我們平時比較關心的是一些技術性的、宏觀性的大問題，例如:中微子為什麼有質量，而標準模型預測它們不應該有質量，為什麼量子場論和廣義相對論是不可調和的，但它們在物理學上都是有效的，未來核聚變能否被用作一種有效的能源，等等。這些問題確實很重要，但這些問題並不是日常生活中佔據大眾思想的實際問題。我們常常聽說貓是液體？這句話對嗎？我們今天就來分析這個有趣的話題，貓在流變力學下到底是固體還是液體？貓還有什麼狀態？對這個問題的研究有什麼意義？
貓是液體說法的來源
2014年一個叫湯姆(Tom)的研究者首次分析過這個問題，他在《無聊的熊貓》（Bored Panda）雜誌的有趣動物版塊上發表了一篇題為《貓是液體的15種證明》的文章。這也是往後網上流傳的貓是液體說法的來源。
湯姆（Tom）從15個實驗中，使用了不同品種的貓和不同形狀的容器，他得出結論：貓有呈現容器形狀的趨勢，這是液體和氣體的基本特性。還有，在實驗中蜷縮成不同形狀的貓在體積上的變化可以忽略不計，這是液體的一個特徵。
同年晚些時候，也許是對湯姆（Tom）研究的嚴格定性問題和對《無聊的熊貓》（Bored Panda）的評審標準不滿意，法國科學家馬克·安託萬·法丁（Marc-Antoin Fardin）在巴黎高等師範學院(Paris Ecole normale superieure )進行了進一步的研究，使用了更為嚴格的「液體」定義，並發表了一篇題為「關於貓的流變學」的論文。
法丁發現貓表現出的流變學行為比《無聊熊貓》（Bored Panda）的研究發現更豐富和更複雜，所以嚴格的說「貓是液體」是不恰當的。
由於法丁在研究「貓的流變學」上的進步和在連續介質力學研究所做的工作，他獲得了2017年搞笑諾貝爾物理學獎。
那麼貓是液體，固體和氣體？
法丁的論文用現代流變學的語言來討論這個問題，現代流變學是研究流體和固體材料運動的力學分支。流變學本身也是連續介質力學的一個分支，連續介質力學研究宏觀物質體的運動，研究的這些物質被理想的認為完全填滿它們所佔據的空間(即忽略分子結構和其他微觀缺陷和不連續性)。
連續介質力學中研究的材料類型可以根據其改變形狀的難易程度在一個尺度上劃分。在這個尺度一端是理想的牛頓流體，它對施加的應力沒有任何阻力，而且只要施加應力，無論應力有多弱，它都會持續改變形狀或變形。另一端是理想的剛性固體，在任何應力作用下都不會發生變形。
由於流體運動是由無限小的變形累積起來的，我們也可以說牛頓流體是一種只能流動而不能被推動的物質樣本，而剛性固體是一種只能被推動而不能流動的物質樣本。流變學研究的是落在這兩個尺度中間的物質運動，根據環境的不同，它可以同時具有固體和液體的特性。
例如，冰川是由固體冰構成的，短期觀察時，它們看起來是固體，但在足夠長的時間尺度下，冰川會像河流一樣移動和流動。
普通液態水也會表現出類似的行為。當一個充滿水的氣球被刺破時，水不並會立即飛濺出來。在很短的時間內，水大致保持著氣球的形狀:
這表明，在很短的時間內，水具有類似固體的性質，只有在長時間觀察後，水才開始像液體一樣流動。
這是很典型的兩個例子:在長時間段內，物質樣本的行為更像液體，在很短時間內更像固體。
為了確定一種材料樣品在特定實驗中是更像固體還是更像液體，我們給該材料指定了一個德博拉數：
德博拉數（Deborah number）：是流變學中的一個無量綱量，用來描述材料在特定條件下的流動性，最早是由以色列理工學院的教授馬庫斯·萊納所提出。
流變學標數：德博拉數De= 材料的特徵弛豫時間/過程進行時間 = 鬆弛時間/觀察時間
在這個公式中，T是實驗的持續時間，τ稱為弛豫時間，是給定的材料反應施力或形變時所需要的時間。在實驗中德博拉數大於1意味著物質在實驗中更像固體，而德博拉數小於1則意味著物質更像液體。
在法丁的論文中，假設實驗時間是完全可控的，他研究了弛豫時間，以確定貓在何種情況下是液態的。
那麼貓是液態的嗎?
