西罗亚楼倒塌事故：结构研究揭开真相

西罗亚楼倒塌了，死了十八个人，你们以为他们的罪孽深过住在耶路撒冷的所有人吗？

——《圣经·新约全书·路加福音》（Luke 13：4）

许多人——尤其是英格兰人——厌恶理论，他们一般不怎么看得起理论家。这似乎特别适用于强度和弹性问题。相当一部分人不敢涉足化学或医学领域，却自认为有能力制造出一个关乎人命的结构。如果施加一些压力，他们可能会承认造一座大桥或一架飞机有点儿超出他们的能力范围，然而，那些关乎人命的普通结构真的就谁都能造出来吗？

这不是说搭一座寻常的棚子也是一件需经年累月研究的要事；然而，整个学科确实遍布着稍不留神就会掉入的陷阱，许多事情也不像看上去那么简单。在绝大多数情况下，工程师只是同律师和送葬者一道出现，专门应付属于“实干家”的结构事务。

然而，数个世纪以来，实干家都在按自己的套路行事，至少在某些制造领域是这样。如果你游览一座主教座堂（cathedral），就难免会问：建造者的技巧或信念，哪一个给你的印象更深？这些建筑不仅仅在体量上堪称宏伟，某些似乎还超越了其构造材质的沉闷笨重，升华到了艺术与诗性的境界。

从表面上看，中世纪的石匠显然对如何建造教堂和主教座堂了如指掌，当然他们往往成就斐然且精于此道。然而，如果你有机会向一位石匠大师讨教此中的细节和原理，我想他可能会这么说：“建筑的屹立有赖于无处不在的上帝之手，当我们建造它时，我们恪守传统的规矩与我们技艺的奥秘。”

然而，我们看见和欣赏的是那些存世的建筑：虽然身负“奥秘”、技巧和经验，但中世纪的石匠也不总是成功的。在他们更具野心的尝试中，很大一部分在建成后不久便坍塌了，有的甚至在施工期间便倒下了。但是，这些灾难多半被视为天谴，是为了惩罚罪恶，而不是纯粹由技术上的无知造成的后果。因此，我们有必要谈谈西罗亚楼。^[2]

或许，因为太沉迷于好手艺的道德意义，旧时代的建筑师、木匠和造船工似乎未曾从科学角度思考过一个结构为何能够承载一定的负荷。雅克·海曼（Jacques Heyman）教授曾明确指出，造主教座堂的石匠，无论如何也不会以现代的方式思考或设计。虽然中世纪工匠的一些成就令人印象深刻，但他们那些“规矩”和“奥秘”的智力水准可能和一本烹饪手册没多大区别。这些人所做的事情基本上就是沿袭以前的工作。

我们将在第9章看到，砖石结构是一种特例，仅依靠经验和传统比例将小教堂扩建为大型主教座堂有时之所以安全可行，是有其特殊原因的。而对其他类型的结构而言，这么做则行不通，甚至相当危险。这就是为何虽然建筑物越来越大，但在相当长时间里大型船舶的尺寸几乎保持不变。没有科学的方法来预测工程结构的安全性，尝试制造全新或截然不同的装置只能以灾难告终。

因此，一代又一代人逐渐不再用理性的思维解决强度的难题。然而，如果你总是在内心深处搁置自认为很重要的问题，那么你在心理上一定不舒服，你害怕的事往往会发生。这个难题变成了滋生残忍和迷信的温床。当某位达官贵人为新船下水开香槟酒，或者一位大腹便便的市镇长官为建筑开工奠基时，这些仪式典礼正是某些残忍献祭的最后残余。

中世纪，天主教会查禁了大多数献祭仪式，但这对鼓励科学方法的使用并没有多大帮助。为了完全摆脱此类做法，或者为了承认上帝可以借助科学规律的力量来行事，需要一次彻底的思想转变，一种我们今天难以体会的精神蜕变。当科学术语几乎不存在时，就需要将想象力与知识素养别出心裁地结合在一起。

结果表明，旧时代的工匠从未在这方面做出过努力。有趣的是，关于结构的严肃研究的真正开端，可追溯至宗教裁判所的迫害和愚民政策。1633年，伽利略（1564—1642）因其革命性的天文发现而触怒天主教会，他的工作被认为威胁了宗教神权和世俗政权的基础。教会严禁他涉足天文学研究，在众所周知的改邪归正之后，^[3]他幸运地获准退隐于佛罗伦萨附近的阿切特里。名义上蛰居家中，实质上被软禁的他开始研究材料强度，我猜想这是他可以想到的最安全且颠覆性最小的课题了。

