不做空想發(fā)明家

盧健龍

蒸汽機(jī)的發(fā)明讓人類擺脫了人力和畜力，電力的發(fā)明意味著新能源的誕生……當(dāng)我們?cè)谔剿鞔笞匀坏挠螒蛞?guī)則時(shí)，往往會(huì)有人創(chuàng)造性地提出前所未有的工藝或方法，來(lái)滿足人們認(rèn)識(shí)世界的客觀需求，從而推動(dòng)探索的進(jìn)程。而這些發(fā)明創(chuàng)造也需要借助已有的科學(xué)發(fā)現(xiàn)進(jìn)行實(shí)踐驗(yàn)證，尤其是在過(guò)去基礎(chǔ)科學(xué)并不成熟的時(shí)代，創(chuàng)造更加需求科學(xué)的支撐，畫家達(dá)·芬奇與他的發(fā)明便是如此。

探索與創(chuàng)造

以物理學(xué)為代表的自然科學(xué)的核心是認(rèn)識(shí)這個(gè)世界的運(yùn)行機(jī)制，并盡所能地滿足我們的好奇心，但科學(xué)家對(duì)他們的發(fā)現(xiàn)有什么實(shí)際應(yīng)用價(jià)值卻并不一定十分關(guān)心。而以工程學(xué)為代表的技術(shù)則是把各種已知的科學(xué)規(guī)律加以應(yīng)用，通過(guò)各種發(fā)明創(chuàng)造來(lái)使人們的生活更加便捷。因此，牛頓、麥克斯韋、愛(ài)因斯坦、費(fèi)曼等科學(xué)家為我們揭示世界如何運(yùn)轉(zhuǎn)，而愛(ài)迪生和特斯拉等工程師和發(fā)明家則使用科學(xué)知識(shí)來(lái)駕馭技術(shù)以解決實(shí)際問(wèn)題。二者相輔相成，相互影響。

而達(dá)·芬奇與他的發(fā)明，更是讓人們意識(shí)到即使是在這位跨界大家那無(wú)遠(yuǎn)弗屆的創(chuàng)造力下，缺乏足夠的科學(xué)支撐，工程學(xué)的步伐同樣無(wú)力邁開。達(dá)·芬奇的發(fā)明大多是超前的，但只有少數(shù)設(shè)計(jì)在當(dāng)時(shí)被建造出來(lái)，而多數(shù)設(shè)計(jì)在當(dāng)時(shí)難以實(shí)現(xiàn)。

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達(dá)·芬奇在其67年的人生中，把旺盛的精力揮灑在了繪畫、建筑、雕塑、音樂(lè)、文學(xué)、地質(zhì)學(xué)、解剖學(xué)、植物學(xué)等領(lǐng)域。在物理方面，達(dá)芬奇重新發(fā)現(xiàn)了液體壓力的概念，提出了連通器原理。在機(jī)械設(shè)計(jì)方面，他設(shè)想了水下呼吸裝置、拉動(dòng)裝置、發(fā)條傳動(dòng)裝置、滾珠裝置、反向螺旋、差動(dòng)螺旋，風(fēng)速計(jì)和陀螺儀等，將無(wú)數(shù)奇思妙想的點(diǎn)子通過(guò)繪畫呈現(xiàn)在世人面前。達(dá)芬奇手稿中約15000頁(yè)的筆記與繪畫全是混合藝術(shù)與科學(xué)所組成的紀(jì)錄。那些在當(dāng)時(shí)稱得上極具巧思的發(fā)明，令人驚嘆。但這些構(gòu)想大部分并沒(méi)有得到實(shí)踐檢驗(yàn)。

