实验科学与欧洲战争技术：历史研究与探索

当今许多知名的历史学家对科学在西方崛起之路上的角色过于轻描淡写了，这个话题引起了很多讨论。45大多数这样的争论照例会集中于经济史，双方都很难动摇对方的观点，这大都因为科学和经济增长的联系在大分流开始之初——即18世纪——不容易确定。

不过，如果说科学和18世纪经济的关系还暧昧不明，那么科学和18世纪军事大分流的关系则是确定无疑的。欧洲在火药生产和枪炮设计上的领先都得益于实验科学的发展，英国多方面的领先与其胜出鸦片战争所系不可谓不大。

在18世纪中叶之前，人类对枪械和火药的基本原理都不甚明了。火药的用量，铳管的形状，既定质量和大小的弹丸速度，三者有何确切关系？一旦子弹出膛，空气阻力对弹丸和弹道的影响有多少？

17世纪，伽利略等人创建了弹道抛物线理论，画出弹道表来帮助炮手——伽利略甚至发明了大炮瞄准的装置，这给他带来了不菲的收入。46在后来几代人的时间里，有人改进了弹道表和瞄准装置，但是直到18世纪中叶，此类辅助工具仍然不甚精确，只在特定条件和特定范围才能发挥作用。

要做更好的枪，就要知道弹丸出膛速度。这个问题不简单。此时本杰明·罗宾斯（1707—1751）登场了。罗宾斯是牛顿的学生，他发明的东西改变了枪械科学：冲击摆。一个一人高的三脚架，下垂一个重摆，摆锤上固定一个靶子。实验开始时摆锤悬垂中央，然后用枪射击靶子，摆锤荡起。测量摆锤荡起的高度就能确定弹丸的动量，用牛顿的公式就能算出弹丸的速度。

冲击摆带来了枪械学革命。而最激动人心的发现是关于空气阻力的。伽利略在弹道学著作中将空气阻力的作用忽略不计，牛顿也是一样低估，或者说希望阻力只是随速度线性增大。但是罗宾斯证明了空气阻力非常重要。当时的模型测算，24磅（约11公斤）重的炮弹，以罗宾斯测算的出膛速度，可以达到16英里（约25公里）的射程，然而实际上仅仅只有3英里（约5公里）。所以空气阻力比预想的要大得多。更奇的是，这个结果并非线性。初速度越大，阻力作用就越强，而当接近音速时，阻力达到峰值。47罗宾斯的研究揭示了一个看不见的临界值——音速。达到音速，空气阻力将显著增大。没有人能预料这个现象，只有小心严谨的实验可以揭示。

罗宾斯的一本小书《火炮技术新原理》（New Principles of Gunnery）被译介和模仿。48伟大的瑞士数学家莱恩哈特·欧拉（1707—1783）就在腓特烈大帝的赞助下做出了一本德文版，把罗宾斯170页的小书扩展到了700多页，还加入了更为复杂的公式，把火药的反应效率（而罗宾斯假定气体膨胀是瞬间发生的）与必然通过火门和弹丸的膛管气压都纳入考虑。49最后得出了一组前所未有的高效公式，迅速被炮兵学习，计算出新的弹道表。50罗宾斯又回过来响应了欧拉的著作，重新修订了自己的书51，最后全欧洲的几十位科学家、数学家和炮手，都在罗宾斯和欧拉著作的基础上有所建树：爱尔兰人帕特里克·达西（为法国工作）、皮埃蒙特人帕帕奇诺·丹东尼、法国人夏尔·德·博达、英国人查尔斯·哈登、普鲁士人格尔格·弗雷德里希·滕佩尔霍夫、奥地利人格尔格·维加，以及法国人让-路易·隆巴德。这里择其要者列出，并非全部。52

他们的研究多半由政府资助，而政府则是由战争所驱动。奥地利王位继承战（1740—1748）刺激了奥地利、法国、英国，以及最出名的皮埃蒙特——它的统治者卡洛·伊曼纽尔三世直接问计于罗宾斯（罗宾斯建议他用低出膛速度的炮）。53战时和战后，皮埃蒙特人用冲击摆和其他工具来试验数据，设计新枪，优化枪口速度。他们还发明出在战场上不用工具便可测算枪口速度的方法：用一把枪射击夯土，察看弹丸的深度，再去比较另一把已知初速度的标准枪射出的深度。54

