1700年1月29日(旧历,合公历2月8日),丹尼尔·伯努利出生在荷兰的格罗宁根,那时他父亲约翰·伯努利正在当地大学教数学。这个名字后来和”流体力学””伯努利原理”绑在一起,他也成了伯努利这个科学世家第二代里最耀眼的一位。
伯努利家族本身就很传奇。祖上从比利时逃到瑞士避宗教迫害,到老尼古拉·伯努利这代靠经商发家。老尼古拉想让儿子约翰接班,约翰却跑去读数学,还和哥哥雅各布成了最早把微积分用到各种问题上的两个人。兄弟俩较劲了一辈子,这股劲后来也传到了下一代。
丹尼尔是约翰的次子,和父辈一样先学医。他在巴塞尔、斯特拉斯堡、海德堡转了一圈,1721年拿到医学博士,论文写的是呼吸的机理。父亲本想让他经商,见他一门心思在数学上,只好私下教他。在威尼斯养病时,丹尼尔写下《数学练习》,讨论水从容器孔中流出的问题,顺手设计了一个海上用的计时沙漏,凭这个拿了巴黎科学院的奖。1725年他和哥哥尼古拉应邀去圣彼得堡科学院,可哥哥第二年就病逝,只剩他独自在俄国。
在圣彼得堡那几年,丹尼尔研究振动和旋转的物体,也钻研概率论。1726年前后,他通过大量实验发现:流体速度加快时,界面上的压力会减小,反之则增大,这就是后来的”伯努利效应”。1733年他回到巴塞尔,先教解剖学和植物学,后来转到动力学。1738年,他在斯特拉斯堡出版《流体动力学》,系统讲清了压力、密度和流速之间的关系,提出流体速度增加则压力下降,这就是伯努利原理。他还由此推演出气体动理论的雏形,说明分子撞击器壁产生压力、温度越高运动越剧烈。
丹尼尔和父亲的关系有点荒诞。1734年,父子俩就行星轨道的论文同获巴黎科学院奖,约翰却嫉妒得把儿子赶出家门,转年又抢先出版《流体力学》,还把日期往前改,想抢儿子的功劳。父子就此决裂。丹尼尔后来仍屡次获奖,一生拿了十次以上的巴黎科学院奖,还当选英国皇家学会会员,1782年在巴塞尔去世,享年八十二岁。
在俄国时,丹尼尔和比他小几岁的欧拉成了搭档,两人研究琴弦振动、概率和经济学,配合得很好。欧拉是约翰的学生,被派去陪丹尼尔,没想到成就了一对黄金组合。丹尼尔还研究过风琴管里的空气振动,发现闭管只能发出奇次谐波,压强决定各谐波的相对强度。他的兴趣很杂,从天文学、潮汐、磁学到洋流、船体稳定都有涉猎,光是1725到1749年间就因这些课题拿了十次巴黎科学院奖。同代人把他和牛顿、欧拉并提,说他”把数学应用到物理学上”的本事无人能及。
伯努利原理今天无处不在,飞机能升空、喷雾器能雾化、血压计能测压,背后都是它。一个出生于旧历新年、在医学和数学之间摇摆的年轻人,最后给工程世界留下了一条最朴素也最深刻的规律:流动越快,压力越小。
丹尼尔的《流体动力学》出版后,父亲约翰隔年推出《水力学》,把日期写成1732年,想抢在儿子前头。这种父子相争的戏码,在伯努利家不算新鲜,雅各布和约翰当年也吵了一辈子。丹尼尔对这种事渐渐心灰,晚年的研究转向弹性弦的横向振动,还把三角级数用到偏微分方程的解法里,比傅里叶本人早了好些年。
他在巴塞尔先后教过解剖学、植物学、生理学,最后坐上物理学教席。教学之外,仍不断拿奖,从天文学、地球引力到潮汐、磁学、洋流,几乎碰到什么就研究什么。1750年他当选英国皇家学会会员,柏林、巴黎、都灵、苏黎世、慕尼黑的科学机构也纷纷接纳他。
家族的光环压了他一辈子,也成就了他。伯努利家三代出了八位科学家,丹尼尔是公认最出色的一个。他去世时八十二岁,墓碑上刻的不是爵位,而是一个公式:流动越快,压力越小。一条朴素到近乎直觉的规律,到今天还托着天上飞的、水里游的、血管里流的一切。
有意思的是,丹尼尔出生在旧历1月29日,按今天的公历是2月8日。”历史上的今天”把这一天归给他,纪念的不是一个帝王的登基,而是一个科学家来到世间的开始。比起同时代的许多王侯将相,这条关于流体的规律,大概活得更久。
丹尼尔在圣彼得堡的那段日子,是他人生最顺也最孤单的几年。哥哥尼古拉陪他同去,却很快病故,他一个人在异国做研究,靠和欧拉通信打发寂寞。他研究血液流动的念头,来自学医的底子:心脏像泵,把血打进动脉,那么动脉里的压力怎么变?他拿细管插进充液管壁,看液面升降,得出速度和压力的反比关系。这个方法,后来被医生借去量血压,沿用了近两百年。
他是个安静的人,不似父亲那般张扬好斗。同行说他谦和,学生说他耐心。可一碰上科学,他又极较真,父亲抢功那件事,伤他很深。他没写文章回骂,只是默默把《流体动力学》写得更扎实。
今天物理课本里,伯努利方程和牛顿定律、麦克斯韦方程排在一起,是工科学生的基本功。一个胸衣匠的孙子、数学教授的儿子,用一本小册子和一条曲线,把自己写进了每一架飞机、每一根水管的设计图里。
所以纪念丹尼尔·伯努利,不必从他当了多少年教授、拿了多少次奖说起。只要看看天上一架飞机、手边一个喷雾瓶、医院里一根血压计,就知道这个1700年出生的瑞士人,至今还在我们身边。科学的寿命,有时比王朝长得多。