結(jié)構(gòu)曾被定義為任何用于承受載荷的材料的組合，而研究結(jié)構(gòu)是科學(xué)的傳統(tǒng)分支之一。如果一個工程結(jié)構(gòu)倒塌，就可能出現(xiàn)人員傷亡，因此工程師必須小心謹(jǐn)慎地探究結(jié)構(gòu)的行為。然而遺憾的是，當(dāng)工程師向大家普及他們的專業(yè)時，麻煩就來了：他們總是說著奇怪的用語，于是一些人便認(rèn)為，研究結(jié)構(gòu)及其負(fù)載的方式令人費(fèi)解、無關(guān)緊要，也實(shí)在無聊。但是，結(jié)構(gòu)無處不在，我們實(shí)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(qiáng)度的機(jī)械性力量而不致?lián)p壞，所以實(shí)際上，萬物皆有結(jié)構(gòu)。
當(dāng)我們談?wù)摻Y(jié)構(gòu)時，我們不僅要問為何房屋和橋梁會坍塌、機(jī)器和飛機(jī)有時會壞掉，還要問蠕蟲為何長成那種形態(tài)，以及蝙蝠為什么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?yōu)楹螘把岜惩础?？翼手龍的體重怎么那么輕？鳥類為何有羽毛？我們的動脈如何工作？我們能為殘疾兒童做些什么？為什么帆船要那樣裝配帆索？為什么拉開奧德修斯之弓很難？為什么古人晚上要把戰(zhàn)車的輪子卸下來？希臘投石機(jī)是如何工作的？為什么蘆葦會隨風(fēng)搖曳？為什么帕提儂神廟如此壯美？工程師能從天然結(jié)構(gòu)中得到什么啟示？醫(yī)生、生物學(xué)家、藝術(shù)家和考古學(xué)家能從工程師那兒學(xué)到些什么？
事實(shí)表明，理解結(jié)構(gòu)的原理和損壞的原因是一場斗爭，其艱難與漫長遠(yuǎn)非常人所能預(yù)料。直到最近，我們才補(bǔ)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(dāng)然，隨著將更多塊拼圖匯集組裝，整個圖景越發(fā)清晰：這門學(xué)科整體上不再局限于專業(yè)研究的狹窄范圍，而越發(fā)貼近大眾的普遍利益，普通人也能從中獲益。
《結(jié)構(gòu)：萬事萬物為什么不會倒塌？》，[英]J.E.戈登 著，李輕舟 譯，中信出版集團(tuán)2024年10月版。
那些關(guān)乎人命的普通結(jié)構(gòu)
誰都能造出來嗎？
許多人——尤其是英格蘭人——厭惡理論，他們一般不怎么看得起理論家。這似乎特別適用于強(qiáng)度和彈性問題。相當(dāng)一部分人不敢涉足化學(xué)或醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，卻自認(rèn)為有能力制造出一個關(guān)乎人命的結(jié)構(gòu)。如果施加一些壓力，他們可能會承認(rèn)造一座大橋或一架飛機(jī)有點(diǎn)兒超出他們的能力范圍，然而，那些關(guān)乎人命的普通結(jié)構(gòu)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(jīng)年累月研究的要事，然而，這個學(xué)科確實(shí)遍布著稍不留神就會掉入的陷阱，許多事情并不像看上去那么簡單。在絕大多數(shù)情況下，工程師只是同律師和送葬者一道被叫進(jìn)來，專門應(yīng)付本屬于“實(shí)干家”的結(jié)構(gòu)事務(wù)。
然而，數(shù)個世紀(jì)以來，實(shí)干家都在按自己的套路行事，至少在某些制造領(lǐng)域是這樣。如果你游覽一座主教座堂，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。這些建筑不僅僅在體量上堪稱宏偉，某些方面似乎還超越了其構(gòu)造材質(zhì)的沉悶笨重，升華到了藝術(shù)與詩性的境界。
從表面上看，中世紀(jì)的石匠顯然對如何建造教堂和主教座堂了如指掌，當(dāng)然他們往往成就斐然且精于此道。然而，如果你有機(jī)會向一位石匠大師討教此中的細(xì)節(jié)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(dāng)我們建造它時，我們只需恪守傳統(tǒng)的規(guī)矩與我們技藝的奧秘?！?/p>
然而，我們看見和欣賞的是那些存世的建筑：雖然身負(fù)“奧秘”、技巧和經(jīng)驗(yàn)，但中世紀(jì)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(zāi)難多半被視為天譴，是為了懲罰罪惡，而不是純粹由技術(shù)上的無知造成的后果。因此，我們有必要談?wù)勎髁_亞樓。
《大都會》（2024）劇照。
或許，因?yàn)樘撩杂诤檬炙嚨牡赖乱饬x，舊時代的建筑師、木匠和造船工未曾從科學(xué)角度思考過一個結(jié)構(gòu)為何能夠承載一定的負(fù)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(xiàn)代的方式思考或設(shè)計。雖然中世紀(jì)工匠的一些成就令人印象深刻，但他們那些“規(guī)矩”和“奧秘”的智力水準(zhǔn)可能和一本烹飪手冊沒多大區(qū)別。這些人所做的事情基本上就是沿襲以前的工作。
磚石結(jié)構(gòu)是一種特例，僅依靠經(jīng)驗(yàn)和傳統(tǒng)比例將小教堂擴(kuò)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(jié)構(gòu)而言，這么做則行不通，甚至相當(dāng)危險。這就是為何雖然建筑物越來越大，但在相當(dāng)長時間里大型船舶的尺寸幾乎保持不變。不事先用科學(xué)的方法來預(yù)測工程結(jié)構(gòu)的安全性，貿(mào)然制造全新或截然不同的裝置，只能以災(zāi)難告終。
因此，一代又一代人都未曾用理性的思維解決強(qiáng)度的難題。然而，如果你總是在內(nèi)心深處擱置自認(rèn)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(fā)生。這個難題變成了滋生殘忍和迷信的溫床。當(dāng)某位達(dá)官貴人為新船下水開香檳酒，或者一位大腹便便的市鎮(zhèn)長官為建筑開工奠基時，這些儀式典禮往往成為某些殘忍獻(xiàn)祭的最后殘余。
