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达芬奇的科学密码

莱奥纳多·达·芬奇在五百年前发明了潜艇,滑翔机和坦克。然后……一六二零年制造出第一艘潜艇;一八九一年第一具载人滑翔机飞上天空:一九一零年代,第一批坦克投入使用。

确实如此。达·芬奇的发明大多已经遗失,而不得不在几百年以后从头再来,这是因为达·芬奇是一个文艺复兴人。在文艺复兴时期,充满奇妙创意的古希腊手稿都被带到意大利,所有人都兴奋不已,一夜之间,他们都投身于各种艺术,以及有点古怪的科学之中。要成为一位文艺复兴人,你得涉足所有学科——因此,在理想的情况下,人们并不特别精通于科学,写作或者花式游泳——他们得精通所有一切。

精通一切是个很不错的计划,就是难度太大,但是达芬奇还是能设法搞定。实际上几乎可以说他就是一个文艺复兴人:他是至今为止最伟大的画家之一——他能够绘制地图;他会雕刻;他观察天象;他用自己发明并制造的乐器谱曲演奏:他研究岩石:他设计建筑——甚至规划城镇;他描绘植物和化石;他剖开人体而没有让他滴出一滴血……(没关系,只不过是尸体。但也很了不起,因为他在尸体的心脏和大脑注入蜡液,因此能够制作出好看的人体标本)。

·芬奇还相当英俊、好动、视力极佳,而且身强力壮——据说他会单手将马蹄铁折断。他心地也十分善良,是个素食者,会买下笼中的鸟儿然后将它放生。

当然,他还是一位发明家。作为一位文艺复兴人,这意味着达·芬奇十分忙碌。他做了大量的笔记,全是些令人啧啧称奇的创意和伶俐巧妙的图解,但他从来没有时间将它们整理出来发表。而且,他有点担心人们会窃取他的创意,或者利用它们来互相残杀。另外,他总是不断地在旅行,所以在他活着的时候,他的很多发明只有他自个儿知道。在他死后,他的档案也就散落在世界各个角落,大多数落在艺术家们手里,于是他更具科学性的作品就没能受到重视。至今这种情况仍在继续有关达·芬奇的书籍都倾向于只介绍他的艺术才华。

传奇开始

公元一四五二年,达·芬奇诞生于托斯卡纳区的文西村附近。我们不太了解他的早期生活,但我们知道他在一个激动人心而又动荡不安的年代长大。当时意大利被分为五个地区,每一个地区有一个大城市管辖:罗马、佛洛伦萨、米兰、威尼斯和那不勒斯。这些地区大都是由残忍的家族统治——·芬奇为其中两个家族工作,分别是柏格斯以及梅迪西斯。尽管他们基本上都很可怕,但却喜欢艺术。另外,每个家族之间总是频频争斗,与土耳其、法国也是彼此战斗频繁,因此他们喜欢艺术家,也喜欢制造武器的人。达·芬奇两样都行,所以他们更是十分喜欢他。

在一开始,达·芬奇在艺术方面要比在科学方面更为投入。一四六九年,他被带到著名艺术家维洛奇欧的工作室。据说达·芬奇帮助这位大师画了一幅肖像画的头部,令维洛奇欧惭愧得几乎想退休。还有一次,他画了一只怪物,挂在一个黑漆漆的房间里,并用一束光照着它,结果把他的父亲吓了个半死。

·芬奇是名同性恋者,在当时那个时代,同性恋还被视作是一种罪恶,甚至会执行火刑处死。他在一四七六年被匿名控告为同性恋者,尽管后来罪名没有成立,这也成为不久之后他离开佛洛伦萨前往米兰的原因之一。(后来被证明是同性恋者的还有米开朗基罗·博那罗蒂和拉斐尔·桑齐奥,他们被后世尊为文艺复兴时期的艺术三杰。)

这个时期,他已经对科学和工程产生了与艺术同等的兴趣,于是他写了一封信给米兰的统治者鲁德维克斯·佛查,列举自己能做出来的所有奇迹似的发明,那些发明能够帮助他打赢所有将开始的战争——譬如固若金汤的桥梁和投掷石块的机器,他提到了他还会一点画画,所以毫无疑问他被接受了。在一四八二年,路德维克雇用他来……弹竖琴。幸运的是,他竖琴弹得同样好

