在長達300年的歷史長河中，科學家們一直在思考一個關於貓咪的謎題：一隻貓從高處跌落，最後總是能以爪子著地的方式安然落地。就像國際體操聯合會以運動員的名字來命名他們獨創的體操動作一樣，科學家把這種現象稱為“貓翻身”（cat-turning）。

在我國民間傳說中，有貓有九命的說法。這種說法可以追溯到典籍記載。經書上說：“佛曰：貓有靈性，其命有九，人只得其一。故貓之靈性，殊非人類可及耳”。在物理學界，歐文·薛定諤因為他著名的“薛定諤的貓”的思想實驗而聞名，該實驗是有關生死疊加態的問題。

如圖：1953年3月，埃德溫·鮑威爾·哈勃和他的貓尼古拉斯·哥白尼坐在渾天儀後面。

著名天文學家埃德溫·哈勃，懷抱著一隻黑色的名叫“尼古拉斯·哥白尼”的貓。哈勃的主要成就是建立了哈勃定律，提供了宇宙膨脹例項證據。他曾在一封信中暗示尼古拉·哥白尼幫助他獲得了關於宇宙膨脹理論的靈感。

1975年，一篇有關低溫物理學的論文在《物理評論快報》發表，一隻名叫切斯特的暹羅貓被物理學家傑克·h·赫瑟林頓列為合著者。這位物理學非常有意思，由於擔心被同事發現共同作者署名是他的貓的名字，他還特意在前面加了兩個字母縮寫。

看了以上和貓有關的科學家故事，現在我們似乎明白連科學家也無法抵擋貓的魅力。現在我們再次回到本文探討的主體：貓的高處跌落。

事實上從19世紀開始，在某些科學家的圈子裡，就已經出現了這個讓人意想不到的關注焦點。當時一些最著名的理論物理學家嘗試過把貓從不同的高度扔下來，以理解為什麼它們總是用腳著地。

幾個世紀以來，科學家們提出了四種不同的假設來解釋這一現象。其中有一個解釋堪稱是最早的“抱膝轉身”原型，該解釋認為貓收回一對爪子，這樣它就可以轉動身體的不同部分；十九世紀物理學家詹姆斯·克拉克·麥克斯韋則給出了一個名為“落體花樣滑冰”的解釋，貓根據需要透過縮排或伸出爪子來調整角動量；第三種解釋是“彎曲和扭轉”，在這種手法中，貓在腰部彎曲以反轉身體的兩個部分。最後還有一種叫“螺旋槳尾”，他們認為貓可以像螺旋槳一樣將尾巴向一個方向旋轉，來實現身體的翻轉。

基於以上四種解釋，有物理學家認為貓跌落時，很可能綜合利用了以上所有解釋中的某些特性。

19世紀，在劍橋大學三一學院，這種活動十分常見。其中有一位是當時最偉大的理論物理學家，他的名字叫詹姆斯·克拉克·麥克斯韋爾。據當時的報道，他因為摔貓實驗而出名。

麥克斯韋爾在一封給他妻子的信中寫道：“當我在三一學院的時候，發現這裡有一個摔貓的傳統。我發現了一種摔貓的方法，這樣就不會讓貓的爪子著地。我過去常常嘗試把貓扔出窗外，我必須解釋這樣做的目的。這項研究的重點是發現貓轉身的速度到底有多快。正確的方法是讓貓從大約5釐米的地方掉到桌子或床上。這樣的話，貓就無法爪子著地。”

貓從高處墜落時，究竟是怎麼做到看起來無視牛頓物理定律，改變半空中的運動而讓它們四爪著地安然無恙的？他並不是唯一一個對此感興趣的傑出科學家。著名數學家喬治·斯托克斯也同樣關注“貓翻身”現象。

正如他的女兒在1907年的回憶錄中所描述的那樣： 他和克拉克·麥克斯韋教授幾乎在同一時間都對貓翻身非常感興趣，貓翻身（cat-turning）這個新發明的詞語用來描述如果你抓住一隻貓的四隻腳爪，把它從高空跌落回地面，它是如何做到翻身後四爪著地的。

