人類開始嚴肅地研究結構，竟歸因於中世紀的宗教迫害
結構曾被定義爲任何用於承受載荷的材料的組合，而研究結構是科學的傳統分支之一。如果一個工程結構倒塌，就可能出現人員傷亡，因此工程師必須小心謹慎地探究結構的行爲。然而遺憾的是，當工程師向大家普及他們的專業時，麻煩就來了：他們總是說着奇怪的用語，於是一些人便認爲，研究結構及其負載的方式令人費解、無關緊要，也實在無聊。但是，結構無處不在，我們實在沒法視而不見：畢竟，所有動植物以及幾乎所有的人造物都必須能夠承受某種強度的機械性力量而不致損壞，所以實際上，萬物皆有結構。
當我們談論結構時，我們不僅要問爲何房屋和橋樑會坍塌、機器和飛機有時會壞掉，還要問蠕蟲爲何長成那種形態，以及蝙蝠爲什麼能飛過玫瑰花叢而保持翅膀完好無損。我們的肌腱如何工作？我們爲何會“腰痠背痛”？翼手龍的體重怎麼那麼輕？鳥類爲何有羽毛？我們的動脈如何工作？我們能爲殘疾兒童做些什麼？爲什麼帆船要那樣裝配帆索？爲什麼拉開奧德修斯之弓很難？爲什麼古人晚上要把戰車的輪子卸下來？希臘投石機是如何工作的？爲什麼蘆葦會隨風搖曳？爲什麼帕提儂神廟如此壯美？工程師能從天然結構中得到什麼啓示？醫生、生物學家、藝術家和考古學家能從工程師那兒學到些什麼？
事實表明，理解結構的原理和損壞的原因是一場鬥爭，其艱難與漫長遠非常人所能預料。直到最近，我們才補上了部分知識漏洞，這使得我們能以某些有效或巧妙的辦法回答上述一部分問題。當然，隨着將更多塊拼圖彙集組裝，整個圖景越發清晰：這門學科整體上不再侷限於專業研究的狹窄範圍，而越發貼近大衆的普遍利益，普通人也能從中獲益。
原文作者｜[英]J.E.戈登
《結構：萬事萬物爲什麼不會倒塌？》，[英]J.E.戈登 著，李輕舟 譯，中信出版集團2024年10月版。
那些關乎人命的普通結構
誰都能造出來嗎？
許多人——尤其是英格蘭人——厭惡理論，他們一般不怎麼看得起理論家。這似乎特別適用於強度和彈性問題。相當一部分人不敢涉足化學或醫學領域，卻自認爲有能力製造出一個關乎人命的結構。如果施加一些壓力，他們可能會承認造一座大橋或一架飛機有點兒超出他們的能力範圍，然而，那些關乎人命的普通結構真的就誰都能造出來嗎？這不是說搭一座尋常的棚子也是一件需經年累月研究的要事，然而，這個學科確實遍佈着稍不留神就會掉入的陷阱，許多事情並不像看上去那麼簡單。在絕大多數情況下，工程師只是同律師和送葬者一道被叫進來，專門應付本屬於“實幹家”的結構事務。
然而，數個世紀以來，實幹家都在按自己的套路行事，至少在某些製造領域是這樣。如果你遊覽一座主教座堂，你難免會思考，建造者的技巧和信仰哪一個給你的印象更深。這些建築不僅僅在體量上堪稱宏偉，某些方面似乎還超越了其構造材質的沉悶笨重，昇華到了藝術與詩性的境界。
從表面上看，中世紀的石匠顯然對如何建造教堂和主教座堂瞭如指掌，當然他們往往成就斐然且精於此道。然而，如果你有機會向一位石匠大師討教此中的細節和原理，我想他可能會這麼說：“建築的屹立有賴於無處不在的上帝之手，當我們建造它時，我們只需恪守傳統的規矩與我們技藝的奧秘。”
然而，我們看見和欣賞的是那些存世的建築：雖然身負“奧秘”、技巧和經驗，但中世紀的石匠也不總是成功的。在他們更具野心的嘗試中，很大一部分在建成後不久便坍塌了，有的甚至在施工期間便倒下了。但是，這些災難多半被視爲天譴，是爲了懲罰罪惡，而不是純粹由技術上的無知造成的後果。因此，我們有必要談談西羅亞樓。
《大都會》（2024）劇照。
或許，因爲太沉迷於好手藝的道德意義，舊時代的建築師、木匠和造船工未曾從科學角度思考過一個結構爲何能夠承載一定的負荷。雅克·海曼教授曾明確指出，造主教座堂的石匠，無論如何也不會以現代的方式思考或設計。雖然中世紀工匠的一些成就令人印象深刻，但他們那些“規矩”和“奧秘”的智力水準可能和一本烹飪手冊沒多大區別。這些人所做的事情基本上就是沿襲以前的工作。
磚石結構是一種特例，僅依靠經驗和傳統比例將小教堂擴建爲大型主教座堂有時之所以安全可行，是有其特殊原因的。而對其他類型的結構而言，這麼做則行不通，甚至相當危險。這就是爲何雖然建築物越來越大，但在相當長時間裡大型船舶的尺寸幾乎保持不變。不事先用科學的方法來預測工程結構的安全性，貿然製造全新或截然不同的裝置，只能以災難告終。
因此，一代又一代人都未曾用理性的思維解決強度的難題。然而，如果你總是在內心深處擱置自認爲很重要的問題，那麼你在心理上一定不舒服，你害怕的事往往會發生。這個難題變成了滋生殘忍和迷信的溫牀。當某位達官貴人爲新船下水開香檳酒，或者一位大腹便便的市鎮長官爲建築開工奠基時，這些儀式典禮往往成爲某些殘忍獻祭的最後殘餘。
