不做空想發明家

盧健龍

蒸汽機的發明讓人類擺脫了人力和畜力，電力的發明意味著新能源的誕生……當我們在探索大自然的游戲規則時，往往會有人創造性地提出前所未有的工藝或方法，來滿足人們認識世界的客觀需求，從而推動探索的進程。而這些發明創造也需要借助已有的科學發現進行實踐驗證，尤其是在過去基礎科學并不成熟的時代，創造更加需求科學的支撐，畫家達·芬奇與他的發明便是如此。

探索與創造

以物理學為代表的自然科學的核心是認識這個世界的運行機制，并盡所能地滿足我們的好奇心，但科學家對他們的發現有什么實際應用價值卻并不一定十分關心。而以工程學為代表的技術則是把各種已知的科學規律加以應用，通過各種發明創造來使人們的生活更加便捷。因此，牛頓、麥克斯韋、愛因斯坦、費曼等科學家為我們揭示世界如何運轉，而愛迪生和特斯拉等工程師和發明家則使用科學知識來駕馭技術以解決實際問題。二者相輔相成，相互影響。

而達·芬奇與他的發明，更是讓人們意識到即使是在這位跨界大家那無遠弗屆的創造力下，缺乏足夠的科學支撐，工程學的步伐同樣無力邁開。達·芬奇的發明大多是超前的，但只有少數設計在當時被建造出來，而多數設計在當時難以實現。

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達·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、文學、地質學、解剖學、植物學等領域。在物理方面，達芬奇重新發現了液體壓力的概念，提出了連通器原理。在機械設計方面，他設想了水下呼吸裝置、拉動裝置、發條傳動裝置、滾珠裝置、反向螺旋、差動螺旋，風速計和陀螺儀等，將無數奇思妙想的點子通過繪畫呈現在世人面前。達芬奇手稿中約15000頁的筆記與繪畫全是混合藝術與科學所組成的紀錄。那些在當時稱得上極具巧思的發明，令人驚嘆。但這些構想大部分并沒有得到實踐檢驗。

超前發明與科學限制

在達·芬奇的這些發明中，直升機是最具代表的一個。15世紀，人們連方有引力定律都還沒有發現，熱力學也沒有誕生，動力裝置既不是蒸汽機，更不是內燃機，但達·芬奇的腦洞已經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”，但他設計的這種飛行裝置跟我們大多數印象中的直升機有著很大區別。達·芬奇認為只要用亞麻布做的槳葉轉動得足夠快便能使他的直升機升空，但并沒有實驗成功的記載。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動力的，而且也沒有能夠用于在飛行中控制方向的裝置，這些特點都限制了他設計的這種飛行裝置在當時的可行性。

對飛行情有獨鐘的達·芬奇還設計過另一種飛行器。這種飛行器跟我們現在的飛機有些神似，但它的特點是機翼不固定，而是像鳥的翅膀那樣通過扇動來提供飛行動力，因此被稱為撲翼機（ornithopter）。從手稿圖中可以看出他設想的這種撲翼機跟他的直升機一樣，也是以人力作為驅動力。歷史上最早的真正能夠飛行的撲翼機誕生于19世紀70年代的法國，不過它們是由橡皮筋作驅動力的模型。即使到了21世紀的今天，撲翼機仍然是一個令很多發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，也能逼真撲動翅膀的機器鳥smartbird，就是撲翼機的典型代表。

邁入發明時代

達·芬奇筆記中記載的發明遠不止這些，機關槍、坦克、潛水艇等超時代的創意都出現在了這個缺少科學發現的時期。由于經典力學、熱力學、流體力學、電磁學等重要學科研究的限制，缺少對自然規律的洞見，再加上數學工具的落后，達·芬奇很難給自己的發明做出精確的定量描述，也就無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劣。

在沒有流體力學的相關知識的情況下，達芬奇只能畫出飛行器機翼的大致形狀，但無法確定具體哪種形狀的機翼能夠為這個裝置提供最大的升力，也無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·芬奇的許多創意在很多很多年以后才被重新發明和實現的原因之一。

隨著大部分基礎科學定律的發現，科學活動也逐漸從基礎科學向應用科學轉移，但自然規律與新的發明是相互推動、相互促進的。我們永遠需要各個領域的科學支撐去創造出更多新的發明，才能為人類的未來創造無限的可能。