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为什么飞机在天空中不会掉下来?波音、空中客车以及几乎每本教科书的有关论述——这是因为机翼“峰”上的空气行进得比较快,从而产生了升力。但是,费米实验室的物理学家大卫 · 安德森确信他们都错了:忘掉这幻想的流体动力学吧!你所需要的只是牛顿的运动三定律。在探求真理的过程中安德森学会了飞行,并且已经同别人合写了《理解飞行》一书,宣称要把事实真相搞清楚。那么,是不是飞行员和工程师必须接受再培训?明天的航空器是不是会有什么不同?以下是美国科普作家黛安妮 · 马丁代尔与安德森就飞行问题进行的一次对话。

马丁代尔:是什么激发你写这本书?

安德森:我花了25年时间去演算证明我过去被传授的学理是错误的。在我论证完成以后,我一直面对着流行的神话。因此,我和斯科特 · 埃伯哈特合写了《理解飞行》一书,从逻辑上给予打击。对飞行的标准解释绝大多数是神话,它是错误的。但是它存在着,以至你在国家航空航天局的网站和物理学书籍上都能看到它。

马丁代尔:那么你的解释的要点是什么?

安德森:说来很简单,升力是一种反作用力。机翼把空气向下压,而空气反过来推动机翼向上。它基于牛顿的运动定律。我们的书里丢掉了所有的神话,用物理学作出解释。在航空学教科书里,他们挤掉了所有的果汁,给你果肉。我们把果汁复原,没有果肉。

马丁代尔:好极了。那么,原来对飞行的标准解释是什么?

安德森:原来的标准解释是基于伯努利定理,并且如下表述的:当飞机飞行时,机翼顶部曲形面上的空气流动得比较快。这是因为那里有一个峰,机翼上的空气必须比机翼底下流动的空气走得远些。伯努利定理指出:任何流体移动得越快,它所产生的压力越小。因此,机翼上的空气所产生的压力比机翼下的空气小。这就把机翼向上举了。

马丁代尔:可是你说这些都是错......

安德森:这里有两个主要问题。首先,伯努利定律的解释集中注意于机翼的形状,但这对决定上升是意义最小的部分。如果机翼的形状决定上升,你就绝不可能颠倒飞行。其次,伯努利定理的解释并没有告诉你为什么机翼顶端的空气行进得比较快。如果空气行进得比较快,这里一定涉及一种力。要说明那种力,你需要乞灵于牛顿的运动定律,而不是伯努利定理。

马丁代尔:当你几十年前在华盛顿大学求学时,你学的是伯努利定理。你是否对那个解释提出过挑战?

安德森:不。虽然它看起来并不正确,我也从未接受过伯努利定理的解释。我的专业是物理,我曾经在洛斯阿拉莫斯、欧洲原子核研究组织和费米实验室工作过,大都从事高能物理仪器的设计。我是一个发明者,我的一项才能是视觉的洞察力。因此,当人们告诉我机翼怎么会飞时,我不能预见它。当我获得硕士学位时,升力是少数几种我所不能理解的事物之一,尽管我已经通过所有的测试,并且作过所有的运算。我仍然需要知道机翼是怎么会飞起来的。

马丁代尔:航空器工程师们同意伯努利定理和牛顿第三定律都有助于解释上升。为什么不可能这两种解释都是正确的?

安德森:它们是两种完全不同的解释。伯努利定理的解释来自航空学,航空工程师用计算机模拟来计算机翼的上升,这种计算告诉他们空气怎样环绕着机翼行进。他们然后用伯努利定理去计算机翼顶部和底部所受压力的不同,这给了他们一个升力的值,那些都是真实的。但那是数学,它不是一个物理的描述。伯努利定理在计算上是有用的,但它没有解释上升。

马丁代尔:赖特兄弟是怎么一回事呢,他们不是运用了伯努利定理吗?

安德森:不。如果他们这么做的话,他们的机翼就决不会像后来那样。他们只是经过试验和失误才做成了它。

马丁代尔:但是,当他们在试飞的时候,不是多次变动了飞机上“峰”的弯曲度,直到获得了所要求的升力吗?

