「貓是液體」這個說法,網路上大多將其視為一種迷因(Meme)。然而,在 2017 年,法國里昂大學的物理學家 Marc-Antoine Fardin 憑藉其論文《關於貓的流變學》(On the Rheology of Cats),獲得了搞笑諾貝爾物理學獎。
這項研究並非單純的惡搞,它實際上嚴肅地探討了流變學的核心問題。
1. 什麼是「液體」?
在常識中,我們認為水是液體,石頭是固體。但在流變學的定義中,物質的狀態取決於它「適應容器形狀的能力」
* 氣體:擴散並填滿容器。
* 液體:維持體積,但改變形狀以適應容器(需有底座)。
* 固體:維持形狀,不隨容器改變。
Fardin 的研究起點在於:當我們觀察貓進入一個狹小的玻璃缸或紙箱時,牠確實展現了「改變自身形狀以適應容器」的特性。那麼,我們能否用物理公式來證明貓是流體?
2. 核心理論:狄波拉數(The Deborah Number)
要判定一個物質是固體還是液體,流變學中有一個至關重要的無因次量,稱為狄波拉數 (De)。
其中:
* \tau (Relaxation time,鬆弛時間): 物質發生變形並適應環境所需的時間。
* T (Time of observation,觀察時間): 實驗者觀察該過程所持續的時間。
這個公式告訴我們,物質的狀態是相對的:
* 當 De \gg 1(觀察時間極短,或鬆弛時間極長):物質來不及變形,表現為固體。
* 當 De \ll 1(觀察時間夠長,或鬆弛時間極短):物質有足夠時間流動,表現為液體。
舉例:
山脈看起來是固體(De 大),但在地質學的萬年尺度下(T 極大),板塊其實像流體一樣在移動(De 變小)。
3. 實驗推導與結果
Fardin 將此公式套用到貓身上,得出了以下結論:
A. 貓的狀態取決於時間尺度
* 固體態: 當你拿逗貓棒與貓玩耍,或是貓在跳躍時,觀察時間 T 很短(幾秒鐘)。此時 De > 1,貓表現出剛性,屬於固體。
* 液體態: 當貓鑽進一個花瓶並開始休息,隨著時間 T 拉長(幾分鐘到幾小時),貓的身體肌肉鬆弛,慢慢填滿容器的角落。此時 De < 1,貓在物理上表現為液體。
B. 貓是一種「活性流體」(Active Fluid)
與水不同,水是被動流動的。貓擁有自主意識,因此貓的「鬆弛時間 \tau」不是固定的,而是由貓的心情決定的。
* 實驗指出,年長的貓流動性通常高於年輕的貓(因為牠們鬆弛得更快)。
* 環境壓力會影響 \tau 值(如果貓不想進去,牠就會硬化成固體)。
C. 摩擦學與潤濕性(Tribology & Wetting)
研究還探討了貓與容器壁的接觸。甚至在某些極端案例中,貓不僅是流體,還能呈現氣體的特性(充滿整個封閉空間,雖然這通常涉及擠壓)。
4. 結論
這項研究的核心價值在於打破了「固態」與「液態」的絕對界線。物理學告訴我們,只要時間軸拉得夠長,萬物皆可流動。
所以,當下次看到貓咪「融化」在盒子裡時,你看到的確實是一個物理現象:
在一隻放鬆的貓身上,鬆弛時間小於觀察時間,因此,De < 1,證明完畢:貓是液體。