中世紀(jì)，天主教會查禁了大多數(shù)獻(xiàn)祭儀式，但這對鼓勵科學(xué)方法的使用并沒有多大幫助。為了完全擺脫此類做法，或者說為了承認(rèn)上帝可以借助科學(xué)規(guī)律的力量來行事，需要一次徹底的思想轉(zhuǎn)變，一種我們今天難以體會的精神蛻變。當(dāng)科學(xué)術(shù)語幾乎不存在時，就需要將想象力與知識素養(yǎng)別出心裁地結(jié)合在一起。
材料和結(jié)構(gòu)之間
并沒有明確的分界線
結(jié)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(guān)于結(jié)構(gòu)的嚴(yán)肅研究的真正開始，可歸因于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(fā)現(xiàn)而觸怒天主教會，他的工作被認(rèn)為威脅了宗教神權(quán)和世俗政權(quán)的基礎(chǔ)。教會嚴(yán)禁他涉足天文學(xué)研究，在眾所周知的改邪歸正之后，他幸運(yùn)地獲準(zhǔn)退隱于佛羅倫薩附近的阿切特里。名義上蟄居家中，實(shí)質(zhì)上被軟禁的他開始研究材料強(qiáng)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(guān)材料強(qiáng)度的認(rèn)識而言，僅算略有創(chuàng)新，但你務(wù)必牢記他開始研究該課題時已年近七旬，飽經(jīng)風(fēng)霜且形同囚徒。然而，他獲準(zhǔn)同歐洲各地的學(xué)者通信，而他的顯赫聲名為他從事的所有研究都賦予了權(quán)威性和知名度。
在他存世的許多信件中，有幾封是關(guān)于結(jié)構(gòu)的，其中他與法國的馬林·梅森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?zé)o人會否認(rèn)他在金屬絲強(qiáng)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(xiāng)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(zhì)力學(xué)的規(guī)律，以及桿在拉伸和彎曲狀態(tài)下的強(qiáng)度。在路易十四治下，他促成了法蘭西科學(xué)院的創(chuàng)立，并同時博得了天主教會和當(dāng)局政權(quán)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。
《大都會》（2024）劇照。
到了馬略特的時代，研究負(fù)載下的材料和結(jié)構(gòu)負(fù)載行為的這門學(xué)問開始被稱為彈性科學(xué)。自150年前這門學(xué)科得到數(shù)學(xué)家的重視后，有關(guān)彈性的枯燥晦澀的著作汗牛充棟，一代代學(xué)生在有關(guān)材料和結(jié)構(gòu)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(shí)無必要，而且往往離題萬里。固然，有關(guān)彈性的深層次研究一定與數(shù)學(xué)有關(guān)，也非常艱深，但這類理論可能只是偶爾被成功的工程設(shè)計人員采用。大多數(shù)尋常用途實(shí)際所需的學(xué)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(rèn)為他們幾乎不需要理論知識。工科教員則傾向于假稱，想要有所收獲，不借助高等數(shù)學(xué)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于中間的——我希望是更有趣的——知識異常投緣。
盡管如此，我們還是不能完全回避數(shù)學(xué)問題，據(jù)說它起源于古巴比倫，也許就是建造巴別塔的時代。對科學(xué)家和工程師而言，數(shù)學(xué)是一種工具；對數(shù)學(xué)家而言，數(shù)學(xué)是一門宗教；而對普羅大眾來說，數(shù)學(xué)則是一塊絆腳石。但事實(shí)上，所有人在生活中的每時每刻都離不開數(shù)學(xué)。當(dāng)我們打網(wǎng)球或下臺階時，我們相當(dāng)于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(jī)。由于偏愛教條、施虐和鬼畫桃符的好為人師者對這門學(xué)科形式化、符號化的表述，數(shù)學(xué)變得艱深晦澀。
在大部分情況下，在任何真正需要用數(shù)學(xué)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(yīng)該也會用到一些算術(shù)和一點(diǎn)兒初等代數(shù)知識，這畢竟是一種簡單、強(qiáng)大且方便的思維模式，雖然這樣說可能對數(shù)學(xué)家有些無禮。就算你以為自己天生搞不懂代數(shù)問題，也請不要畏懼它。
《大都會》（2024）劇照。
還有一點(diǎn)要注意：結(jié)構(gòu)是由材料構(gòu)成的，我們既會談結(jié)構(gòu)，也會聊材料；但事實(shí)上，材料和結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，但鋼筋混凝土、木材和人類肌體—所有這些東西都具有相當(dāng)復(fù)雜的構(gòu)成—既可被視為材料，也可被看作結(jié)構(gòu)。就像蛋頭先生（英文童謠中的角色，比喻摔壞了就無法修復(fù)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”并不總是同義，這一點(diǎn)還是某次雞尾酒會上一位女士給了我啟發(fā)。
“能告訴我你是做什么的嗎？”
“我是一名研究材料的教授。”
“擺弄衣服料子該是一件多么有趣的事?。 ?/p>
原文作者/[英]J.E.戈登
摘編/何也
編輯/李永博
導(dǎo)語校對/盧茜