成为一名竖琴家并不妨碍达·芬奇从事发明,他平静的生活也没能阻止他构思众多战争武器。这些发明并没有制造出来,即便是有,也极少,更别说是被使用了——有些过于昂贵,有些过于先进,还有些则过于古怪。坦克就实在有点古怪——他的轮子朝反方向转动。可能达·芬奇想给偷窃他构想的人制造一个陷阱,可能它只不过是一个错误,或者它根本就是一个玩笑。

值得一提的是:在达·芬奇所有的笔记中,字母都是反过来写的(别人要借助镜子才能读出他写的东西)。一些人说这是他保护自己创意的一种手段,还有人说这是因为他是个左撇子。

征服天空

在一开始,达·芬奇的发明只不过是脑袋中的构想,他并没有考虑许多细节——他还没费什么心思想过这背后的科学问题。但从一四八零年开始,他以解剖尸体(特别是动物的尸体)来探索物体表面之下的道理。另一个让他痴迷的构想征服天空也就是在此时诞生的。

·芬奇的降落伞和他的很多发明一样,是个伟大的构想,而且它被真正展示过如何运作。(尽管它需要一点改善,才能正确运作——降落伞需要在顶部开一个洞,否则它会在降落的时候剧烈晃动。

·芬奇的直升机设计是他为数不多的真正有影响力的发明之一:尽管被遗忘了好几个世纪,但它的确激发了伊果西科斯基的灵感,后者在一九四零年代制造了第一架成功的直升机。但它并不是第一个直升机设计——早在一三二五年,就存在一些类似的小玩具了,尽管它们的设计是基于风车原理。这些小玩具并不像达·芬奇设计的那样自身具备动力,这就意味着,如果达·芬奇制造出一个能运作的模型——他似乎的确制造了一个——那么,它就会成为世界上第一架有动力的飞行器。但是,和降落伞一样,用它来飞行并不是什么好玩的事;基座会朝着螺旋桨相反的方向旋转。(现代直升机如果尾部没有一个辅助推进器的话,也会发生相同的情况。)

·芬奇只画了一个直升飞机草图和一个降落伞草图,但他却画了很多其他飞行器的草图——大多数都和他研究的鸟一样有着能拍打的翅膀。在达·芬奇进行发明的大多数时间里,他还是比较科学的,但当他在思考飞行的时候,他总是会有那么一点天马行空,因此他的一些发明并不怎么符合现实:比如说用翅膀替代划桨的飞行器。这个飞行器需要的所有零件,重量加起来估计有三百公斤,而这都得靠一个人力转动手轮和踏动脚板来离开地面,看来速度得非常非常快才行。

遗憾的是,达·芬奇的飞行器没有什么机会运作,尤其是因为它所能攫得都是些笨重的材料。达·芬奇的主要问题是(这个问题同样影响着他其他很多的发明)当时没有任何轻巧的动力来源一没有发电机,没有汽油引擎,没有燃料电池。他所能拥有的只有人类的肌肉,马的力量,以及非常原始的蒸汽动力。他曾在其他一些发明中使用过河水的动力,可是河水不太适合于飞行,马匹也不太合适(它老是吃掉放在艙室里的杂志)。

·芬奇还是想出了一个驱动飞行器的方法一尽管有点古怪。这个方法是飞行员转动一个手轮——把很有力量的弓弯曲,就像一把十字弩那样。当松开弓的时候它就会带动翅膀,使它们进行短暂的拍打。然后机器就会坠落,除非飞行员能够迅速地再一次拉进那把弓(而且不断重复)。

·芬奇飞行器的另一个问题是,尽管他做过很多对于鸟的研究,他还是误解了它们飞行的基本原理——他以为鸟是因为上下拍动翅膀才能够飞行,就好像一个人在做扩胸运动那样。但实际上并非如此。因此,即使他能够获得很好的动力来源,他的翅膀拍打式飞行器也无法飞上天空。

