一個難以置信的事實是：盡管萊特兄弟在100多年前就將飛機開上了天空，但直到今天，人們仍然不清楚，飛機是如何飛起來的。
從嚴格的數學層面上講，工程師們知道如何設計能在高空飛行的飛機，但數學公式并不能解釋氣動升力產生的原因。為了解釋這個問題，兩個理論針鋒相對，但兩者均無法提供完整的解釋。
是什么產生了空氣動力學中的升力（lift）？各家的看法并沒有達成一致。科學家提出了兩種不同的理論來解釋升力。問題是，這兩種非技術性的理論本身并沒有錯，但兩者都沒有提出一個可以解釋升力各個方面的完整理論。
要完美解釋空氣動力學中的升力似乎是不可能的。要考慮飛機抬升過程中的所有作用力、影響因素和物理條件，而不留下無法解釋或未知的問題，這種理論真的存在嗎？
在美國航空航天局埃姆斯中心流體力學實驗室中，科學家用水槽試驗測試飛機表面的流場。圖片來源：伊恩·艾倫（Ian Allen）
有缺陷的經典理論
到目前為止，對升力最流行的解釋是伯努利原理，這是瑞士數學家丹尼爾·伯努利（Daniel Bernoulli）在1738年發表的專著《流體動力學》（Hydrodynamica）中提出的一種原理。簡單地說，伯努利原理指出：流體的壓力會隨著速度的增加而減小，反之亦然。
飛機的機翼上方有一種特殊的凸起，專業術語稱為翼型（airfoil）。因為這種彎曲的存在，與流經機翼平坦下表面的空氣相比，流經彎曲上表面的空氣速度更快。科學家認為，按伯努利原理，機翼上表面流體速度的增加導致那里的氣壓降低，以此產生了向上的升力。
無論是風洞實驗（主要觀察由煙氣粒子顯示出的軌跡流線）、噴管還是文丘里管（Venturi tubes，一種真空發生裝置）等實驗，都給出了海量的經驗數據。這些數據有力地證明了伯努利原理的正確性。然而，伯努利原理本身并不能完全解釋升力。盡管實際經驗表明，在彎曲的表面上空氣流動的速度確實更快，但伯努利原理卻無法解釋為什么會出現流速變快的現象。換句話說，這個定理并沒有說明機翼上方的高流速是如何產生的。
一個眾所周知的演示，在很多網絡平臺，甚至一些教科書中都曾反復出現過，它宣稱可以“展示”伯努利原理。在這個演示中，實驗人員會將一張紙水平地放在嘴前，并用氣吹動它上表面，此時，紙面會上升。人們以此說明確實存在伯努利效應。可是，當你吹紙的下表面時，紙面還是會上升。按理說，紙張會應該出現相反的結果，因為紙張下部的氣流應該把紙往下拉。
霍爾格·巴賓斯基（Holger Babinsky）是英國劍橋大學空氣動力學教授，他指出：一側的氣流會讓彎曲紙面升起，“這并不是因為空氣在紙面兩側的流速不同”。為了說明這一點， 你可以吹一張平直的紙張來驗證這一切。例如，吹一張垂直懸吊的紙張，看它是不是既不向一側移動也不向另一側移動。畢竟 “盡管氣流速度明顯存在差異，但是紙張兩側的壓力卻是一樣的”。
伯努利原理的第二個缺點是，它并沒有說明機翼上部高速流動的空氣為什么會形成更低的壓力，而不是更高的壓力。畢竟，當機翼向上移動時，空氣理應被壓縮，機翼頂部的壓力應該會增加。在日常生活中，這種“瓶頸現象”通常會讓事情變慢，而不是加速。例如，在高速公路上，當兩條或多條車道合二為一時，道路上的車輛不會開得更快，而是會出現車流減速的現象，甚至可能發生交通堵塞。在機翼上表面流動的空氣分子卻不是這樣的，但是伯努利原理卻并沒有說明白為什么會形成這種現象。
第三個問題特別關鍵，可以證明伯努利原理對升力的解釋是不對的：一架具有彎曲上表面的飛機翻過身來也能飛行。這種情況下，彎曲的機翼表面變成了底面。根據伯努利原理，機翼的下表面的壓力會降低，當這個低壓環境結合重力作用，應該會產生一個向下拉動飛機的效果，而不是支撐它繼續飛行。但是，無論是具有對稱翼型的飛機（其頂部和底部的曲率相當），還是上表面和下表面均為平坦翼型的飛機，只要機翼遇到迎面而來的風，并且配合適當的迎角，都能翻過來飛行。這意味著，伯努利原理本身并不足以解釋升力產生的原因。
用伯努利原理解釋機翼升力的缺陷
除了用伯努利的理論來解釋升力外，科學家還試圖用另一種理論來解釋這種力的來源：牛頓的作用力和反作用力原理。根據這個定律，當機翼向下推空氣，有質量的空氣會產生一個大小相等、方向相反的向上推力，也就是升力。因此，理論認為機翼是通過推動空氣使飛機產生升力的。這個理論適用于任何形狀的翅膀，彎曲的或平坦的，對稱的或不對稱的。同時，這個理論也適用于正常飛行，或者翻過來飛行的飛機。因此，牛頓第三定律對升力的解釋比伯努利原理更全面，也能應對更多情況。
