19 世紀の科学者の奇妙な活動 - 猫を失う

現代物理学の発展の過程で、科学者に特に愛されている動物が1匹います。ペットとしても、実験対象としても魅力的です。この動物は猫です。

たとえば、有名な猫虐待者エルヴィン・シュレーディンガーは、箱の中の猫の状態を判断することで、生と死の重ね合わせについての疑問を提起しました。これは、有名な量子力学の思考実験である「シュレーディンガーの猫」です。

19 世紀に入ってから、一部の科学界で猫を失うという奇妙な現象が起こりました。

当時、ジェームズ・クラーク・マクスウェルなど、何人かの有名な理論物理学者が、さまざまな高さから猫を落とそうとしていました。そう、マクスウェル方程式を提唱したマクスウェルです。

マクスウェルはケンブリッジ大学トリニティ・カレッジに在学中、猫は高いところから落ちた後、背中から落ちたとしても必ず最初に前足で着地することを発見しました。

この「奇妙な現象」が彼の注目を集めたのは、ニュートンの第一法則によれば、理想的な状況下では、静止した物体は外部からの力が加わらない限り静止したままであるからだ。しかし、猫は高いところから落ちるときには外力の影響を受けないので、空中ではどのように動くのでしょうか?

その理由を解明するために、マクスウェルは猫の落下実験を何度か行いました。しかし、人間の目の観察能力には限界があるため、猫が5センチ未満の高さから落ちた場合、猫の足が最初に地面に着かないだろうと大まかに推測することしかできませんでした（その後、科学者がさらに研究を行い、猫の安全を確保するには高さは30センチ必要であることがわかりました）。

それから数十年後、タイムラプス写真の登場により、科学者は猫が落ちる過程をより直感的な方法で分析できるようになりました。

1882 年、フランスの科学者で写真家のエティエンヌ・ジュール・マレーが、1 秒間に 12 フレームを撮影できる写真銃を発明し、以下の有名な写真が生まれました。

右から左への方向

これまでは、猫が投げた人の手をてこにして転がりを完成するという説が一般的でした。

しかし、この写真からわかるように、猫は降下を開始したときに回転せず、代わりに自由落下中に何らかの形で角運動量を獲得しました。メアは、猫が自分の質量の慣性を利用して体をひっくり返していると信じていました。

まず、猫の脊柱の筋肉の収縮によって生じる力が前足に作用します。このとき、前足は短くなり首に押し付けられるため、前足の慣性モーメントは非常に小さくなります。さらに、後ろ足は落下中に伸ばされ、体軸に対してほぼ垂直になるため、別の慣性モーメントが発生しますが、回転方向は前のものと逆になります。動作の第 2 フェーズでは、前足と後ろ足の状態が逆になり、前足の慣性が後ろ足の回転の支点となります。

——Wikipediaのマレーの論文概要より引用

マーレの説明は、写真撮影時の姿勢と基本的に一致している。しかし、これに同意しない物理学者はまだ多く、主な理由は物理学における「角運動量保存」の概念に関係しています。

角運動量保存の法則は物理学の普遍法則の 1 つであり、点または軸の周りの粒子および粒子系の運動に関する普遍法則を反映しています。これは、外部からの力が作用していないとき、または外部からの力によって固定点（または軸）に生じるトルクが常にゼロであるときに、固定点（または軸）の周りを粒子や粒子系が運動する普遍的な法則を反映しています。

そのため、猫が空中で回転するときに角運動量を保存したい場合、当時の物理学者は、猫の前足が下を向くときに後ろ足が上を向くようにすれば、お互いの角運動量が打ち消されると考えていました。しかし、高速度撮影で撮影した写真ではそうではありませんでした。

その後、猫が落ちたときに猫の尻尾によって発生した角運動量が、前部本体によって発生した角運動量を相殺するのではないかと誰かが示唆しました。この説明は、Mare の写真とより一致しています。

残念なことに、彼らは後に再び顔を平手打ちされた。ある人が尻尾のない猫を使って実験を行い、その猫も行動を完了できることを発見しました。これは尻尾があまり役に立たないことを示しています。

この謎は、1969年にスタンフォード大学の応用物理学者ケインとシーアが「落ちる猫現象の力学的説明」と題する論文を発表するまで解明されなかった。

彼らは猫を前半と後半に分け、円筒をモデルとして研究し、新しい物理モデルを作成しました。

簡単に言えば、猫が高い場所から落ちると、まず内耳にある前庭構造がその方向を感知します。次に、体を曲げて前かがみの姿勢になり、体の前半分と後半分が異なる軸に沿って回転します。

猫の体に平行な軸と一緒に、ベクトル三角形の角運動量を形成し、これも角運動量保存の法則に従います。

興味深いことに、当時の物理学者たちは、猫の構造が腰を反らせることで角運動量保存則を実現できるほど特殊であるとは予想していませんでした。そこで彼らは、座標系を確立するために、猫に平行な軸と垂直な軸を選択しました。この場合、角運動量保存の法則は明らかに破られました。

最後に、遊ぶのは遊ぶこと、見るのは見ることですが、猫が怪我をする可能性もあるので、気軽に猫投げの実験を行おうとしないでください。 1987 年にアメリカ獣医医学会雑誌に掲載された研究によると、猫 1 匹あたりの負傷の重症度は高度とともに増加しました。結局のところ、重力は冗談ではありません。