就有关材料强度的知识而言，伽利略的贡献仅算略有创新，但你务必牢记他开始研究该课题时已年近七旬，饱经风霜且形同囚徒。然而，他获准同欧洲各地的学者通信，而他的显赫声名为其从事的所有研究都赋予了权威性和知名度。

在他存世的许多信件中，有几封是关于结构的，其中他与法国的马林·梅森（Marin Mersenne）的通信似乎尤为成果显著。马林·梅森是一位耶稣会神父，但想必无人会否认他在金属丝强度方面的研究。埃德梅·马略特（Edmé Mariotte）更年轻，也是一位神父，是第戎附近的葡萄酒之乡圣马丁苏博讷的修道院院长。他用了大半辈子的时间来研究地质力学的规律，以及杆在拉伸和弯曲状态下的强度。在路易十四治下，他促成了法兰西科学院的创立，博得了天主教会和世俗政权的欢心。值得注意的是，这些人里没有一个是专职的建筑或造船工匠。(www.xing528.com)

到了马略特的时代，研究材料和结构负载行为这门学问开始被称为弹性科学（原因将在下一章中揭示），我会在本书中反复使用这个名词。大概自150年前这门学科得到数学家的重视后，有关弹性的枯燥晦涩的著作汗牛充栋，一代代学生在有关材料和结构的讲授中深受无聊的摧残。以我之见，故作高深与故弄玄虚实无必要，而且往往离题万里。固然，有关弹性的深层次研究一定与数学有关，也非常艰深，但这类理论可能只是偶尔被成功的工程设计人员采用。许多寻常用途实际所需的学问，很容易被任何有心的聪明人理解。

街上的路人或车间里的工人认为他们几乎不需要理论知识。工科教员倾向于宣称，想要有所收获，不借助高等数学是办不到的，即使办得到，也不过是旁门左道。在我看来，像你我这样的凡夫俗子跟某些介于中间的——我希望是更有趣的——知识异常投缘。

尽管如此，我们也不能完全回避数学问题，据说它起源于古巴比伦，也许就是建造巴别塔的时代。对科学家和工程师而言，数学是一种工具；对数学家而言，数学是一门宗教；但对普罗大众来说，数学则是一块绊脚石。事实上，所有人在生活中的每时每刻都离不开数学。当我们打网球或下楼时，我们实际上在解整页的微分方程，我们的计算迅速、从容且不假思索，借助的是大脑里的模拟计算机。由于偏爱教条、施虐和鬼画桃符的好为人师者对这门学科形式化、符号化的表述，数学变得艰深晦涩。

在大部分情况下，在任何真正需要用数学方法论证的地方，我都会尽量使用最简单的示意图表。但是，我们应该也会用到一些算术和一点儿初等的代数，这毕竟是一种简单、强大且方便的思维模式，这样说可能对数学家有些无礼。纵然你以为自己天生搞不懂代数问题，也请不要畏惧它。可是，若你执意略过它，你仍可以从本质上读懂本书，而不至于错过太多细节。

还有一点要注意：结构是由材料构成的，我们既会谈结构，也会聊材料；但事实上，材料和结构之间并没有明确的分界线。钢无疑是一种材料，福斯铁路桥无疑是一个结构，但钢筋混凝土、木材和人类肌体——所有这些东西都具有相当复杂的构成——既可被视为材料，也可被看作结构。就像蛋头先生（Humpty-Dumpty）^[4]那样，本书中使用的“材料”一词，指代了我们想用它指代的任何东西。它与其他人所谓的“材料”并不总是同义，这一点还是某次鸡尾酒会上一位女士给了我启发。

“能告诉我你是做什么的吗？”

“我是一名研究材料的教授。”

“摆弄衣服料子该是多么有趣的一件事啊！”

【注释】

[1]这里的“更轻”指比活塞和风箱更轻。

[2]在吉尔伯特·莫里（Gilbert Murray）的《希腊宗教的五个阶段》（Five Stages of Greek Religion，O.U.P.，1930）中，对该话题的异教观点有一个有趣的探讨。此外，涉及结构的泛灵论（animism）的问题也值得研究。

[3]当时他被迫放弃地球绕太阳公转的观点。1600年，乔达诺·布鲁诺曾因这一异端思想被处以火刑。

[4]蛋头先生是英文童谣中的角色，比喻摔坏了就无法修复的东西。——译者注