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全世界最懂物理的人,却在流体力学上翻了车?

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1917年,一架飞机摇摇晃晃飞上天。试飞员落地后说,它“摇摆不定,就像一只怀孕的鸭子”。

而设计这款机翼的人,是爱因斯坦。

是的,就是全世界最懂物理的那个爱因斯坦。

今天我们就翻开历史,看看爱因斯坦和流体力学之间的故事。

课本里的爱因斯坦有多牛

爱因斯坦这个名字,大家太熟了。熟到一提起“最伟大的物理学家”,牛顿和爱因斯坦就会被反复提及;熟到他的照片和吐舌头的表情包几乎成了公共记忆。

爱因斯坦1879年生于德国乌尔姆,后来到瑞士求学,1900年从苏黎世联邦理工学院毕业,1902年进伯尔尼专利局做技术员。

1905年,他在专利局业余时间发表了关于布朗运动、光电效应、狭义相对论的论文,还完成了博士论文。1915年完成广义相对论;1921年因光电效应获诺贝尔物理学奖。


爱因斯坦在伯尔尼专利局,约1905年

广义相对论是爱因斯坦公认的巅峰:引力不是传统意义上的力,而是物质和能量弯曲时空的结果;狭义相对论打破了绝对时空观,给出 E=mc 2 ;光电效应为量子力学奠基;布朗运动为原子的真实存在提供了决定性理论预言。这四项成就,任何一项都是世界级的。

但众所周不知是:1905年爱因斯坦的博士论文,他研究的是悬浮液粘度,并给出了一个至今仍在用的公式。

那也是他在流体力学里最漂亮的起点。

漂亮公式的胜利

1905年,他的博士论文《分子尺寸的新测定法》研究了一个很具体的问题:往纯流体里加入大量刚性小球,混合物的等效粘度会怎么变?


1905年博士论文《分子尺寸的新测定法》扉页

通过求解低雷诺数下的斯托克斯流方程,他得到了爱因斯坦粘度公式:

η = η₀(1 + 2.5φ)

其中 η 是悬浮液粘度,η₀ 是纯流体粘度,φ 是颗粒的体积浓度,2.5 对刚性球体是一个普适常数。

这个公式最亮眼的地方在于:极稀悬浮液的粘度增加,只取决于颗粒的体积占比,而与颗粒大小无关。

它把宏观可测的流体力学量(粘度)和微观的颗粒体积浓度接上了线。再结合他同年关于布朗运动的研究,科学家就可以通过测量粘度和布朗运动,反推出阿伏伽德罗常数,为原子的真实存在提供关键证据。

这个公式至今仍是胶体科学、复杂流体和悬浮液研究的起点。

但同一个爱因斯坦,几年后却在机翼设计上翻了个小跟头。

让爱因斯坦翻车的“猫背翼”

1916年8月25日,他在《Die Naturwissenschaften》上发表了一篇题为《水波与飞行的初等理论》的文章,全文只有两页。这几乎是他一生中唯一一篇专门讨论飞行器的学术文字。在这篇文章里,他试图用伯努利原理来解释机翼为什么能产生升力,并提出了一种新的翼型设想。


《水波与飞行的初等理论》原刊首页,1916年8月25日。

他的设计目标非常明确:在零迎角下同时实现最大升力和最小阻力。传统机翼需要向上翘一个角度(迎角)才能获得足够的升力,但迎角本身会带来巨大的阻力。爱因斯坦的想法是,如果机翼的上表面有一个足够夸张的隆起,气流经过时会被“拉长”路径、加速流动,压力随之降低,升力就产生了——不需要迎角,也就不需要为迎角付出阻力代价。

这个隆起,形状像猫伸懒腰时高高拱起的背,工人们就给它起了个绰号: “猫背翼” 。

在数学上,这个设想并非毫无逻辑。问题出在他求解流动时依赖的假设:无粘性、不可压缩的理想流体。在这个假设下,气流会完美地贴着那个隆起流动,速度分布也确实如他所愿。但真实空气有粘性,当隆起过于突兀时,边界层内的气流没有足够的能量贴着壁面走完整个凸起,会在隆起后方分离,形成涡流。升力没有如预期增加,阻力反而急剧上升,稳定性也被破坏。

1917年,柏林飞机制造商LVG把“猫背翼”装上一架双翼机试飞。试飞员Paul G. Ehrhardt的报告非常直白:飞机升空后“摇摆不定,就像一只怀孕的鸭子”,他费了很大劲才勉强降落。


LVG式双翼机与“猫背翼”概念示意

而哥廷根风洞的严谨测试给出了更残酷的结论:“猫背翼”的升阻比远低于当时的常规翼型。那个突兀的隆起非但不能有效加速气流,反而极易导致气流分离,产生巨大阻力并破坏稳定性。

1954年,爱因斯坦本人也坦承,这是他“年轻人的愚蠢行为”,并反思自己“想得很多,但读得太少”,没有掌握当时航空工程界已经积累的翼型理论。

思想与人际的余波

翻车归翻车,爱因斯坦的思想余波并没有停在机翼上。

相对论流体力学

相对论建立后,一个自然的理论延伸是:如何把流体力学纳入相对论协变框架?它的核心是用应力—能量张量描述流体的能量、动量与应力。爱因斯坦场方程与这个张量紧密耦合:物质的能量与动量弯曲时空,弯曲的时空又反过来影响流体的运动。

需要说明的是,相对论流体力学是后续几十年的学科发展,不是爱因斯坦“创立”的。但相对论框架确实为它提供了思想催化。

“新以太”的追问

还有一个耐人寻味的历史注脚。狭义相对论不再需要作为光传播介质的机械以太。1920年莱顿演讲中,爱因斯坦却又谈过一种作为时空物理属性的“新以太”。他没有把它当成可以追踪运动的普通物质,而是在追问时空本身的性质。

他否定了旧以太,又在更深的层次上追问:时空本身能不能像一种“场介质”来理解?

爱因斯坦身边的人

思想有余波,人也有余波。沿着爱因斯坦身边的人往下看,还能遇到两位后来在流体力学里留下重要名字的人。

先说罗伯特·克拉奇南(Robert H. Kraichnan)。1949—1950年,他是爱因斯坦身边的年轻助手,研究兴趣还在相对论。后来,他把量子场论的方法带进湍流研究,逐渐成长为现代湍流理论的重要人物。无数大小涡旋之间的相互作用,成了他长期追问的问题。


罗伯特·克拉奇南(Robert H. Kraichnan)

再把目光转回中国,这条线索会牵出我们熟悉的周培源。1936—1937年,他在普林斯顿高等研究院参加爱因斯坦主持的相对论研讨班。回国后,面对抗战需求,他将研究重心转向流体力学,后来围绕湍流脉动方程开展的工作,成为湍流模式理论的重要基础。

爱因斯坦与流体力学

在流体力学的世界,爱因斯坦给了我们一个精确而持久的粘度公式,也留下了一次机翼设计的翻车;他的相对论为后来研究流体提供了新的框架,身边走过的人,又把湍流理论推向了更远的地方。

爱因斯坦不是流体力学的主角,却是一个极好的引子。他让我们看到:流体力学既能被极简公式击中,也会被粘性和边界层无情教育。

这大概就是这门学科最迷人的地方。

文章转载自"LBM与流体力学"公众号

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