达芬奇从不让研究者失望：文艺复兴时期的流体实验模型

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原作者：Martin Kemp

在达芬奇逝世500周年之际，牛津大学的马丁·坎普教授重新审视了这位文艺复兴巨匠提出的关于水与血液运动的创新实验模型。

这幅《紊动水体的研究》体现了达芬奇对涡运动的理解。| 来源：Leonardo da Vinci, Studies of Turbulent Water, Royal Collection Trust/© Her Majesty Queen Elizabeth II 2019

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     《达芬奇的莱斯特手稿：新版》（第一卷）

（ Leonardo da Vinci’s Codex Leicester: A New Edition (Volume 1))

作者：多米尼哥·罗伦佐、马丁·坎普

出版社：牛津大学出版社（2019年）

列奥纳多·达·芬奇（1452–1519）是一个超越时代的人——这句话我们听得太多了。但其实在某些关键方面，达芬奇恰是属于他时代的人。他的多才多艺承袭了意大利文艺复兴时期艺术和工程兼修的大师们，尤其是菲利波·布鲁内莱斯基，他既是一位发明家，也是佛罗伦萨大教堂巨型穹顶的建筑师，并在15世纪早期就提出了绘画中的线性透视学。达芬奇的物理学研究早在牛顿之前就继承了中世纪的静力学和动力学理论。他的解剖学成果则融合了中世纪生理学与古罗马医生盖伦的功能和形态学分析。

更恰当地说，达芬奇的创新成就表明，在他所处时代的科学环境中，他比前人和同辈取得了更多的成就。

在达芬奇的众多创新中，最显著的莫过于他在X射线出现前，对各种分析技术的完善或发明。他在手稿中用透视法描绘物体，在光与影中系统性地模拟固体形态，从不同截面揭示它们的内在结构，用透明法表现物体的基本特质，为人体和机器部件画出形态和结构的“分解”图，发明能揭示人体和机械系统功能的图示法，提出能揭示事物运作机制的思维实验。以上技巧在达芬奇的科学和技术工作中运用得淋漓尽致。

流体运动

达芬奇研究并描绘过各种现象，包括流体的行为。《达芬奇的莱斯特手稿》共计四卷，是这本在1508年之后完成的72页科学笔记的最新版本。书中，科学历史学家多米尼哥·罗伦佐和我将告诉读者如何从这个“世界机体”的特定古代历史背景出发，理解达芬奇对流体动力学的开创性认识。

手稿的外页讲述了达芬奇关于太阳光线如何传播到地球和月球的理论，包括来自洋面的真实或假定的反射。除此之外，大部分手稿主要都是关于水的运动，包括海洋、河流、运河（以水脉的形式），地表水和地下水。达芬奇的思维方式反映了微观和宏观的概念：他把人体看作一个折射真实世界形态和功能的“小世界”（lesser world）。

早期的知识权威，如公元2世纪的罗马天文学家和地理学家托密勒，认为地球经历的是相对局部的变化，而达芬奇则认为地球曾发生过翻天覆地的变化。在达芬奇的地质学理论中，地壳塌陷极大地改变了地球与水的关系。随着重力中心的转移，部分地壳被挤出，形成陆地和山脉。

左：达芬奇为研究水波和水流而设计的实验水槽的手稿。右：达芬奇对心脏瓣膜中旋涡理论的研究草图。| 来源：（左）Collection of Bill Gates, Seattle/Photo © Bill Gates；（右）Leonardo da Vinci, Studies of Blood in an Aortic Valve and a Glass Model of the Neck of an Aorta, Windsor Castle, Royal Collection Trust/© Her Majesty Queen Elizabeth II 2019

罗伦佐和我在书中写道，达芬奇最具开创性的研究是利用独创的物理模型开展所谓的“实验室实验”。达芬奇对水体行为的透彻分析将有关运动的数学理论与敏锐的观察相结合。手稿中记录的实验设计专门用来研究风如何导致波的形成，以及水流和涡如何在水面下展现出如此复杂的运动。达芬奇在9v页（在达芬奇的手稿中，r指页面正面，v指反面）边上的两幅小型绘画中描绘了一种实验水槽。上方的图被标记为“experiential”（经验或实验的意思）。随附的说明写道，“搞一个陶制水槽，底部要大而平整，长116厘米宽29厘米；由陶瓷家在此制作。”另外他还写道，水槽侧面应用玻璃打造；他会向其中注入水和糜稷种子，用这些种子追踪涡的运动。

瓣膜与涡

达芬奇给自己定的一个任务是观察当气流从水面上方一端的一个矩形孔吹入时，水槽底部的可移动物体会如何运动。他认为物体会沿着与气流相反的方向运动。

这些实验设计彰显出达芬奇对湍流的深入研究，这些认识并非来自对自然界的观察，而是来自于对涡运动实验的观察。这些记录如今保存在英国温莎城堡的皇家图书馆。通过研究水和水下空气运动的复合作用，达芬奇完成了一次了不起的综合研究。

不止如此，达芬奇在15r页中提出，在两条河流的交汇处，“可以用简单的沙子实验……演示河床发生的变化。”在《大西洋手稿》中，关于水与沙床相互作用的实验模拟被描述得更加复杂，这份手稿现藏于意大利米兰的昂布罗修图书馆。在227v页，达芬奇提出建立一个地中海海湾和海洋的等比例实验模型（la sperienza nelle minute dimostrazione），并在模型中纳入主要河流，用来验证他对古代地质过程的重建是否正确。他还推断直布罗陀海峡会越来越宽，地中海会因此成为一条巨大无比的河流，成为尼罗河的延伸段。

Morteza Gharib根据达芬奇的设计而构建的模型，它展示了能让心脏主动脉瓣关闭的涡。| 来源：Mory Gharib、Arash Kheradvar

达芬奇对人体中血液运动的研究也使用了类似的实验建模方法。他对心脏的被动三尖主动脉瓣特别感兴趣，并意识到这种瓣膜必须由血液运动来控制。达芬奇认为涡流会向后卷冲，并充填主动脉颈处烧瓶状收缩的尖头。为了证明他的理论，他提出制作一个主动脉颈形状的陶制模具，并在这个模型中吹制一个玻璃容器。这样就能（再次通过糜稷种子的帮助）见证水的流动以及尖头的运动，作为血液运动的“证据”（插图）。流体动力学专家Morteza Gharib构建了达芬奇的这个模型，并用现代成像技术表明，确实存在达芬奇认为可以关闭主动脉瓣的涡。

类似这样的模型在文艺复兴早期可以说是前无古人的。从这个层面看，在达芬奇生活的那个年代里，他确实拥有超前的意识。

常有人说，达芬奇的科学研究几个世纪都未经发表或传播，因此对科学发展没有起到推动作用。在我们这版《莱斯特手稿》中，罗伦佐指出，从17世纪到19世纪，达芬奇的这部作品其实在那些改变了地质学领域的人士中流传过，包括火山学家、英国驻那不勒斯大使（1764-1800）威廉·汉密尔顿。手稿的手抄副本也在现代地质学的发展重地得到了广泛的传播，如伦敦、罗马、佛罗伦萨、那不勒斯、巴黎和魏玛。

达芬奇从不让他的研究者失望。

原文以 Leonardo da Vinci’s laboratory: studies in flow为标题发表在2019年8月16日的《自然》书籍与艺术上

© nature

Nature|doi:10.1038/d41586-019-02144-z

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