新的弹道科学彻底改变了枪炮的设计。火炮专家普遍认为发射物速度越大，威力越大。但科学新发现告诉我们，要让炮弹至少到达目标射程，空气阻力也是一个重要变量，因为大多数情况下它会降低火炮的威力。这意味着相对于炮弹重量，火炮可以造得小一些。

罗宾斯自己也在实践这条理论。他为英国皇家海军工作，提出了新的火炮设计方案——更短的炮管，更薄的炮壁，这样在发射重型炮弹时，速度更小，火药使用得更少。55皇家海军在18世纪晚期采用的臼炮就基于此。56臼炮确实不负众望。它更短小，更轻捷，用在近距离对舰战斗，比同样大小的传统舰炮杀伤力更大。并且它射击频率更高，因为炮壁薄，所以降温快。除此之外，因为轻，它还能安置在解决后坐力问题的滑动炮轨上，这意味着它在发射后还能瞄准目标，而安装在传统炮架上的大炮只能推回原位，重新瞄准。臼炮所需人手也更少。57

臼炮在鸦片战争的第一场战役就发挥了主要作用。1839年的11月初，两艘英舰遭遇16只戎克战船和13只纵火船的水上封锁，禁止它们进入中国广东。“窝拉疑”号（HMS Volage）载有二十六门舰炮，其中至少有十八门是臼炮。58两艘英舰凭借臼炮的速射本领，欺身靠拢，舷炮齐发。英舰手下留情，只击毁了六艘戎克船，留下了清军旗舰，其余全都四散遁走。清舰也有舰炮，却都是陈年老款。两艘英舰几无损伤。

在其后的水战中，臼炮都所向披靡。例如，1841年1月英军凭此利器攻占了三座有堡垒守卫的小岛，扼住了通往广州的咽喉。59参战的英舰比传统上装载了更多的臼炮。“阿勒琴”号（Algerine）一共10门炮，8门是臼炮；“康威”号（Conway）28门炮，26门为臼炮；“先驱”号（Herald）28门炮，26门为臼炮，不一而足。60面对迅速而猛烈的炮击，清军守将无法抵挡。他们不是没有火炮，只是太过老旧，难以瞄准和射击（虽然他们也缴获了一两尊臼炮）。英国海军上尉约翰·宾汉清点了那些堡垒中被英国缴获的炮，写道：“除了两门明显是英国旧船上的玩意儿，其他大炮都是中国的长管炮，发射12磅（5.44公斤）和24磅（10.88公斤）炮弹的。”61他还提到炮架也是老掉牙：“炮架是最为简陋的模样，只有一部分有轮子，别的就是一个木床。”62能够近距离、迅速发射重型铁弹，又省火药的臼炮，成了战争的关键兵器。

新的弹道学还为野战炮的研究打下了基础。野战炮和舰上臼炮一样，更短，更薄，更快，比早先形制也更便于携带。小巧的野战炮和类似火炮被称为榴弹炮，它们改变了欧洲地面战争的面貌，同样也和臼炮一样，在鸦片战争中发挥了巨大作用。最让人震惊的一例，当然也是最悲惨的一例，是1842年3月的宁波之战。在几个月之前的1841年10月，英军就已占领宁波，清军要夺回宁波。奕经（1791—1853）在长期准备之后，率领成千上万的清军两面夹击宁波城。他们攀城而上，冲击各处城门。

英军有一百人，装备火枪，四门野战炮，一门榴弹炮，他们开始还击。一名当时在场的英国士兵写道：“真是一场恐怖屠杀。歪歪扭扭的尸体相互枕藉如山。年老的军官说，除了在巴达霍斯，他们还没有见过在这么小的空间里有这么多尸体。”63（1812年的巴达霍斯之战是拿破仑战争中最血腥的战役之一。）另有记载说，“榴弹炮只在找不到活口之时才停止射击，留下扭动和惨叫的祭祀场景”。64宁波之战中，英军绝杀了清军的进攻，仅仅损失25人。苏格兰军医邓肯·麦克弗森说：“以上交火的正面作用非常明显，我们驻扎期间再没遭到一次骚扰。”65

