第四讲 机械

1.希腊机械

古希腊文明是西方文明的源头之一，他所奠定的科学思想与民主政治构成了现代世界的精神内核。

这里我们不多谈古希腊人的科学精神，重点讲讲他们的技术成就。

在技术领域，希腊人最突出的成就或许是机械技术。在当时，“机械”主要是指建筑工程中使用的机械装置，如“脚手架”，“起重机”、滑轮、斜坡等。在建筑各种宏伟的神庙时，希腊人就是在这些机械装置的辅助下建设的（图4.1）。

戏剧是希腊人最爱的文艺活动，在希腊剧院中也有大量机械技术的运用。例如用机械装置滚动切换舞台背景，用起重机械把演员空降到舞台中间（所谓“机械降神”）（图4.2）等等。

更重要的是，这些机械技术的发展不仅仅限于普通劳动人民，更是开始成为顶尖学者的研究对象。阿基米德就是古代最著名的机械学家（机械学，mechanics，也译作力学）。相传他说过的那句名言：“给我一个支点，我可以翘起地球”，就是在表达对“杠杆”的认识。传说他还利用杠杆原理，制造出巨型武器，用来掀翻敌军的战舰（图4.3）。

到了公元1世纪，亚历山大城的希罗成为机械学的集大成者，他进一步总结规律，选取杠杆、轮轴、滑轮、楔子、螺旋这五种装置称为“简单机械”，认为其它机械装置都是由简单机械复合而成。他还进一步把简单机械的原理还原为以两个同心圆为主题的几何学问题，让机械学变成了一门应用数学。

希罗记录了许多机械发明，例如最早的“蒸汽机”——汽转球（图4.4）；点燃火盆时自动打开神庙门的“自动门”装置（图4.5）；投入硬币后自动流出圣水的“自动售货机”；能滑行到客人面前，客人放上酒杯就能自动斟酒的“女仆机器人”（图4.6），水力或风力管风琴（图4.7）等等。

代表希腊技术的最高成就的一台机器并没有被著述记载，而是1901年才从沉船中发掘出来，那就是著名的“安提基西拉机器”（图4.8），这是一个复杂的机械计算机，能够在几种历法之间换算，并且推算相应日期时太阳、月亮及其它行星的位置，预测日月食。其具体的功能和结构仍在解读之中，但从留存的残片可以确定它至少包含30多个齿轮的联动运作（图4.9），这一精密的机械只比现代的笔记本电脑大一点，其中反映出来的工艺水平和相关的知识结构令人叹为观止。

各种机械工具本身并不是希腊人的专利，比如中国人熟悉的“杆秤”就是利用了杠杆原理，但在其它文明中，机械器具的实用总是先于理论，而在希腊人那里，机械的理论与制造相互结合，人们能够基于理论设计去指导技术加工，这是希腊人的特长。安提基西拉机器的制造显然就必须依赖天文学和数学的指导才有可能。

希腊人的科学与技术被罗马人吸纳，在数学领域，罗马人比不上希腊人，但在公共工程方面，罗马人的成就更加瞩目（图4.10）。而这些工程背后也有机械的助力（图4.11）。

2.阿拉伯帝国和中世纪欧洲

罗马帝国衰亡之后，阿拉伯人接过了文明的火种。在阿拉伯帝国的黄金时代，不仅翻译和注释了大量希腊科学文献，更有许多独创性的贡献。

在这里不多讲科学史方面，我们着重来看阿拉伯人在技术领域的贡献。在阿拉伯世界，机械学、工程学的地位有所提高，变得与算术、几何、天文、音乐并列，归入“自由技艺”的行列。许多工程师和建筑家出身的人能够位列高官，意味着技术人才的社会地位也明显增强。

阿拉伯学者有意识地研究和改进前人的技术，特别是在机械装置方面有丰富的创造。

雅扎里（Al-Jazari，1136–1206）以《巧妙的机械装置的知识》一书著名，如书名所示，他描述了许多巧妙的机械装置，其中有许多和希罗描述的相近，但他有两方面的理念比希腊人更加独特，一是对“动手实践”的要求，他宣称他只描述自己创建的装置，而所有这些装置都是通过反复试验而不是通过理论计算来组装的。二是更突显“自动化”的思想，他设计的许多机械都是由水力驱动着按照既定“程序”运转的自动装置。例如按照预先编制的顺序自动奏乐的机器人（图4.12）。

他设计的“大象水钟”（图4.13、图4.14）很有代表性，大象肚子里藏着水桶，桶中有一个漏水的空碗，需要半小时沉入水中，沉没后牵动绳子，撬动杠杆让人偶击鼓报时，同时一只小球落到龙嘴里，龙头低下，龙尾拉起空碗，同时吐出小球，计时重新开始，直到小球用完。雅扎里认为大象钟的形制象征着知识的融汇：大象代表印度和非洲文化，两条龙代表中国古代文化，凤凰代表波斯文化，水工代表古希腊文化，头巾代表伊斯兰文化。

除了传递希腊学术之外，阿拉伯人在天文学（特别是观测技术）、代数学、炼金术和机械学等方面对后来的欧洲人都有深远影响，更是把来自东方的多种技术传播到欧洲。不过由于文艺复兴后的欧洲人崇尚希腊罗马，却有意掩饰阿拉伯人的贡献，很少主动引用他们，现代人对阿拉伯人在科技史中的地位是普遍低估的。

在欧洲中世纪的黑暗时代，许多古典时代的科学技术都已失传，但中世纪欧洲本土并非没有独到的贡献。或许是由于地广人稀的缘故，在中世纪西欧，风车（图4.15、图4.16）、水车（图4.17）等借助自然能量的省力机械大量流行，机械磨坊不但被用于研磨谷物，还在纺织业（缩绒磨）等其它产业推广。

当然，水车和风车都不是欧洲人独有的，更早的希腊人和阿拉伯人都有复杂的水力机械，中国人也有先进的水车和风车，但欧洲人的特点是这些机械的普遍应用。按中世纪技术史家林恩·怀特的说法：“中世纪后期最值得夸耀的事情，不是大教堂，不是史诗，也不是经院哲学，而是有史以来一个复杂文明的首次建立。这一文明并非建立在辛勤劳作的奴隶或苦力的背脊上，而主要建立在非人力之上。”

从古希腊到中世纪，机械已经开始潜移默化地塑造着西方人的生活和思想，到了近代，机械论自然观的兴起也就是水到渠成的事情了。