高樓為什么會倒塌

西羅亞樓倒塌了，死了十八個人，你們以為他們的罪孽深過住在耶路撒冷的所有人嗎？

——《圣經·新約全書·路加福音》（Luke 13:4）

許多人——尤其是英格蘭人——厭惡理論，他們一般不怎么看得起理論家。這似乎特別適用于強度和彈性問題。相當一部分人不敢涉足化學或醫學領域，卻自認為有能力制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范圍，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，整個學科確實遍布著稍不留神就會掉入的陷阱，許多事情也不像看上去那么簡單。在絕大多數情況下，工程師只是同律師和送葬者一道出現，專門應付屬于“實干家”的結構事務。

然而，數個世紀以來，實干家都在按自己的套路行事，至少在某些制造領域是這樣。如果你游覽一座主教座堂（cathedral），就難免會問：建造者的技巧或信念，哪一個給你的印象更深？這些建筑不僅僅在體量上堪稱宏偉，某些似乎還超越了其構造材質的沉悶笨重，升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了如指掌，當然他們往往成就斐然且精于此道。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，我想他可能會這么說：“建筑的屹立有賴于無處不在的上帝之手，當我們建造它時，我們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筑：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，很大一部分在建成后不久便坍塌了，有的甚至在施工期間便倒下了。但是，這些災難多半被視為天譴，是為了懲罰罪惡，而不是純粹由技術上的無知造成的后果。因此，我們有必要談談西羅亞樓。

或許，因為太沉迷于好手藝的道德意義，舊時代的建筑師、木匠和造船工似乎未曾從科學角度思考過一個結構為何能夠承載一定的負荷。雅克·海曼（Jacques Heyman）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。

我們將在第9章看到，磚石構造是一種特例，僅依靠經驗和傳統比例將小教堂擴建為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，這么做則行不通，甚至相當危險。這就是為何雖然建筑物越來越大，但在相當長時間里大型船舶的尺寸幾乎保持不變。沒有科學的方法來預測工程結構的安全性，嘗試制造全新或截然不同的裝置只能以災難告終。

因此，一代又一代人逐漸不再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為很重要的問題，那么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床。當某位達官貴人為新船下水開香檳酒，或者一位大腹便便的市鎮長官為建筑開工奠基時，這些儀式典禮正是某些殘忍獻祭的最后殘余。

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并沒有多大幫助。為了完全擺脫此類做法，或者為了承認上帝可以借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。

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，關于結構的嚴肅研究的真正開端，可追溯至宗教裁判所的迫害和愚民政策。1633年，伽利略（1564—1642）因其革命性的天文發現而觸怒天主教會，他的工作被認為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，在眾所周知的改邪歸正之后，他幸運地獲準退隱于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。

就有關材料強度的知識而言，伽利略的貢獻僅算略有創新，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，他獲準同歐洲各地的學者通信，而他的顯赫聲名為其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，有幾封是關于結構的，其中他與法國的馬林·梅森（Marin Mersenne）的通信似乎尤為成果顯著。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（Edmé Mariotte）更年輕，也是一位神父，是第戎附近的葡萄酒之鄉圣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，以及桿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，博得了天主教會和世俗政權的歡心。值得注意的是，這些人里沒有一個是專職的建筑或造船工匠。

到了馬略特的時代，研究材料和結構負載行為這門學問開始被稱為彈性科學（原因將在下一章中揭示），我會在本書中反復使用這個名詞。大概自150年前這門學科得到數學家的重視后，有關彈性的枯燥晦澀的著作猶如汗牛充棟，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采用。許多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。

街上的路人或車間里的工人認為他們幾乎不需要理論知識。工科教員傾向于宣稱，想要有所收獲，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。在我看來，像你我這樣的凡夫俗子跟某些介于中間的——我希望是更有趣的——知識異常投緣。

盡管如此，我們也不能完全回避數學問題，據說它起源于古巴比倫，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；但對普羅大眾來說，數學則是一塊絆腳石。事實上，所有人在生活中的每時每刻都離不開數學。當我們打網球或下樓時，我們實際上在解整頁的微分方程，我們的計算迅速、從容且不假思索，借助的是大腦里的模擬計算機。由于偏愛教條、施虐和鬼畫桃符的好為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，我們應該也會用到一些算術和一點兒初等的代數，這畢竟是一種簡單、強大且方便的思維模式，這樣說可能對數學家有些無禮。縱然你以為自己天生搞不懂代數問題，也請不要畏懼它。可是，若你執意略過它，你仍可以從本質上讀懂本書，而不至于錯過太多細節。

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，材料和結構之間并沒有明確的分界線。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復雜的構成——既可被視為材料，也可被看作結構。就像蛋頭先生（Humpty-Dumpty）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”并不總是同義，這一點還是某次雞尾酒會上一位女士給了我啟發。

“能告訴我你是做什么的嗎？”

“我是一名研究材料的教授。”

“擺弄衣服料子該是多么有趣的一件事啊！”