但就理論本身而言，作用力和反作用力并不能解釋機翼頂部的低壓區，而這一區域的存在也與機翼是否彎曲無關了。只有當飛機著陸停止飛行后，機翼上方的低壓區才會消失，使頂部和底部變得一樣，恢復到周圍的氣壓。但是，只要飛機在飛行，低壓區就是空氣動力學無法忽視的因素，必須加以解釋，才能說明飛機為什么能飛起來。
因此，無論是伯努利原理還是牛頓第三定律，從各自的角度出發，它們都是正確的，兩者并不相互矛盾。然而，問題在于，任何一個理論都無法完整地解釋升力，兩者結合起來也不行，因為兩者都遺漏了一些東西。
理論發展史
要知道，伯努利和牛頓都沒有想過用自己的理論可以解釋飛機的升力。他們各自生活的時代距離飛行時代還有很長一段時間。當萊特兄弟成功將飛機飛上天后，同時代的科學家迫切地需要理解空氣動力學中的升力，解釋飛行背后的秘密，這兩種理論才因此被重新發現和套用。
20世紀初期，有幾位英國科學家推進了升力的技術和相關的數學理論。他們認為，空氣是一種完美的流體，這意味著它不可壓縮，粘度為零。雖然這與空氣的實際特性有區別，但對需要理解和控制機械設備飛行的科學家而言，做出這樣的假設也是可以理解的，因為這會使數學計算變得更簡單、更直接。但這種簡化也需要付出相應的代價：在理想的不可壓縮氣體中，無論算出的翼型在數學上多么成功，實際應用時都會表現出各種缺陷。
阿爾伯特·愛因斯坦（Albert Einstein）也曾致力于研究升力問題。1916年，愛因斯坦給出了一個基于不可壓縮和無摩擦流體（也就是理想流體假設）的解釋。雖然沒有提到伯努利的名字，但他給出了一個與伯努利原理基本一致的解釋。他說，流體壓力在速度較慢的地方更大，反之亦然。為了利用這些壓力差，愛因斯坦提出了一種機翼頂部略帶隆起的設計，這樣的形狀可以增加隆起部位的氣流速度，從而降低那里的壓力。
愛因斯坦或許認為，基于理想流體的分析同樣適用于現實世界的流體。1917年，在理論的基礎上，愛因斯坦設計了一種被稱為貓背翼（cat‘s-back wing，因為它的形態類似于正在伸懶腰的貓）的翼型。隨后，他把設計方案帶給柏林的飛機制造商LVG 。這家公司圍繞設計方案制造了一架新的飛行器。但試飛員卻報告說，這架飛機在空中搖擺不定，就像“一只懷孕的鴨子”。1954年，愛因斯坦表示，當初短暫涉及航空業的行為更像是“年輕人的愚蠢行為”。
完備的升力理論？
如今，設計飛機的科學方法是利用計算流體動力學（computational fluid dynamics，CFD）模擬，以及計算充分考慮了真實空氣實際粘性的納維-斯托克斯（Navier-Stokes）方程。CFD模擬獲得的結果和上述方程的解能夠預測壓力分布模式，給出氣流形態和定量的結果。現今的飛機設計領域已經非常先進，可以說這些技術就是行業的基礎。然而，它們本身并沒有對升力做出物理的、定性的解釋。
近年來，美國知名空氣動力學家道格·麥克萊恩（Doug McLean）試圖超越純粹的數學形式，著手處理飛行過程中的物理關系，這種關系或許可以解釋升力在現實中表現出的各種特性。2012年，他在自己的書中對機翼升力提出了全新的解釋。
在解釋升力時，麥克萊恩也是從空氣動力學中最基本的假設開始的：機翼周圍的空氣作為“一種連續的介質，會根據翼型的不同產生形變”。這種形變會以機翼上方和下方各自出現的流體形式存在。麥克萊恩寫道：“在一個被稱為壓力場的大區域內，機翼會對氣壓產生影響。”當產生升力時，機翼上方總是會形成低壓的擴散氣團，機翼下方通常形成高壓的擴散氣團。當這些氣團作用于機翼時，就構成了對機翼產生升力的壓差。
在整個過程中，機翼向下推動空氣，導致氣流向下偏轉。機翼上方的空氣按伯努利原理被加速。機翼下方有一個高壓區，機翼上方有一個低壓區。這意味著，在麥克萊恩對升力的解釋中，有4個必要的組成部分：氣流向下轉向，氣流速度增加，低壓區和高壓區。
可以說，這4個要素之間的相互關系是麥克萊恩的敘述中最新穎、最獨特的地方。他寫道：“它們在互為因果的關系中互相支持，其中任何一個要素的出現均離不開另外3個要素。”壓差對翼型施加升力，而氣流向下轉向和流速變化維持著壓差。正是在這種相互影響的系統中，出現了麥克萊恩解釋的第5個要素：4個要素之間的相互作用關系。這4個要素似乎必須同時出現，相互影響，相互誘發，才能相互維持。