安德森:对,但是假如你察看一下,他们的机翼是没有底部的。赖特兄弟早期的飞机和寇的斯的飞行器只是弯曲的板。他们像许多航空工程师一样工作,全是做试验。你会惊讶他们在设计一架飞机时注入的经验是那么多,而所作的计算是那么少。需要处理的大都是有关力和重量,以及往哪里安放燃料箱的问题。机翼的形状往往是一种折中方案。

马丁代尔:如果每个人都同意牛顿定律是升力的唯一解释,那将会怎样?航空器的设计方法会因此改变吗?

安德森:不会的。如果我需要设计一个机翼,我仍然会雇用一位航空工程师。他们在作计算时,不需要理解升力。飞行员在飞行中也不需要。

马丁代尔:如果这一解释对航空器的设计或飞行员的工作不会造成什么差异,那么,你究竟是对是错又有什么关系呢?

安德森:这就好像问“是否真理究竟有什么关系”一样。伯努利定理的解释是错误的,它妨碍了你,使你不能理解飞行现象。许多解释说,机翼把它自己举起,并没有作什么功,就像你依靠自身的力使自己升起一样。这里牵涉到许多行话,但是伯努利的追随者相信上升是不需要作功的。我的解释胜似一个好听的故事,它使你停下来思考。

马丁代尔:引发一种不正确的观念究竟是谁的错?是教科书吗?

安德森:对,大部分是这样。约翰D · 安德森的《飞行导论》(McGraw Hill,1978)是一本经典的专著,然而它并没有解释机翼为什么飞行。他说这是因为机翼顶部上方的空气行进得比较快,但他没有解释为什么。有些书在这个问题上说对了,但他们随即又把后面的结尾掩盖起来,说这是和伯努利定理一致的。他们害怕说出皇帝其实没有穿衣服,这是一种教条。它对有些人来说像宗教教义,而那些懂得足够多的人将是有危险的。

马丁代尔:你是不是稍微有点反应过度了?学校的物理教科书里没有写到量子力学,但那并不意味物理学教授只相信经典力学。

安德森:这是事实,但他们并没有讲授错误的量子力学。不讲授某个内容是一回事,讲错了是另一回事。伯努利定理的好处是很简单,能使人们得到满足。我可以在3分钟内讲授伯努利定理的解释,每个人走时都面带笑容。但那并不是对升力的解释。

马丁代尔:你有没有试图使航空学界相信他们把事情搞错了?

安德森:反应是很好的。两年半以前,我和斯科特 · 埃伯哈特合写了一篇论文,发表在商业杂志《航空运动》上,可说是《理解飞行》的前身。随后,斯科特任教的华盛顿大学航空学系的一位高级成员说,每个航空工程师都应当读这篇论文。我还曾在芝加哥的伊利诺斯州机械学院和美国航空航天局作过讲演,讲完以后他们都同意我是对的。只有一小部分人感到心烦意乱,而其余的人都惊讶他们终于理解了飞行。他们愿意放弃伯努利定理的解释,说:“我想这里有些东西是搞错了。”

马丁代尔:你有一张飞机驾驶执照.....

安德森:我的妻子和我经常驾驶一架Cessna 182小型飞机在新墨西哥州飞行。我学飞行的一部分理由是作试验并把它描述清楚,并在飞行时思考这个问题。学飞行是我生活中一项最大的投资。

马丁代尔:你只是让自己把事实真相搞清吗?例如,当你乘飞机旅行时,你告诉机组人员这个道理吗?

安德森:我并不到处布道。这是一场用不着每次同一名士兵作战的战斗。

马丁代尔:假如伯努利今天还活着,你想你能够使他相信你是对的吗?

安德森:伯努利是个无辜的人。他从未看见过一架飞机。但如果他看到了,他会同意我的。假如我能够同他对话,使他信服不会有什么困难。对工程师和物理学家,只要我能同他们交谈,就不会有问题。我没有见过一个受过良好教育的人不愿接受这一解释。

[New Scientist,2001年5月5日]