诺奖得主Wilczek：猫咪翻身，翻出了一个新学科
返朴 · 科学与科普
Frank Wilczek 2026-09-05 09:56 北京 以下文章来源于：墨子沙龙 墨子沙龙 墨子沙龙是中国科学技术大学上海研究院于2016年起举办的沙龙活动，主要以面向大众的自然科学科普为主，后期还将陆续添加人文、艺术、健康等主题的讲座或讨论内容。墨子沙龙每月一次，邀请国内外知名科学家为大家讲述科学的那些事儿。 撰文 | Frank Wilczek 翻译 | 胡风、梁丁当 猫是出色的体操运动员。哪怕被四 脚朝天 地 扔下，它也能稳稳落地。猫的这 种神奇本领，吸引了19世纪两位最杰出的数学物理学家——斯托克斯爵士和麦克斯韦的关注，促使这两位理论学家在19世纪50年代开展了一系列关于“猫翻身”的传奇实验。正如麦克斯韦后来所描述的： 乔治·斯托克斯（左）和詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（ 右）。丨来源： wikipedia “三一学院一直流传着一个传闻，说我发明了一种扔猫的办法，能让猫没法四脚落地，还说我经常把猫往窗外丢。我必须得澄清一下：这些研究的真正目的，是为了搞清楚猫翻身的速度到底有多快。我发现，正确的做法是让猫从约两英寸高度落到桌子或床上。但即便是这么短的距离，猫也照样能四脚着地。” 这些关于猫翻身的开创性实验，受限于当时的技术条件。而高速摄影术的出现，彻底改变了这项研究。艾蒂安-朱尔·马雷发明了一台每秒可拍摄12帧的连续摄影相机。1894年，他发表了一组无比精彩的猫的定格动作照片。这些经典照片揭示了猫在空中调整姿态并稳稳落地的完整动作序列。 1969年，一个后来成为经典的动力学模型诞生了。直到今天，这个课题也没有过时。在今年的一项最新研究中，科学家们用真实猫脊柱的实测数据进行建模，取代了过去理想化的铰链和圆柱体模型。 同样地，跳水运动员和体操运动员经过训练，也能像猫那样学会在空中控制身体重新定向。对猫来说，这种控制大多源于本能反射；而对运动员来说，它可以通过设计、练习与调整来实现。乍看之下，这些能力似乎违背了牛顿力学。牛顿力学告诉我们，加速运动靠的是物理力，而不是意志力。我想，这种矛盾正是让斯托克斯和麦克斯韦对猫的翻身如此着迷的一大原因。另一个原因则更偏技术性，涉及角动量与旋转之间的关系。猫从零角动量出发，在没有受到任何外力矩作用的情况下，竟然改变了自己的朝向。这对刚体来说是不可能的。但猫可以通过在其可能形态空间里完成一个闭环动作，成功地实现了翻身。 经典牛顿力学之所以难以被发现，而它的发现之所以又是如此卓越的科学成就，很大程度上是因为它需要一种认知上的失调。具体来说，无论是过去还是现在，它都要求人们去调和两种截然不同、甚至近乎矛盾的关于运动的描述。这两种描述在其各自的适用范围内都行之有效、令人信服。第一种是对运动的“常识性”理解，它以人的意志和目的为核心。这正是我们日常生活的体验：当我们伸手去拿东西时，并不会去计算力和加速度，我们只是决定去做而已。第二种则是经典力学本身，它严谨、精确、数学化，并且是决定性的，排除了任何主观因素。在机械论世界观占据主导地位之前，自主性的运动常被视为某种“活力”法则 （即灵魂） 存在的证据。而这种法则是无生命物质所不具备的。如今，科学已经认识到，物质承载着一套已知的、 （相对） 简单的、可用数学公式表达的法则。这套法则足以支撑我们在分子生物化学、神经生物学和人工智能中所发现的复杂的涌现行为。基于这一认识，我们便可以在不损害力学体系完整性的前提下，重新将心智纳入力学之中。 当然，猫、跳水运动员和体操运动员的能力，并没有真正脱离物理定律的约束。 （要是真的违背了，我们早就修改物理定律了！） 探讨这个问题最有成效的方式，不是否认心智在力学中的作用，而是欢迎它的加入。猫并没有创造什么新的力；它只是在形态空间中选定一条路径，然后用肌肉重新分配自身的质量，普通力学定律再将这条路径转化为旋转。因此，要想真正讲清楚猫的翻转，我们就必须拓展力学的词汇与概念。我们可以把这个在原有力学体系中引入了意志、控制和目的性的学科称为“意志力学”。它所涉及的不同技术内容，分别在生物力学、控制论和机器人科学等领域中蓬勃发展。而“意志力学”这个名字，则概括了它们共有的概念创新。 在意志力学中，我们假设猫、跳水运动员或体操运动员可以通过“意志”来改变自身的形态。“意志”是心智的产物。“心智”拥有旨在达成目标的计划，会监控进展，并对外部信号做出响应。“目的性”不是一种新的力，而是一种协调力的新方式。普通力学——主要是牛顿力学——决定了由意志引发的形态变化如何转化为空间中的运动。因此，意志不是力，而是一种选择与协调力的策略。要描述有目标的运动，我们既需要力，也需要心智，二者的融合定义了意志力学。而这，也正是生物学家、运动员和教练们在思考他们所面对的力学问题时，通常会采用的方式。 将心智和意志纳入考量，极大地丰富了力学的内容。它