這種協同方式似乎有一種魔力。在麥克萊恩的描述中，就像是4個活躍的個體，只有互相幫助才能在空氣中共同維持。或者說，正如他所承認的，這是一個“循環因果”的案例。但是，“相互作用的每一個因素是如何維持和加強其他因素的呢？”是什么導致了這種互動、互惠、相互影響的動態體系？麥克萊恩的答案是：牛頓第二運動定律。
牛頓第二定律指出，物體或流體的加速度與施加在物體上的力成正比。麥克萊恩說：“牛頓第二定律告訴我們，當壓差對流體團施加一個合力時，必然會導致流體團運動的速度或方向（或兩者）發生變化。”但反過來，壓差的存在與否和大小變化也是由流體團的加速情況決定的。
我們在這個過程中憑空獲得了一些能量嗎？麥克萊恩認為并沒有，如果機翼處于靜止狀態，這套相互強化體系中的任何一個因素都不會存在。只有當機翼在空中移動時，每個流體團才會影響所有其他的流體團。整個飛行過程支撐了這套相互刺激、相互依存的因素的存在。
改進升力理論
提出這個解釋后不久，麥克萊恩意識到他還沒有完全考慮空氣動力學中與升力相關的所有因素，因為在解釋機翼上方的壓力為什么會與周圍環境不同時，無法令人信服。因此，麥克萊恩在2018年11月刊的《物理教師》（The Physics Teacher）雜志上發表了一篇文章，對空氣動力中的升力提出了“全面的解釋”。
雖然這篇文章在很大程度上重申了麥克萊恩之前的論點，但他也做了進一步的嘗試，試圖更好地解釋是什么導致了壓力場的不均勻，為什么會呈現這種特有的物理形態。另外，他的新論點還引入了流場（flow field）級別的相互作用，認為這種非均勻壓力場是由一種作用力造成的，也就是機翼施加在空氣上的向下的作用力。
無論是在他的書中，還是在后續的文章中，麥克萊恩是否完整而正確地解釋了升力的機制，還有待進一步解釋和討論。我們也可以看出，由于種種原因，很難對空氣動力學升力作出清楚、簡單和令人滿意的解釋。
雖然如此，目前我們需要進一步解釋的已經只有少數懸而未決的問題。關于升力，你應該能回想起來，這是機翼上下表面壓力差導致的結果。對于翼型下表面的情況，我們已經有了一個可以接受的解釋：迎面而來的空氣擠壓機翼，在垂直方向產生升力，在水平方向產生阻力。向上擠壓機翼下表面的力，以局部高氣壓的形式出現。簡單來說，這種更高的氣壓是作用力和反作用力的結果。
然而，機翼上表面的情況卻大不相同。那里存在一個低壓區，是提供升力的重要部分。但是，如果伯努利原理和牛頓第三定律都不能解釋它，什么才能解釋它呢？從模擬實驗中的流線信息，我們可以得知，機翼上方的空氣與翼型向下彎曲的特征緊密相連。但是，為什么流過機翼上表面的氣團必須順著隆起后向下彎曲的機翼流動呢？為什么不能離開它直接向后飛呢？
馬克·德雷拉（Mark Drela）是麻省理工學院流體動力學教授，他給出了一個答案：“如果這些流體團瞬間偏離機翼的上表面，它與機翼之間的空間就會形成真空，”他解釋道，“這個真空會把流體團吸下去，直到真空基本被填滿。也就是說，直到它們流動的方向再次與機翼正切。這就是迫使流體團沿著機翼形狀移動的物理機制。局部存在一個輕微的真空環境就能使流體團沿著彎曲的機翼表面流動。”
空氣團的偏離，以及被拉近的過程，使機翼的上表面區域產生了低壓。這個過程還引發了另一種效應：在機翼上表面，空氣流動速度更快。“當機翼上方的氣流靠近機翼時，機翼上表面的低壓氣團會在水平方向上‘拉動’氣流，因此，當這些空氣抵達機翼時，速度會更快，”德雷拉說，“所以，機翼上方的氣流速度增加，可以看作是壓力降低的副帶作用。”
但和往常一樣，在解釋升力時，不同的專家會給出不同的答案。劍橋大學空氣動力學家巴賓斯基（Babinsky）說：“我很尊敬我的同事德雷拉，所以我很不愿意反對他的觀點。但是，如果真空的出現是升力出現的原因，就很難解釋，為什么有時氣流不會流經機翼表面。當然，他在其他方面都是正確的。這個問題可能真的沒有簡單快捷的解釋。”
德雷拉自己也承認，他的解釋在某些方面并不令人滿意。他表示：“一個明顯的問題是，沒有一個解釋會被普遍接受。”看來，直到今天，這個問題仍然沒有簡單的答案。
