第一百夜 大东方号二（第2页）

轮船运动的基础科学才开始为人所知并逐渐发展起来。

流体力学首先是由法国工程师克劳德–路易·纳维（Claude-LouisNavier）和爱尔兰数学物理学家乔治·斯托克斯（GeorgeStokes）正式提出的。

被称作“纳维–斯托克斯方程”

的基本方程式来自将牛顿定律应用于液体流动，并扩大到物体在液体中移动的动力学中，如船在水中的运动或飞机在空中的运动。

这或许听起来有些晦涩难懂，你也可能从未听说过纳维–斯托克斯方程，但它在你生命中的方方面面都扮演着重要的角色，而且还将继续如此。

它是设计飞机、汽车、水电站、人工心脏的基础，是了解血液循环系统、河流和供水系统的水文学的基础。

它也是了解并预测天气和洋流、分析污染的基础，由此也成为气候变化科学及预测全球变暖的重要工具。

我不知道伊桑巴德是否熟知这一“掌管”

他所设计轮船的运动的公式，但他的确拥有去和那个可能掌握这一公式的人接触的洞见和直觉。

那个人就是威廉·弗劳德（WilliamFroude），他曾在牛津大学学习数学，在此之前数年还曾在大西部铁路从事工程师工作。

在“大东方号”

的制造过程中，伊桑巴德曾要求弗劳德研究轮船起伏和稳定性的问题。

这使得他最终找到了以下这一重要问题的答案：能够最大限度地减小水流黏性阻力的最优船形是什么样的？

他的研究成果为航运业和全球贸易带来了巨大的经济影响。

现代轮船设计科学就此诞生。

然而，更重要及更具长远影响的是，他引入了系统建模的革命性概念，以确定真实的系统是如何运行的。

尽管纳维–斯托克斯方程描述了任何条件下的液体运动，但它在几乎所有情况下都难以求解，原因在于它在本质上是非线性的。

粗略地说，这种非线性来自水与其自身相互作用的反馈机制。

这一点在所有令人惊讶的行为和模式中都显现出来，如我们在江河、小溪中所看到的漩涡和涡流，船只在水中穿梭时留下的尾波，可怕的飓风幽灵及美丽多变的浪花等。

这些都是湍流的表现，也都被概括在内涵丰富的纳维–斯托克斯方程中。

实际上，研究湍流让我们首次对复杂性的概念及其与非线性特征的关系有了重要的数学角度的了解。

复杂的系统经常显示出混乱的行为，一个小的变化或者系统某一部分的不安会带来其他部分指数级提升的反应。

正如前文所谈到的那样，在传统的线性思维下，一个小的动荡将带来相当小的反应。

非线性系统高度非直观的提升通常被表述为“蝴蝶效应”

，一只蝴蝶在巴西扇动翅膀会引起得克萨斯州的一场龙卷风。

尽管经过了150年密集的理论和实验研究，我们已经得到了大量信息，但对湍流的了解依然是物理学的一个未解问题。

著名物理学家理查德·费曼（RichardFeynman）将湍流形容为“经典物理学中最重要的未解问题”

。

弗劳德或许并未完全意识到他面临的是一个多么大的挑战，但他的确意识到需要一个新的战略才能满足造船业的要求。

正是在这一背景下，他发明了建模的新方**，进而创造了标度理论（scalingtheory）的概念，以确定从小尺寸轮船的研究中得出的量化结论如何应用，帮助人们预测实际大小的轮船将会如何表现。

依照伽利略的理论精神，弗劳德意识到，几乎所有规模缩放都是非线性的，按照1∶1的比例制造的传统模型无助于确定真实系统的运转状态。

他所做出的影响深远的贡献是，提出了一个定量数学策略，用于找到如何从小尺寸模型到实际大小物体的缩放方法。

如同所有可能会改变我们思考传统问题方法的新观念一样，弗劳德的努力被当时的行家斥为毫不相关。

于1860年创办了英国造船工程师学会以鼓励轮船设计师接受正式教育的约翰·罗素（JohnRussell）就嘲笑弗劳德说：“你将会看到一系列关于小尺寸模型的美丽、有趣的小实验。

我可以肯定，弗劳德先生在做实验的过程中会体会到无穷的乐趣，也会给那些听说这些实验的人带去无穷的乐趣。

然而，这些实验对放大尺寸后的结果没有任何实际意义。”

我们许多人都能识别出这种通常针对学术研究的修辞手法，它暗指学术研究与“现实世界”

脱节。

毫无疑问，许多情况都是这样的，但也有许多情况并非如此，更重要的是，人们通常很难察觉到一些貌似晦涩的研究的潜在影响力。

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