《结构》：为何房屋和桥梁会坍塌？

结构曾被定义为任何用于承受载荷的材料的组合，而研究结构是科学的传统分支之一。如果一个工程结构倒塌，就可能出现人员伤亡，因此工程师必须小心谨慎地探究结构的行为。然而遗憾的是，当工程师向大家普及他们的专业时，麻烦就来了：他们总是说着奇怪的用语，于是一些人便认为，研究结构及其负载的方式令人费解、无关紧要，也实在无聊。但是，结构无处不在，我们实在没法视而不见：毕竟，所有动植物以及几乎所有的人造物都必须能够承受某种强度的机械性力量而不致损坏，所以实际上，万物皆有结构。

当我们谈论结构时，我们不仅要问为何房屋和桥梁会坍塌、机器和飞机有时会坏掉，还要问蠕虫为何长成那种形态，以及蝙蝠为什么能飞过玫瑰花丛而保持翅膀完好无损。我们的肌腱如何工作？我们为何会“腰酸背痛”？翼手龙的体重怎么那么轻？鸟类为何有羽毛？我们的动脉如何工作？我们能为残疾儿童做些什么？为什么帆船要那样装配帆索？为什么拉开奥德修斯之弓很难？为什么古人晚上要把战车的轮子卸下来？希腊投石机是如何工作的？为什么芦苇会随风摇曳？为什么帕提侬神庙如此壮美？工程师能从天然结构中得到什么启示？医生、生物学家、艺术家和考古学家能从工程师那儿学到些什么？

事实表明，理解结构的原理和损坏的原因是一场斗争，其艰难与漫长远非常人所能预料。直到最近，我们才补上了部分知识漏洞，这使得我们能以某些有效或巧妙的办法回答上述一部分问题。当然，随着将更多块拼图汇集组装，整个图景越发清晰：这门学科整体上不再局限于专业研究的狭窄范围，而越发贴近大众的普遍利益，普通人也能从中获益。

《结构：万事万物为什么不会倒塌？》，[英]J.E.戈登 著，李轻舟 译，中信出版集团2024年10月版。

那些关乎人命的普通结构

谁都能造出来吗？

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，这个学科确实遍布着稍不留神就会掉入的陷阱，许多事情并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被叫进来，专门应付本属于“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，你难免会思考，建造者的技巧和信仰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，某些方面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，我们只需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。

《大都会》（2024）剧照。

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。

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。不事先用科学的方法来预测工程结构的安全性，贸然制造全新或截然不同的装置，只能以灾难告终。

因此，一代又一代人都未曾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，这些仪式典礼往往成为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，或者说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。

材料和结构之间

并没有明确的分界线

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始，可归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，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。伽利略对有关材料强度的认识而言，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，而他的显赫声名为他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，并同时博得了天主教会和当局政权的欢心。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。

《大都会》（2024）剧照。

到了马略特的时代，研究负载下的材料和结构负载行为的这门学问开始被称为弹性科学。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。大多数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。工科教员则倾向于假称，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。而在我看来，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，我们还是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；而对普罗大众来说，数学则是一块绊脚石。但事实上，所有人在生活中的每时每刻都离不开数学。当我们打网球或下台阶时，我们相当于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，我应该也会用到一些算术和一点儿初等代数知识，这毕竟是一种简单、强大且方便的思维模式，虽然这样说可能对数学家有些无礼。就算你以为自己天生搞不懂代数问题，也请不要畏惧它。

《大都会》（2024）剧照。

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（英文童谣中的角色，比喻摔坏了就无法修复的东西）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。”

“摆弄衣服料子该是一件多么有趣的事啊！”

原文作者/[英]J.E.戈登

摘编/何也

编辑/李永博

导语校对/卢茜