儘管摔了很多貓，麥克斯韋和斯托克斯在他們的研究中都沒有取得很大進展。直到幾十年後，時間攝影技術問世，該技術允許快速連續拍攝許多照片，才得以讓科學家進行一項更嚴謹的研究，並且能夠超越人眼的限制。能做到這一點的人是法國科學家和攝影師艾蒂安·朱爾·馬雷，他在1894年拍攝了一系列影象，並從中做出了一些重要的推論。

上圖照片是以每秒12幀的速度拍攝，表明過去認為貓是依靠摔它的人的手作為支點，進而在摔落開始實現翻身動作的想法是錯誤的。相反，照片顯示貓在開始下降時並沒有旋轉運動，它們只是在自由落體時以某種方式獲得了角動量。馬雷在1894年出版的《康普特斯·倫德斯》雜誌上發表了這些照片和他的調查結果，同年他的研究結果摘要發表在《自然》雜誌上。

馬雷認為是貓利用自身質量的慣性來翻轉自己的身體。產生脊椎肌肉活動的扭轉力偶首先作用於前腿，由於前爪縮短並壓在頸部，因此前腿產生很小的慣性運動。然而後腿被拉伸並且幾乎垂直於身體的軸線，它所具有的轉動慣量與扭轉力偶所產生的運動方向相反。在動作的第二階段，爪子的姿態是相反的，前腿的慣性為後腿的旋轉提供了支點。

該研究的作者馬雷甚至以一種相當幽默的口吻說：在拍攝的第一個系列影象的結尾，貓被冒犯後重新站起來的姿態所表現出的尊嚴，表明它對科學研究缺乏興趣。

儘管馬雷有著看似清晰的攝影證據，許多物理學家仍然相信貓把摔貓人的手當作支點。70多年後，凱恩和舍爾在1969年發表的論文《落貓現象的動力解釋》中，終於解開了這個謎。他們將貓建模為一對能夠改變其相對方向的圓柱體，分別代表貓的前半部分和後半部分。

蒙哥馬利1993年用構型空間中的連線來描述凱恩-舍爾模型，該連線封裝了物理學允許的貓的兩個部分的相對運動。以這樣的框架，貓下落問題的動力學是一個非完整系統的典型例子。在物理和數學中，非完整系統是指其狀態取決於實現它所採取的路徑的系統，而該研究是控制理論的核心問題之一。掉貓問題的一個解決方案是配置空間中的一條曲線，該曲線與規定的初始和最終配置的連線，或者說物理上允許的連線，是保持水平的。掉貓方式尋找最佳解決方案是最優運動規劃的一個範例。

用物理學的語言可以這樣解釋，蒙哥馬利的連線是構形空間上的楊-米爾斯場，並且是更規範的以形變場為代表的可變形體動力學方法的特例。楊-米爾斯（Yang-Mills）理論，是現代規範場理論的基礎，是由物理學家楊振寧和米爾斯在1954年首先提出來的。

現在我們知道貓從高處跌落，具有天生的能力來調整自己的方向以便站穩。大多數貓安全地著地需要達到的最小高度約為30釐米。雖然影片中發現很多貓會透過尾巴翻身，但沒有尾巴的貓也有這種能力，因為貓主要是移動它的後腿，依靠角動量的守恆來準備著地，而尾巴實際上對於它這個與生俱來的優雅翻身的能力用處並不大。

除此之外，貓本身還具有跌落時減少傷害的其它特性，例如體積小，骨骼結構輕，厚厚的皮毛減少了終極速度。跌落時，貓會伸展身體，以增加阻力。那麼我們知道貓具有如此抗跌落的超能力，是不是它們從高空墜落從來不會受傷呢？答案是：情況並未總是如此。它們仍有可能因為摔傷或者骨折而死亡。1987年發表在《美國獸醫協會雜誌》上的一項研究發現，每隻貓的受傷程度隨著高度的升高而增加。

物理學家們在本能地尋找簡單的解決方案，而大自然的生靈們會自然尋找最有有效的解決方法。那麼費盡心思地研究貓跌落的現實意義在哪裡？

現在研究人員把目光投向了機器人領域，我們是否可以利用貓的特性製造出一種可以實現有效翻轉的機器人？在人類無法到達或者有生命威脅的環境裡，派出”貓式翻轉“機器人執行救援或排險任務，最後還可以正面朝上實現完美著陸。