中世紀，天主教會查禁了大多數獻祭儀式，但這對鼓勵科學方法的使用並沒有多大幫助。爲了完全擺脫此類做法，或者說爲了承認上帝可以藉助科學規律的力量來行事，需要一次徹底的思想轉變，一種我們今天難以體會的精神蛻變。當科學術語幾乎不存在時，就需要將想象力與知識素養別出心裁地結合在一起。
材料和結構之間
並沒有明確的分界線
結果表明，舊時代的工匠從未在這方面做出過努力。有趣的是，關於結構的嚴肅研究的真正開始，可歸因於宗教裁判所的迫害和愚民政策。1633年，伽利略因其革命性的天文發現而觸怒天主教會，他的工作被認爲威脅了宗教神權和世俗政權的基礎。教會嚴禁他涉足天文學研究，在衆所周知的改邪歸正之後，他幸運地獲准退隱於佛羅倫薩附近的阿切特里。名義上蟄居家中，實質上被軟禁的他開始研究材料強度，我猜想這是他可以想到的最安全且顛覆性最小的課題了。伽利略對有關材料強度的認識而言，僅算略有創新，但你務必牢記他開始研究該課題時已年近七旬，飽經風霜且形同囚徒。然而，他獲准同歐洲各地的學者通信，而他的顯赫聲名爲他從事的所有研究都賦予了權威性和知名度。
在他存世的許多信件中，有幾封是關於結構的，其中他與法國的馬林·梅森的通信似乎尤爲成果顯著。馬林·梅森是一位耶穌會神父，但想必無人會否認他在金屬絲強度方面的研究。埃德梅·馬略特更年輕，也是一位神父，是第戎附近的葡萄酒之鄉聖馬丁蘇博訥的修道院院長。他用了大半輩子的時間來研究地質力學的規律，以及杆在拉伸和彎曲狀態下的強度。在路易十四治下，他促成了法蘭西科學院的創立，並同時博得了天主教會和當局政權的歡心。值得注意的是，這些人裡沒有一個是專職的建築或造船工匠。
《大都會》（2024）劇照。
到了馬略特的時代，研究負載下的材料和結構負載行爲的這門學問開始被稱爲彈性科學。自150年前這門學科得到數學家的重視後，有關彈性的枯燥晦澀的著作汗牛充棟，一代代學生在有關材料和結構的講授中深受無聊的摧殘。以我之見，故作高深與故弄玄虛實無必要，而且往往離題萬里。固然，有關彈性的深層次研究一定與數學有關，也非常艱深，但這類理論可能只是偶爾被成功的工程設計人員採用。大多數尋常用途實際所需的學問，很容易被任何有心的聰明人理解。街上的路人或車間裡的工人認爲他們幾乎不需要理論知識。工科教員則傾向於假稱，想要有所收穫，不借助高等數學是辦不到的，即使辦得到，也不過是旁門左道。而在我看來，像你我這樣的凡夫俗子跟某些介於中間的——我希望是更有趣的——知識異常投緣。
儘管如此，我們還是不能完全迴避數學問題，據說它起源於古巴比倫，也許就是建造巴別塔的時代。對科學家和工程師而言，數學是一種工具；對數學家而言，數學是一門宗教；而對普羅大衆來說，數學則是一塊絆腳石。但事實上，所有人在生活中的每時每刻都離不開數學。當我們打網球或下臺階時，我們相當於在解整頁的微分方程，我們的計算迅速、從容且不假思索，藉助的是大腦裡的模擬計算機。由於偏愛教條、施虐和鬼畫桃符的好爲人師者對這門學科形式化、符號化的表述，數學變得艱深晦澀。
在大部分情況下，在任何真正需要用數學方法論證的地方，我都會盡量使用最簡單的示意圖表。但是，我應該也會用到一些算術和一點兒初等代數知識，這畢竟是一種簡單、強大且方便的思維模式，雖然這樣說可能對數學家有些無禮。就算你以爲自己天生搞不懂代數問題，也請不要畏懼它。
《大都會》（2024）劇照。
還有一點要注意：結構是由材料構成的，我們既會談結構，也會聊材料；但事實上，材料和結構之間並沒有明確的分界線。鋼無疑是一種材料，福斯鐵路橋無疑是一個結構，但鋼筋混凝土、木材和人類肌體—所有這些東西都具有相當複雜的構成—既可被視爲材料，也可被看作結構。就像蛋頭先生（英文童謠中的角色，比喻摔壞了就無法修復的東西）那樣，本書中使用的“材料”一詞，指代了我們想用它指代的任何東西。它與其他人所謂的“材料”並不總是同義，這一點還是某次雞尾酒會上一位女士給了我啓發。
“能告訴我你是做什麼的嗎？”
“我是一名研究材料的教授。”
“擺弄衣服料子該是一件多麼有趣的事啊！”
本文經出版社授權刊發。 原文作者：[英]J.E.戈登；摘編：何也；編輯：李永博；導語校對：盧茜。歡迎轉發至朋友圈。文末含《寫童書的人》本廣告。
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