超前發(fā)明與科學(xué)限制

在達(dá)·芬奇的這些發(fā)明中，直升機(jī)是最具代表的一個(gè)。15世紀(jì)，人們連方有引力定律都還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)，熱力學(xué)也沒(méi)有誕生，動(dòng)力裝置既不是蒸汽機(jī)，更不是內(nèi)燃機(jī)，但達(dá)·芬奇的腦洞已經(jīng)帶著他的思想脫離了馬車和步行的世界。雖然被后世稱為“直升機(jī)”，但他設(shè)計(jì)的這種飛行裝置跟我們大多數(shù)印象中的直升機(jī)有著很大區(qū)別。達(dá)·芬奇認(rèn)為只要用亞麻布做的槳葉轉(zhuǎn)動(dòng)得足夠快便能使他的直升機(jī)升空，但并沒(méi)有實(shí)驗(yàn)成功的記載。從他的手稿中我們看到，這種飛行裝置的螺旋形布制槳葉是以人力作為驅(qū)動(dòng)力的，而且也沒(méi)有能夠用于在飛行中控制方向的裝置，這些特點(diǎn)都限制了他設(shè)計(jì)的這種飛行裝置在當(dāng)時(shí)的可行性。

對(duì)飛行情有獨(dú)鐘的達(dá)·芬奇還設(shè)計(jì)過(guò)另一種飛行器。這種飛行器跟我們現(xiàn)在的飛機(jī)有些神似，但它的特點(diǎn)是機(jī)翼不固定，而是像鳥的翅膀那樣通過(guò)扇動(dòng)來(lái)提供飛行動(dòng)力，因此被稱為撲翼機(jī)（ornithopter）。從手稿圖中可以看出他設(shè)想的這種撲翼機(jī)跟他的直升機(jī)一樣，也是以人力作為驅(qū)動(dòng)力。歷史上最早的真正能夠飛行的撲翼機(jī)誕生于19世紀(jì)70年代的法國(guó)，不過(guò)它們是由橡皮筋作驅(qū)動(dòng)力的模型。即使到了21世紀(jì)的今天，撲翼機(jī)仍然是一個(gè)令很多發(fā)明家感興趣的飛行方案。比如2013年，科技公司Festo研制出的一款既能模擬鳥類飛行，也能逼真撲動(dòng)翅膀的機(jī)器鳥smartbird，就是撲翼機(jī)的典型代表。

邁入發(fā)明時(shí)代

達(dá)·芬奇筆記中記載的發(fā)明遠(yuǎn)不止這些，機(jī)關(guān)槍、坦克、潛水艇等超時(shí)代的創(chuàng)意都出現(xiàn)在了這個(gè)缺少科學(xué)發(fā)現(xiàn)的時(shí)期。由于經(jīng)典力學(xué)、熱力學(xué)、流體力學(xué)、電磁學(xué)等重要學(xué)科研究的限制，缺少對(duì)自然規(guī)律的洞見(jiàn)，再加上數(shù)學(xué)工具的落后，達(dá)·芬奇很難給自己的發(fā)明做出精確的定量描述，也就無(wú)法從理論上論證這些腦洞的操作性，更談不上比較不同方案之間的優(yōu)劣。

在沒(méi)有流體力學(xué)的相關(guān)知識(shí)的情況下，達(dá)芬奇只能畫出飛行器機(jī)翼的大致形狀，但無(wú)法確定具體哪種形狀的機(jī)翼能夠?yàn)檫@個(gè)裝置提供最大的升力，也無(wú)法知道如何才能在飛行中減少不必要的空氣阻力。這也是達(dá)·芬奇的許多創(chuàng)意在很多很多年以后才被重新發(fā)明和實(shí)現(xiàn)的原因之一。

隨著大部分基礎(chǔ)科學(xué)定律的發(fā)現(xiàn)，科學(xué)活動(dòng)也逐漸從基礎(chǔ)科學(xué)向應(yīng)用科學(xué)轉(zhuǎn)移，但自然規(guī)律與新的發(fā)明是相互推動(dòng)、相互促進(jìn)的。我們永遠(yuǎn)需要各個(gè)領(lǐng)域的科學(xué)支撐去創(chuàng)造出更多新的發(fā)明，才能為人類的未來(lái)創(chuàng)造無(wú)限的可能。