转两周半等高难度动作。

　　马克的猫：流动力学

　　美国东部时间2017年9月14日晚6点，这一届的搞笑诺贝尔奖的颁奖典礼在哈佛大学的桑德斯剧院胜利召开。这次，法国学者马克·安托万·法尔丹凭借着对于“一只猫能否同时处于固体和液体状态？”这项研究，获得了本届搞笑诺贝尔物理学奖。

　　这个研究起源于网络上的一项提问：如果说液体的特性是可以填满各种形状的容器，那猫算不算液体呢？如果你的答案是：不是，猫是固体。因为有时候，猫是这样的：

　　（来源：堆糖网）

　　如果说：答案是肯定的，猫也是液体的。毕竟猫咪的常态，是这样可方可圆的：

　　（来源：网易号全球搞笑分享）

　　（来源：游民星空网）

　　而猫咪可以随便变换形态的原因，大概就是因为猫咪熟知物理学的一大理论——流体力学。所以，在好奇心的驱使下，马克·安托万·法尔丹研究了这个课题。他计算了猫的流体力学参数，并在2014年发表了相关论文，严肃地论证了：猫是同时具有固体和液体特性的神秘生物。

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　　（拍摄：刘翠翠）

　　在流变学中，用来描述材料在特定条件下的流动性无量纲量：底波拉数（De），它定义为弛豫时间及观测时间尺度的比值。当De<<1时，材料表现出似流体的力学响应；当De>>1，材料表现出似固体的力学响应。

　　俗话说：万猫皆流，无猫常住。（改编自赫拉克利特的观点“万物皆流，无物常住”）。如果说猫比较舒展、放松时，猫的弛豫时间的区间为1秒-1分钟，当观测时间比猫的弛豫时间大得多时，则比值猫底波拉数（CDe）远小于1，即CDe<<1，猫就可以表现出类似流体的响应，这时，她的身体也可以幻化成任何形态。但如果观测时间短到小于1秒钟，也就是当你“惊鸿一瞥”猫主子时，由于观测时间比猫的弛豫时间还要短，则比值猫底波拉数（CDe）远大于1，即CDe>>1，此时此刻的猫主子就处于固体形态，而且很可能正襟危坐地凝视着你，等你喂食或者铲屎，庄严而肃穆…