出走

·芬奇可能在米兰待了好几年,很开心地设计武器和飞行器,直到一四九九年法国入侵。于是他逃到威尼斯,但那儿的情况也好不到哪儿去——他们正准备对付土耳其的一次进攻。

这些海军计划对达·芬奇来说有着与飞行器相同的吸引力,因为他迷恋水不亚于迷恋飞行。尽管这些发明没有一个付诸实施,但达·芬奇不久就被威尼斯的老大——凯撒雇用为一名全职的工程师,随他到处旅行。尽管那些年代里不乏残酷的统治者,凯撒仍然是其中特别残酷的一个。达·芬奇在一段时间里故意视而不见,但有一次,凯撒假装原谅了一些试图谋害他的人,并邀请他们共进午餐,结果却将他们处以绞刑。对这种情况,达·芬奇实在是忍受不下去了。他回到佛洛伦萨,并帮助佛洛伦萨军队攻击比萨,他计划用一条运河截流亚诺河以断掉比萨的水源。对比萨来说很幸运的是,运河堤坝破裂,河水又回到了原来的路线。

文艺复兴还有那么一点现代化

大约在一五三年,达·芬奇完成了至今最著名的一幅油画——《蒙娜丽莎》。

四年之后,他再一次动身启程,这一次是回到米兰。他受到法国国王路易十二的邀请,当时米兰在路易十二的统治之下。但他仍痴迷于分析和发明东西,正如他所说:

尽管人类才华创造了无数发明,并制造出各种机器,但没有一种发明能比自然的创造更加美丽,更加合理或者更加直接。因为在它的作品中。没有一丝缺憾,没有一点多余。

于是他开始解剖人体,研究人类与机器之间类似的特性。心脏是一个特别讨厌的问题:一旦从人体取出,它就会萎缩成一滩糊状。于是达·芬奇将蜡液注入尸体的心脏,并用模具做成石膏模型。他画了一些令人贊叹的关于心脏的图,但是始终没有弄清楚它究竟是什么东西——一个保持血液循环的水泵。

和往常一样,战争中断了达·芬奇的工作,而且当一五一二年法国人被赶出米兰时,他意识到他又得搬家了。这一次是前往罗马,他在那里为新的主教梅第西工作,后来主教还给他一间工作室和一些助手。但他与他们相处得并不好——他认为他们在偷取他的创意。他们还杀死小鸟,这一点铁定会惹他不高兴。但是在那段时间,他还是发明出了一些东西:其中一个构思巧妙的螺纹切削机,在接下来的四百年中一直有人使用。他还建造了一个自动称重机,一支新型水钟,以及一个测量温度的仪器都很前卫。和所有的发明一样,如果当时人们并不特别需要它们,它们都无法获得成功。等到一个的确需要它们的年代,它们却早已被遗忘,于是只能从头再发明一次。但是如果事情有那么一点不一样,十六世纪就可能变得更为现代化,而且谁知道二十一世纪会变成什么样!

还好,达·芬奇并不过于看重这些事情——实际上,他还有点喜欢恶作剧。当他被雇来发明杀人机器的时候,他没什么机会自娱自乐。但当环境变得和平多了的时候,他就可以做点有意思的事情:譬如邀请朋友来玩,然后用风箱给公牛的肠子充气,直到充气的肠子沾满整个房间。

还有一套能够自己站起和坐下的铠甲(这被认为是现代机器人的雏形),这肯定在当时吓倒了不少人。

在他生命的最后阶段,他在飞行方面取得了真正的突破:发明悬睦式滑翔机,它是可以真正运作的,因为它不需要动力。但此时他已经太老了,没有精力去制作这种滑翔机。他死于一五一九年,享年六十七岁。他的创意和发明原本可以改变整个世界,但在科学界。他几乎所有的作品都整整失落了二百年,目前,有三分之二仍然下落不明。

莱奥纳多··芬奇的天才造诣

在文艺复兴早期,人们还沉迷于人类过去创造的艺术以及尊崇的价值观,而达·芬奇率先反对经院哲学家们把死板的教义当成解释一切的法典。他鼓励人们向大自然学习,到自然界中寻求知识和真理,并提出知识起源于生活。这个认识后来得到了伽利略的发展,并由英国哲学家弗兰西斯·培根从理论上加以总结,成为近代自然科学的最基本方法。达·芬奇的实验工作方法更为后来哥白尼、伽利略、开普勒、牛顿等人的发明创造开辟了道路。以下便是迭·芬奇的天才造诣:

