你真的知道猫是怎样喝水的吗？

【编者按】

动物世界里，充满了物理学的神秘、怪诞和美。科学记者马丁·杜拉尼和利兹·克拉佛在这本《“毛茸茸”的逻辑：动物生活中的物理学》中介绍了动物在日常的吃、喝、交配和避免被杀等方面的行为背后所蕴藏的物理学原理。比如，为什么狗喝水的时候吧嗒嘴，而猫则优雅地用舌头舔呢？

本文摘自该书第三章《流体：难解之谜》，由澎湃新闻经中信出版集团授权发布。

水有如此大的表面张力，水黾应该感到高兴。它们因此不会下沉，还能在池水或湖水表面滑行。水黾只是活在水表面的生物，大部分动物与水的关系更深。鱼在水里游，呼吸水里溶解的氧气。河马是两栖动物，夜晚在陆地吃草，白天在水里生活，每隔几分钟露出水面呼吸。关键是，哺乳动物和鸟类只有摄取足够的水才能存活。猫也需要喝水，尽管它们讨厌把自己弄湿。

你曾经思考过自己是怎样喝水的吗？对我们来说很容易。用杯子接水，从冰箱里拿出咖啡或橙汁。把杯子对准你的嘴，而后将这些液体倒进嘴里。很明显，没有任何令人讨厌的咕噜咕噜声，只有其他一些人会发出噪声。我们甚至还有两个备用的技能：首先，我们有着功能完备的面颊，因此当我们喝水的时候可以在嘴里保持部分真空，就像用吸管喝鸡尾酒时那样，嘴里的气压比外面的低，抵消了重力作用，饮料被吸进嘴里，你就像拥有一台个人专属的真空吸尘器；其次，是一个令人讨厌的方法，把一根管子插进嘴里，上面连着漏斗，让朋友把饮料倒进去，把头向后仰，嘴里的饮料因受到压力向下流进胃里——这是学生拼酒想喝下大量啤酒时的理想选择（有人这样告诉我们）。

其他动物喝的是淡水而不是啤酒。淡水大部分以水洼、池塘、湖泊和溪流的形式存在。动物为了喝水练就了不同的本领。猪、羊和马与人类一样，它们脸颊发育完全，用嘴吸水即可。青蛙通过皮肤吸收水分，而居住在沙漠的梅氏更格卢鼠（Dipodomys merriami）完全从食物中汲取水分，即便是新鲜雨水也不能直接喝。蜂鸟把舌头浸入花蜜，让黏稠的液体流进舌槽里，就像墨水流进吸墨纸上。纳米布沙漠甲虫（Stenocara gracilipes）则生活在地球上最干燥的地方，每天早上从自大西洋上空飘来的雾里吸收水分。甲虫保持身体底部不动，牢牢地停在空气中，身体与地面约呈45°角，等待着小水珠落在背部，汇聚在一起，流进它嘴里。

猫是怎样喝水的呢？这是一个被很多科学家忽视的问题，大部分科学家致力于研究更深刻的问题，如寻找希格斯玻色子，或设计一款可以在太空中书写的笔。这里的问题是，猫的舌头上下移动得太快，用肉眼无法看清楚，只有高速摄影机才能担此任务。1940年好莱坞纪录片《眨眼之间》（Quicker’n a Wink），就是记录猫喝水的第一次尝试。美国电气工程师哈罗德·艾格顿（HaroldEdgerton，1903—1990）展示了他频闪照相法的高超技艺，这个10分钟的纪录片次年便获得了奥斯卡最佳短片奖。艾格顿的技术是自己选择打开或关闭闪光灯用相机记录快速镜头。比如，如果相机每秒能闪2000次，你就可以以每秒2000帧的速度拍摄短片，只要你的相机速度足够快，艾格顿就可以做到。

《眨眼之间》让观众惊艳，因为它用前所未有的慢镜头展示了快动作的场景，其中有爆炸的肥皂泡、击穿电话簿的高尔夫球等。短片还显示如何让一台旋转的电风扇看起来是静止的，只需要调整闪光灯，相机的速度就会和电风扇的速度一致。还有一个鸡蛋掉在风扇叶片上的镜头，当时风扇叶片在旋转——令人吃惊的是，鸡蛋弹了几次才被击碎。尽管短片很有趣，但《眨眼之间》关于猫喝水的镜头只有20秒，并且这不是一个科学研究。

过了将近70年，对猫喝水的第一次认真研究才出现。研究始于2008年的一天上午，当时，美国麻省理工学院的环境工程师罗曼·斯托克（Roman Stocker）在早餐期间观察他的灰猫（名叫“咔嗒咔嗒”）喝水。他对猫如何喝水这一点非常感兴趣，就决定从实验室拿回一台现代高速摄像机，记录咔嗒咔嗒在碗边喝水的情景。事实证明，这是动物物理学史上一个激动人心的时刻。

猫的脸颊跟我们的相似，但并不完整。这意味着猫从器皿里喝水时合不上嘴唇。“猫是食肉动物，其下颌要够宽，才能逮到并吃到猎物。”斯托克解释说。与许多陆地脊椎动物一样，猫不是用舌头把水喝进嘴里的。斯托克回放了咔嗒咔嗒的录像，发现了猫喝水的秘密。他注意到普通的家猫先伸出舌头，把舌根部分向后卷起，舌尖变尖，之后再把舌头靠近水。猫不是把舌头放进水里，而只是把卷起的舌尖放到水面上。水分子之间的吸引力和猫舌头的表面使得水粘在了舌头前端，然后猫抬起舌头，把水往上吸，这就形成了一条垂直水柱，当舌头向上运动时，水柱会变细变长。一旦舌头回到嘴里，猫就合上下巴，水柱部分的水便进入口中。猫必须在重力打散水柱、水返回碗里之前喝到水。