野战炮和榴弹炮光有强大的火力还不够，它们还要便于人力运输，而同等威力的传统火炮需要成队的牛马牵引方能移动。66新式大炮有时甚至是轮式推车推动的，“有了这些，在狭窄的田埂上运送大炮就容易多了，在这个国家的耕作区行军，这是一个长期困难”。67多数时候，英军是在良好的通衢大道上行军。在逼近南京时，英军中尉约翰·奥克特罗尼说：“路面又宽又直，可以轻松地推着野战炮奔跑，直到接近城门。”68有时路没那么好，有些炮，比如山炮，可以拆开分零件运输。69

臼炮和轻型野战炮的出现当然不能单纯归因于科学进步。大量正式和非正式的试验也起了作用，比如新的铸造和钻孔技术。70但是应该说，新的弹道学为此奠定了理论和数学基础，而中国人并没有相应的知识。他们对英国人在火器方面的压倒性优势毫无准备。

在准确度上，英国人也很出色，因为新弹道学革新了弹道的计算方式。计算方式理论性很强，需要用到三角函数知识和微积分，这就是为什么在18世纪，欧洲国家纷纷建立了强调数学的军事教育体系，比如皮埃蒙特皇家炮兵和工兵学校（1739年成立），以及更著名的法兰西炮兵学校。

法兰西炮兵学校，尤其是皇家炮兵学校，不仅以严格的课程著称，还以著名校友拿破仑·波拿巴闻名。学生时的拿破仑在笔记中详细记录了罗宾斯和欧拉的理论，特别研究了空气阻力，注意到罗宾斯著作中提到锯短炮管、减少重量就能造出一门更好的野战炮。他甚至在学生时代就开始研究弹道，写过一篇论文，研究如何用一门标准火炮发射迫击炮炮弹。71拿破仑太爱他的研究了，以至于他后来说，如果戎马难继，他会很高兴地去当一名数学教授。72有人认为他的数学背景可能是他成就伟业的一大关键，让他能够科学地理解战争。73这么说也许夸张，但不可否认的是他对弹道学的掌握让他在战场上游刃有余。于他炮下丧生的敌人不计其数，就如同后来英军对中国军队的杀戮一样。

英国人不甘心被法国人超越，也大力发展自己的军事院校。伍里奇一所建于1741年的军校为“军械局所有分支的人员”教授数学，“让他们能在炮兵和工兵部队中服役”。74罗宾斯的《火炮技术新原理》成为课程基础，甚至用作教科书。75(https://www.xing528.com)

教育的结果就是参与鸦片战争的英国炮手都能运用弹道理论考虑火药产生的气压膨胀问题，火门和过膛导致的压力减小问题，以及风阻问题。清军就没有这样的理论来源。文艺复兴弹道学传入中国是在16世纪末至17世纪，而1661年至1668年的中荷战争中，中国炮兵和欧洲是不相上下的，甚至更强。76（荷兰总督哀叹，在炮战中“敌军……操炮太过熟练……让我军羞愧”。）77但到了18世纪中叶，欧洲人在试验冲击摆的时候，中国人在弹道方面就没有什么值得一提的研究了。这一点，给了英国人压倒性的优势。实际上，清军的炮架通常都不能旋转或水平升降，而英国人配备了一切瞄准器具。

需要计算的不仅仅是瞄准，还有时机。新弹道学革新了可爆炮弹的使用。中国和欧洲好几个世纪以来都在用可爆炮弹，但直到新弹道学出现，以及掌握了大量关于引信燃速的实验数据之后，欧洲炮兵军官才有了不同以往的能力——精确判断炮弹的爆炸时间。成功与否就在百分之一秒。比如说发射迫击炮要求炮弹落地就炸；而瞄准的是人的话，就需要炮弹在敌人头顶爆炸。新的炮兵手册里就含有这样的表格，按火炮类型、火药量等分门别类，只有受过一定数学训练的人才会使用。78