天文:·芬奇对传统的地球中心说持否定的观点。他认为地球不是太阳系的中心,更不是宇宙的中心,而只是一颗绕太阳运转的行星,太阳本身是不运动的。达·芬奇还认为月亮自身并不发光,他只是反射太阳的光辉。他的这些观点的提出早于哥白尼太阳中心说,甚至在当时,达·芬奇就幻想利用太阳能了。

物理:·芬奇重新发现了液体压力的概念,提出了连通器原理。他指出:在连通器内,同一液体的波面高度是相同的,不同液体的液面高度不同,液体的高度与密度成反比。他发现了惯性原理,后来为伽利略的实验所证明。他认为,一个抛射体最初是沿倾斜的直线上升,在引力和冲力的混合作用下作曲线位移,最后冲力耗尽,在引力的作用下作垂直下落运动。他的这一发现使亚里士多德的落体学说产生了动摇。他发展了杠杆原理,除推导出作用力与臂长关系外,还算出了速度与臂长的关系。他指出了永动机作为能源的不可能性。达·芬奇还预示了物质的原子原理,形象生动地描述了原子能的威力:那东西将从地底下爆起,……使人在无声的气息中突然死去,城堡也遭到彻底毁坏,看起来在空中似乎有破坏力。

医学:·芬奇在解剖学和生理学上也取得了巨大的成就,被认为是近代生理解剖学的始祖。他是设想用玻璃和陶瓷制作心脏和眼睛的第一人。他发现了血液的功能,认为血液对人体起着新陈代谢的作用。他说血液不断地改造全身,把养料带到身体需要的各个部分,再把体内废物带走。达·芬奇研究过心脏。他发现心脏有四个腔,并画出了心脏瓣膜。2005年,一名英国外科医生还利用达·芬奇设计的方法做心脏修复手术。不过,解剖学的研究在当时并没有给达·芬奇带来声誉,而是遭到了无数的诽谤。达·芬奇还提出老年人的死因之一是动脉硬化,而产生动脉硬化的原因是缺乏运动。

建筑:·芬奇设计过桥梁、教堂、圆屋顶建筑和城市下水道。在城市街道设计中,他将车马道和人行道分开;设计城市建筑时,具体规定了房屋的高度和街道的宽度。米兰的护城河就是他设计和建造的。

水利工程:·芬奇对水利学的研究比意大利的学者克斯铁列早一个世纪。为了排除泥沙,他作了疏通亚诺河的施工计划。他设计并亲自主持修建了米兰至帕维亚的运河灌溉工程。其中包括水库、水闸、拦水坝,有些设施至今仍在使用。

军事:·芬奇的研究和发明还涉及到机关枪、手榴弹、坦克车、潜水艇、双层船壳战舰、起重机等等。

地质学:·芬奇根据高山上有海中动物化石的事实推断出地壳有过变动,指出地球上洪水的痕迹是海陆变迁的证明,这个思想与300年后赫顿在地质学方面的发现颇为近似。并且在麦哲伦环球航行之前,他就计算出地球的直径为7000余英里。

机械:·芬奇早就对当时的四轮马车不满。事实上,点燃现代汽车发明灵感之火的正是这辆·芬奇汽车。既然是汽车就要考虑动力问题。达·芬奇在汽车中部安装了两根弹簧以解决这个问题。人力转动车的后轮使得各个齿轮相互咬舍,弹簧绷紧就产生了力,再通过杠杆作用将力传递到轮子上。那么怎么控制车速呢?达·芬奇也想到了。他在车身上安装了一个圆盘装置,圆盘表面设置了很多方形的木块,和每个轮子连接的铁杆另一端与圆盘相接,这就是用于控制车速的装置。圆盘扇放置的木块数量越多,与铁杆之间的摩擦就会越大,阻力也越大,轮子的运转速度越慢,行驶的距离越长。当然,达·芬奇也想到了刹车装置。位于齿轮之间有一个木块,拉动绳索将木块卡在齿轮之间,车就可以停止。不过,这辆汽车不能栽人,因为仅靠弹簧的动力根本无法行驶很长的距离。

其他小玩意:钟表、剪刀、温度计、水下呼吸机、加热机……

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