達芬奇從不讓研究者失望：文藝復興時期的流體實驗模型
導語：在達芬奇逝世500週年之際，牛津大學的馬丁·坎普教授重新審視了這位文藝復興巨匠提出的關於水與血液運動的創新實驗模型。
這幅《紊動水體的研究》體現了達芬奇對渦運動的理解。| 來源：Leonardo da Vinci， Studies of Turbulent Water， Royal Collection Trust/© Her Majesty Queen Elizabeth II 2019
相關圖書
《達芬奇的萊斯特手稿：新版》（第一卷）
（ Leonardo da Vinci’s Codex Leicester: A New Edition (Volume 1))
作者：
多米尼哥·羅倫佐、馬丁·坎普
出版社：
牛津大學出版社（2019年）
列奧納多·達·芬奇（1452–1519）是一個超越時代的人——這句話我們聽得太多了。但其實在某些關鍵方面，達芬奇恰是屬於他時代的人。他的多才多藝承襲了義大利文藝復興時期藝術和工程兼修的大師們，尤其是菲利波·布魯內萊斯基，他既是一位發明家，也是佛羅倫薩大教堂巨型穹頂的建築師，並在15世紀早期就提出了繪畫中的線性透視學。達芬奇的物理學研究早在牛頓之前就繼承了中世紀的靜力學和動力學理論。他的解剖學成果則融合了中世紀生理學與古羅馬醫生蓋倫的功能和形態學分析。
更恰當地說，達芬奇的創新成就表明，在他所處時代的科學環境中，他比前人和同輩取得了更多的成就。
在達芬奇的眾多創新中，最顯著的莫過於他在X射線出現前，對各種分析技術的完善或發明。他在手稿中用透視法描繪物體，在光與影中系統性地模擬固體形態，從不同截面揭示它們的內在結構，用透明法表現物體的基本特質，為人體和機器部件畫出形態和結構的“分解”圖，發明能揭示人體和機械系統功能的圖示法，提出能揭示事物運作機制的思維實驗。以上技巧在達芬奇的科學和技術工作中運用得淋漓盡致。
流體運動
達芬奇研究並描繪過各種現象，包括流體的行為。《達芬奇的萊斯特手稿》共計四卷，是這本在1508年之後完成的72頁科學筆記的最新版本。
書中，科學歷史學家多米尼哥·羅倫佐和我將告訴讀者如何從這個“世界機體”的特定古代歷史背景出發，理解達芬奇對流體動力學的開創性認識。
手稿的外頁講述了達芬奇關於太陽光線如何傳播到地球和月球的理論，包括來自洋麵的真實或假定的反射。除此之外，大部分手稿主要都是關於水的運動，包括海洋、河流、運河（以水脈的形式），地表水和地下水。達芬奇的思維方式反映了微觀和宏觀的概念：他把人體看作一個折射真實世界形態和功能的“小世界”（lesser world）。
早期的知識權威，如公元2世紀的羅馬天文學家和地理學家託密勒，認為地球經歷的是相對區域性的變化，而達芬奇則認為地球曾發生過翻天覆地的變化。在達芬奇的地質學理論中，地殼塌陷極大地改變了地球與水的關係。隨著重力中心的轉移，部分地殼被擠出，形成陸地和山脈。
左：達芬奇為研究水波和水流而設計的實驗水槽的手稿。右：達芬奇對心臟瓣膜中旋渦理論的研究草圖。| 來源：（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
羅倫佐和我在書中寫道，達芬奇最具開創性的研究是利用獨創的物理模型開展所謂的“實驗室實驗”。達芬奇對水體行為的透徹分析將有關運動的數學理論與敏銳的觀察相結合。手稿中記錄的實驗設計專門用來研究風如何導致波的形成，以及水流和渦如何在水面下展現出如此複雜的運動。達芬奇在9v頁（在達芬奇的手稿中，r指頁面正面，v指反面）邊上的兩幅小型繪畫中描繪了一種實驗水槽。上方的圖被標記為“experiential”（經驗或實驗的意思）。隨附的說明寫道，“搞一個陶製水槽，底部要大而平整，長116釐米寬29釐米；由陶瓷家在此製作。”另外他還寫道，水槽側面應用玻璃打造；他會向其中注入水和糜稷種子，用這些種子追蹤渦的運動。
瓣膜與渦
達芬奇給自己定的一個任務是觀察當氣流從水面上方一端的一個矩形孔吹入時，水槽底部的可移動物體會如何運動。他認為物體會沿著與氣流相反的方向運動。
這些實驗設計彰顯出達芬奇對湍流的深入研究，這些認識並非來自對自然界的觀察，而是來自於對渦運動實驗的觀察。
這些記錄如今儲存在英國溫莎城堡的皇家圖書館。透過研究水和水下空氣運動的複合作用，達芬奇完成了一次了不起的綜合研究。
不止如此，達芬奇在15r頁中提出，在兩條河流的交匯處，“可以用簡單的沙子實驗……演示河床發生的變化。”在《大西洋手稿》中，關於水與沙床相互作用的實驗模擬被描述得更加複雜，這份手稿現藏於義大利米蘭的昂布羅修圖書館。在227v頁，達芬奇提出建立一個地中海海灣和海洋的等比例實驗模型（la sperienza nelle minute dimostrazione），並在模型中納入主要河流，用來驗證他對古代地質過程的重建是否正確。他還推斷直布羅陀海峽會越來越寬，地中海會因此成為一條巨大無比的河流，成為尼羅河的延伸段。
Morteza Gharib根據達芬奇的設計而構建的模型，它展示了能讓心臟主動脈瓣關閉的渦。| 來源：Mory Gharib、Arash Kheradvar
達芬奇對人體中血液運動的研究也使用了類似的實驗建模方法。他對心臟的被動三尖主動脈瓣特別感興趣，並意識到這種瓣膜必須由血液運動來控制。達芬奇認為渦流會向後卷衝，並充填主動脈頸處燒瓶狀收縮的尖頭。為了證明他的理論，他提出製作一個主動脈頸形狀的陶製模具，並在這個模型中吹制一個玻璃容器。這樣就能（再次透過糜稷種子的幫助）見證水的流動以及尖頭的運動，作為血液運動的“證據”（插圖）。流體動力學專家Morteza Gharib構建了達芬奇的這個模型，並用現代成像技術表明，確實存在達芬奇認為可以關閉主動脈瓣的渦。
類似這樣的模型在文藝復興早期可以說是前無古人的。從這個層面看，在達芬奇生活的那個年代裡，他確實擁有超前的意識。
常有人說，達芬奇的科學研究幾個世紀都未經發表或傳播，因此對科學發展沒有起到推動作用。在我們這版《萊斯特手稿》中，羅倫佐指出，從17世紀到19世紀，
達芬奇的這部作品其實在那些改變了地質學領域的人士中流傳過
，包括火山學家、英國駐那不勒斯大使（1764-1800）威廉·漢密爾頓。手稿的手抄副本也在現代地質學的發展重地得到了廣泛的傳播，如倫敦、羅馬、佛羅倫薩、那不勒斯、巴黎和魏瑪。
達芬奇從不讓他的研究者失望。
原文發表在2019年8月16日的《自然》書籍與藝術上，
原作者：Martin Kemp
© nature
Nature|doi:10.1038/d41586-019-02144-z
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