可爆炮弹和臼炮、榴弹炮一样，在鸦片战争中起了关键作用。在第二次穿鼻海战中，炮弹被扔到了中国人的堡垒中，爆炸“精度极高……把中国人吓了一大跳，因为他们完全没见过这么厉害的武器……中国人抵挡不了多久‘女王’号68磅（30.84公斤）的炮弹了，还有‘复仇女神’号两门32磅（14.51公斤）炮弹的旋座火炮，弹片插在了堡垒的城墙上”。79野战炮用的也是可爆炮弹，尤其是致命的榴弹炮也用。后者我们已经看到，在宁波一战屠戮甚众，炮手因为尸体堆积太高不得不停下火力。列阵出战、火力配合的榴弹炮在中英鸦片战争的史料中多次提及。80总而言之，可爆炮弹是一项令中国人叹为观止的科技。81

弹道革命或许是18世纪有关战争最重大的科学进步了，但它远远不是唯一一个。欧洲人还在火药上下了功夫。82可能最重大的革新是1783年，老威廉·康格里夫（1742—1814）主掌英格兰皇家火药厂之后。他领导了一系列系统化的试验，建立了专门的试验场、硝石精炼厂和实验室。83他有很多科学发现，其中之一是发现了用密封铁罐制造出的木炭可以产出更好的火药。在大革命和拿破仑战争期间，这种“铁罐火药”（cylinder powder）让英国火药闻名世界，效果比传统火药好一倍，还更不易受潮。84

相比之下，19世纪30年代的中国人还在使用清早期的火药制法。85英国人看透了这一点。英军中尉约翰·埃利奥特·宾汉在1841年缴获了一些中国火药，他写道：“虽然中国火药的成分比例和我们非常类似，但用的都是下等货。”86他和同僚把好几千磅（1磅约为0.45公斤）的中国火药扔进了大海。有时英国人也会屈尊用一点中国火药，用来炸毁缴获的船只和占领的堡垒，但即便是这时候，中国火药都不能不辱使命。87

欧洲火药更好，但它也更便宜，更高产。拿破仑战争催生了火药的需求，也吸引了新装备和新人工的投入，老威廉·康格里夫就借此增加了试验量和产出量。88

他死于1814年，他的儿子小威廉·康格里夫（1772—1828）继承了衣钵，继续试验。他发明了一种机器，可以将火药的配料以正确比例混合，还有另一种用齿状辊和滤筛按颗粒大小筛选火药的机器。

他还擅长所有科学家都要面对的俗务：拉赞助。他不知疲倦地以战争的名义游说。他写道，拿破仑控制了庞大的疆域，英国不得不在一切偏僻的角落付出努力：“千万人口的英国不得已和十倍于己的对手开战——人类能做什么，英国人就能做什么！但是所有的人力总有极限。当数量差距如此悬殊，求助于一切人工巧思就顺理成章。他以机械的力量去弥补国家实力之不足，这深有功于国。”89

小康格里夫尤其对火箭科学饱含热情。他著名的“康格里夫火箭”——它“火红色的火焰”已经写到了美国国歌里——实际上是受到了印度火箭的启发。18世纪末，迈索尔苏丹国——位于今天的印度南部——与英国发生了一系列战争，今天称为英国—迈索尔战争（1767—1792）。虽然英军最终得胜，但迈索尔苏丹的军队亦骁勇善战，他们的武器中就有大型铁质火箭，英军从而开始复制。康格里夫不愿承认这一点，他只是顺便提及，他的火箭受到的是“中国古代精品”的启发。90

他的火箭却不怎么有效。通过试验，他改进射程、精度和威力，他游说皇家海军用火箭代替舰载迫击炮作助燃剂。他需要战胜别人的怀疑。一位海军将领写道：“康格里夫先生，是个巧匠，他沉溺于火箭，但我却看不到他有任何成功的可能。”91但康格里夫有贵人相助。威尔士亲王在布莱顿的皇家行宫读到了他的计划，这是一座仿莫卧儿清真寺风格的建筑，内饰满是中国龙纹、袖珍佛塔，墙上画着身着朝服的清朝官员。92亲王下令举行花销巨大的海上测试，但效果不佳。康格里夫也不放弃，最终，皇家海军使用了他的火箭。93