法丁做了一個非常簡單的分析，找出了一系列可能的弛豫時間值。利用「貓彈跳」（Cat Bounce）網站提供的尖端數值模擬，法丁得出結論，在T＜1秒的實驗時間尺度內，貓的行為就像固體一樣。我們生活中也可以得出同樣的結論，當一隻貓從一個很小的高度(下降時間~1秒)失足掉下來時，它會像一個剛性物體旋轉一樣，四肢著地。
對於較長的時間尺度，法丁考慮了以下小貓蜷縮在酒杯的例子:
在這個例子中，小貓在進入穩定狀態後，填充了容器的幾何形狀，因此表現得像液體。對貓的觀察發現，貓在容器中進入、定位、和穩定的時間不超過1分鐘，因此可以說，貓在1秒＜T＜1分鐘的時間尺度上表現的更像液體一樣。
所以答案是，在至少60秒的時間裡，一隻放鬆的貓將會是液體，也就是說，類似液體的動力行為將會主導類似固體的行為。
法丁還指出，毛髮比較長的貓也可以表現的像氣體一樣，因為它們的毛髮可以膨脹到充滿整個容器:
現在將討論由法丁研究的貓所具有的其它流變特性。
弛豫時間的精確測定一般來說,τ是一個數量稱為二階張量,這意味著它的值依賴於參照系的選擇。特別是，τ可以取決於相對於樣品中的一組特殊軸(稱為主軸)向樣品施加應力的方向和位置。
均勻緻密的剛性立方體的主軸從中心開始，指向面。該立方體對施加在表面上的力的響應將取決於力的方向和施加點相對於主軸的坐標。
對於具有更複雜幾何結構的物體，特別是可變形物體，主軸的確定要複雜得多，這裡就不討論了。當一個物體比它的其他尺度（例如：寬或高）要長得多時，就可以把它的長軸(一條穿過質心的線，沿著物體長度的方向)稱為主軸。沿主軸的變形稱為延伸，垂直於主軸的變形稱為剪切。
在沒有容器的情況下，貓似乎更喜歡縱向放鬆，背部保持平直，下圖：
貓似乎更喜歡尋找長容器，下圖：
這表明，貓拉伸變形的弛豫時間比剪切變形的弛豫時間短，所以貓在比它們寬得多的容器中更具有液體的特性。所以貓是液體還是固體的問題不僅取決於觀察時間還取決於容器的幾何形狀。
摩擦學:潤溼性和超疏水性摩擦學是對相互接觸並相對運動的物體表面的研究。當其中一個表面是固體，另一個是液體時，如果一滴液體在固體表面上可以自由擴散，溼潤固體表面，此時對該固體而言，該液體叫做浸潤液體。這是因為固體表面和液體之間的分子相互作用足以打破液體的表面張力。另一方面，當表面張力大於分子間的力時，液體就保持液滴的形狀，此時對該固體而言，該液體叫做不浸潤液體。
我們平時說水浸潤了親水性的表面而不會浸潤疏水性的表面。極難浸潤的表面，如水滴保持接近球形的形狀，被稱這種物體表面具有超疏水性。
遵循以上的術語，如果貓在物體表面上可以自由伸展，那麼這個表面就是親貓性的，如果貓不在表面上自由伸展，那麼這個表面就是疏貓性的。看下面的圖片，即一個草籃子裡的貓。注意有非常高的接觸角。
目前關於超疏水性最合適的解釋就是巴克斯特模型（Cassie-Baxter模型），Cassie-Baxter模型說，在顯微鏡下微觀粗糙的表面，比如荷葉，具有超疏水性，因為表面張力導致水滴停留在表面微觀結構的凸起上。
然而，這種「荷葉超疏水效應」在貓身上將是相反的，粗糙的表面會排斥光滑的水滴，相反，粗糙的貓的皮毛會排斥光滑的表面，在這種情況下，籃子就是光滑的表面。為了進一步證明這一點，法丁指出，貓更喜歡躺在粗糙的表面，比如下面這個極端的例子:
從實際經驗來看，我們知道貓似乎更喜歡在地毯、枕頭和鍵盤等粗糙的表面上休息。另一方面，貓很不喜歡與非常光滑的表面保持接觸，比如瓷磚、地板。
特別是，貓對水面的親和力極低：
流動不穩定性當一個物體在其體積上的任何地方發生不斷地變形時，就會發生流動。當變形速率非常大時，更為複雜的流體行為開始出現稱為二次流，當變形速率足夠大時，最終流體以湍流運動為主。在弛豫時間為τ的實驗中，流動狀態由魏森貝格數（Reynolds-Weissenberg）給出:
流體力學中，二次流的概念如下定義：假如沿一邊界的流動因受到橫向壓力的作用，產生了平行於邊界的偏移，則靠近邊界的流體層由於速度較小，就比離邊界較遠的流體層偏移得厲害，這就導致了疊加於主流之上的二次流。魏森貝格數是以Karl Weissenberg命名的，縮寫為Wi或We，具體是指在粘彈性流動研究中使用的無量綱數，其中無量綱數比較了粘性力與彈力。
其中γ是物體變形變化率的大小。對於Rw<1，流動穩定稱為層流。對於Rw≈1，二次流開始出現。當Rw繼續增加大於1時，紊流（湍流）開始出現。這些過程稱為流體的不穩定性。
那麼，貓是否會表現出隨著Rw值的增加流動的不穩定性?
我們平時看見的旋渦是湍流最簡單的例子。渦流是指流體繞軸旋轉的情況，如下圖所示:
法丁舉了一隻貓在圓柱形容器中旋轉的例子，來證明貓確實會表現出旋轉運動:
貓甚至在沒有容器的情況下也可以進行旋轉運動：
所以把貓視為液體的話，它的旋轉也可以成為渦流，但是這其中有一個比較複雜的因素，貓不同於水或空氣這樣簡單的「被動」液體，它們是準確的說是「主動」流體，它們有自己的動力，可以不受外界影響自發地運動。因此貓在沒有應力的作用下也會自主出現渦流現象,沒有應力說明γ值非常低趨近於零，這意味著我們還不能確定增加Rw是否一定會導致貓的流動不穩定性。
對貓流變學的研究有什麼意義？
和法丁獲得諾貝爾搞笑獎一樣，研究貓的流變學有點搞笑的意味。我相信你讀完上文會發現有些地方對貓的形容很牽強，但是這些技術術語是完全沒問題的。如果非要說貓是液體或氣體，只有將物理學術語延伸到極限地情況下才會成立，這就是法丁獲搞笑獎的原因。
但是，對「貓是液體」的分析研究，可以有趣而易懂地介紹連續介質力學中的許多重要的思想，連續介質力學是現代物理學的主要組成部分，也是機械和土木工程的基礎。我相信你除了看到可愛的貓咪，一定學到了知識，這就是對貓的流變學研究的意義！輕鬆快樂易懂！