猫喝水是一个三阶段的过程：舌尖接触液体表面——抬起舌头形成一条水柱——快速合上下巴把水喝进嘴里。你自己也可以弄出一条水柱——把汤匙的底部放在一碗水的表面，然后快速地拿起它。你将短暂地看到一条垂直的水柱，尽管它只有几毫米高，之后在重力的作用下它断裂并落回碗里。猫可以做得更好，因为它的舌头表面可以吸水，但也不能完全抵消重力的吸引。这就是它不得不快速舔起的原因。录了10只成年猫之后，斯托克发现猫喝水时每秒舌头进出3.5次，每次大约喝到0.14毫升（仅仅是一茶匙的1/13）的水。最后，舔了3 到17下之后，猫就把嘴里储存的水咽下去。一只口渴的猫不容易，但生活对于斯托克来说更艰难，他发现自己是一只“斗争的猫”。

为了探求更多咔嗒咔嗒喝水的细节， 斯托克说服同事杰弗里·阿里斯托夫（Jeffrey Aristoff）、珊妮·荣格（Sunny Jung）和佩德罗·赖斯（Pedro Reis）制成模仿猫喝水的机器。首先，小组成员找到一块涂满亲水材料的玻璃片——就像猫的舌尖，把它放在一缸水上方。然后，他们把玻璃片连到一个编写了程序的引擎上，这样玻璃片就可以向下够到水面，之后再缩回，和猫的舌头一样。有了这个机器，研究者就能随意重复这一伸一缩的整个动作；研究者还可以随意调整玻璃片移动的速度和高度。这套机器比猫更好用——如斯托克回忆的那样，即便这个测试“说起来容易做起来难”。用高速摄像机记录测试过程，研究者发现每次玻璃片升起时都和猫舌头一样能形成一条水柱，大约1/20秒后水柱上方和玻璃片脱离，水落了回去。

利用机器装备得到的数据，斯托克列出一个数学公式来描述猫舌头舔水的速率与其长和宽之间的关系。公式表示，舌头移动的频率与舌头长度的平方根成正比，而且如果猫舌头的宽度翻一倍，那么移动的频率就减半。如果猫舔水的速率比这个低，那么每次缩回舌头之前，水柱就消失了，猫就喝不到多少水了。如果猫舔水的速率比这个高，它就舔不到多少水，也不利于解渴。所以，猫伸缩舌头的频率应该是每秒3.5次，才能让它喝到足够的水——在水柱断开之前把水喝进嘴里。

猫不会轻易地把自己的秘密公之于众。当斯托克于2010年把公式发表在《科学》杂志上后，加州大学圣克鲁兹分校的物理学家迈克尔·瑙恩博格（Michael Nauenberg）得知了斯托克的公式，并把现实中的数字填到公式里验证结果。让瑙恩博格感到意外的是，他发现假设公式是正确的，如果猫的舌头宽1厘米，离水面的距离为3厘米，那么猫舔水的速率应该比现实的速率高30倍。因此，瑙恩博格认为公式是错的。他认为错误在于斯托克的假设，该假设认为猫舔水形成的水柱由于表面张力而不移不动。“他们的论点基于非物理的假设，认为水柱是固定的，”瑙恩博格说，“明显事实并非如此。”正如瑙恩博格指出的那样，水会在重力作用下逐渐流尽，在此过程中水柱也会变细。像瑙恩博格那样把这个事实纳入考虑，你会得出一个不同的公式。依照这个公式，猫舔水的理想频率与舌头长度的平方根的倒数成一定比例，与舌头宽度根本没有关系。按照瑙恩博格的理论，有着长舌头的猫舔水频率较低，与斯托克的理论正好相反。

瑙恩博格发现他的公式与斯托克的原始测量结果不谋而合，也就是舔水频率刚刚好是每秒3.5次。2011年他在《科学》杂志上发表了一篇论文阐述他的分析，斯托克和同事就同一问题写了一篇文章予以回应。也就是从这时开始，双方打起了口水仗。瑙恩博格赞同猫舔水的频率是由重力（水柱的重量）和惯性（把水吸上来的力）之间的平衡决定的，而斯托克辩称他的对手直接把数字放进斯托克公式没有意义，因为那不是一个精确的方程式，只是一个“比例定律”——一种数学归纳，这一公式并没有去求解某一种猫舔水的频率应该是多少。“瑙恩博格把比例定律当作精确的方程式，我们不能那样做。”斯托克说。

这并不能阻止瑙恩博格推算出新的比例定律，也就是之前提到的那个公式。斯托克对此并没多大兴趣。“他的比例定律公式实际上并不比我们的好，这一点我们在驳文中已有阐释。”斯托克说。但瑙恩博格认为斯托克及其同事的评论“表明他们并不理解我的反对意见”。斯托克的联合作者珊妮·荣格现在在弗吉尼亚理工大学，坚持认为斯托克是对的。

如我们之前所说，事情愈演愈烈，尽管辩论是科学的源泉。我们不准备评判谁输谁赢，我们只说双方就猫是怎样喝水的达成了一致：用舌尖接触水面，抬起舌头，把水柱留在嘴里后合上下巴。关于猫舌头的大小、其完美舔水速度背后的数学细节尚存争议。请注意，如果你觉得猫很复杂，那就不要再讨论狗了。狗喝水时舌头会伸进水里，把水兜起带入口中。狗通常用舌头兜水喝而不是舔水喝。狗会把水洒得到处都是，缺乏猫喝水的美感和优雅。这些属性对于物理学家来说非常关键，他们不屑于对太过复杂的自然现象做出解释，因此，我们宣布猫是物理学家最好的朋友。