这些火箭在鸦片战争中的作用令人瞠目。在第二次穿鼻海战（1841年）中，康格里夫发明的火箭助英军击溃了由十五艘戎克战船组成的中国舰队（也有资料说是十一艘）。一位英方的参战人员写下了这段血肉横飞的文字：

康格里夫火箭是撒手锏之一，任何船……都可以装配，只要正确使用，特别是对准了易燃物，就是件恐怖的武器。“复仇女神”号发射了第一支火箭，射中了主舰旁一艘巨大的戎克船。船登时炸得个四分五裂，爆炸喷吐出剧烈的火焰，如火山爆发一般，所有船员立时灰飞烟灭。巨大的船体瞬间毁灭的惨状，让双方水师将士都目瞪口呆。烟尘，烈焰，惊雷般的爆炸，碎片撒满水面，炸碎的残肢从天而降，足以让最坚强的人心生敬畏，甚至心惊胆战。94

骇人的威势让双方都一时呆立阵前。接着清军放弃了剩下的舰船。最终十三艘戎克船被摧毁。95

康格里夫火箭在陆上也如鱼得水。1841年2月27日，在康格里夫火箭的帮助下，英军占领了通往广州的一座岛上要津。一个英国人写道：“几支火箭射出，行动就开始了……火箭射向了海关关卡，这座关卡设在北旺通（wang-tong fort）的人口。火箭打的就是这个位置，顿时火起，关卡守卫迅速通知营房，卫兵奔走不绝。”96火箭的准确度和威力再一次引起了震动：“炮弹和火箭横飞，他们从没见过这种景象，恐惧中乱了阵脚。据报告，有理由相信中国军官在第一轮攻击后就决定弃城登舟。”97在几乎每场重大战役中，火箭都屡试不爽，如英国人记录——“消遣敌人”。98

鸦片战争的史料中俯拾即是的英人致命武器——火箭、臼炮、野战炮、可爆炮弹，还有榴弹炮，都是在实验科学的基础之上研发的。罗宾斯的弹道革命继承了牛顿、波义耳、伯努利，又由莱恩哈特·欧拉等科学家、数学家、火炮专家所发扬，代表了人类对火炮工作的深层原理在理解上的演变。试验是艰苦的，其结果远非直觉所得。没有实验的文化和传统，不可能换得来知识，而且还是极为实用的知识，这直接影响了战争缔造者的行为。英国人目击了中国火炮是如何的孱弱，或者说中国炮手如何不善射击，他们做出了清晰而客观的比对。英国火炮学建立在实验科学之上，中国的却不是。

当然，决定鸦片战争的还有更多工业时代的典型。蒸汽船“复仇女神”号是战争中的主力，时常逆风航行，逆流拖拽。蒸汽动力并非“复仇女神”唯一领先之处，它还吃水很浅。16世纪到17世纪，中国人使用浅吃水船对付荷兰人和葡萄牙人，在浅滩开战，故而得胜。这种战术对付“复仇女神”则不灵，后者吃水仅五英尺（一米半）。第二次穿鼻海战中，一艘戎克船在浅滩躲避，“复仇女神”号则单刀直入。戎克船正要前往更浅的海湾，“复仇女神”直接将之拖出击沉。一名英国军官记录，某个中国人亲眼见到“复仇女神”在浅水游弋，而这是他们通常蹚水的地方：“啊呀！怎么会！我从来没见过这样的鬼子船，人在哪儿游它就能在哪儿走。”99

鸦片战争是工业化的战争：“复仇女神”号等蒸汽船担任要角，利用工业生产技术炼钢、铸炮、混药，甚至让这些产品更加便宜。尽管如此，成就英国在对中国的军事大分流中领先的还要数罗宾斯等人代表的科学。当然，还有赖于中国在一个时期内相对和平的环境。

可是大清和平一朝翻覆，中国的领导人、政治家、学者该如何应对？明朝和清朝初年，中国向外学习得又快又好，大体与欧洲齐头并进，而19世纪合该有更多的挑战。