史上最強系列第7集《工程之書》 從拋石器到好奇號火星車 250則趣味故事＋詳解歷史＋精采圖片 從閱讀中學習工程知識的百科 圖文並茂的豐富百科．博古通今的中外歷史 趣味橫生的常識故事．條理分明的資料寶典 「我希望你能從本書找到250個令人驚歎、可讓你看清全貌的工程典範， 這樣就能領會工程師為我們所做的一切。」 ——馬歇爾．布雷恩 工程師一手打造我們的現代世界。他們在各自崗位，多半隱身幕後，不會大張旗鼓。要是少了這些工程師，我們就會回到石器時代。 工程師如何讓一棟大樓安全夷為平地？ 哪三件過失造成車諾比核電廠爆炸？ 人造衛星如何隨時朝著正確方向？ 這些值得深思的問題，只是這本圖文並茂的書中提及的幾個例子。現在我們就要跟著作者布雷恩展開一趟迷人的旅程，踏進工程的世界，探索250個最重要且耐人尋味的工程大事：弓箭（西元前3萬年）、狩獵採集工具（西元前3300年）、吉薩大金字塔（西元前2550年）、指南針（西元1040年）、拋石器（西元1300年）、比薩斜塔（西元1372年）、萬里長城（西元1600年）、機械式擺鐘（西元1670年）、動力織布機（西元1784年）、高壓蒸汽機（西元1800年）、伊利運河（西元1825年）、拇指湯姆型蒸汽火車頭（西元1830年）、電報系統（西元1837年）、隧道鑽鑿機（西元1845年）、縫紉機（西元1846年）、大笨鐘（西元1858年）、電梯（西元1861年）、自由女神像（西元1886年）…… 這些令人著迷的工程史涵蓋五花八門的主題，像是古羅馬輸水道、中國的萬里長城、蒸汽火車頭、空調、巴拿馬運河、登陸月球、Prius油電混合動力車、智慧型手機，以及哈利波特禁忌之旅的遊樂裝置。 本書內容依年代順序撰寫，每則史上工程大事包含一幅令人驚豔的全彩圖像，並附上圖說與參照條目，提供更深入的資訊，是工程知識入門的最佳讀物。 【本書特色】 ．豐富條目：250則工程史上重大里程碑一次收錄。 ．編年百科：條目依年代排序，清楚掌握工程發展演變；相關條目隨頁交叉索引，知識脈絡立體化。 ．濃縮文字：每篇約700字，快速閱讀、吸收重要工程觀念和大師傑作。 ．精美插圖：每項條目均搭配精美全彩圖片，幫助記憶，刺激想像力。 ．理想收藏：全彩印刷、圖片精緻、收藏度高，是科普愛好者必備最理想的工程百科。

序文 條目 西元前3萬年／弓箭 西元前3300年／狩獵採集工具 西元前2550年／吉薩大金字塔 西元前2000年／因紐特技術 西元前1400年／混凝土 西元前625年／瀝青混凝土 西元前438年／巴特農神殿 西元前312年／古羅馬輸水道 西元前100年／水車 西元79年／龐貝 西元1040年／指南針 西元1144年／聖丹尼聖殿 西元1300年／拋石器 西元1372年／比薩斜塔 西元1492年／木造橫帆船 西元1600年／萬里長城 西元1620年／甘特鏈 西元1670年／機械式擺鐘 西元1750年／耶茨磨坊的簡單機械 西元1773年／爆破拆卸 西元1784年／動力織布機 西元1790年／棉紡廠 西元1794年／軋棉機 西元1800年／高壓蒸汽機 西元1823年／桁架橋 西元1824年／壬色列理工學院 西元1825年／伊利運河 西元1830年／拇指湯姆型蒸汽火車頭 西元1835年／聯合收割機 西元1837年／電報系統 西元1845年／大量生產 西元1845年／隧道鑽鑿機 西元1846年／縫紉機 西元1851年／美國杯帆船賽 西元1854年／水處理 西元1855年／柏思麥法 西元1856年／塑膠 西元1858年／大笨鐘 西元1859年／油井 西元1859年／現代下水道系統 西元1860年／路易維爾水塔 西元1861年／瓦姆蘇塔煉油廠 西元1861年／電梯 西元1869年／美國橫貫鐵路 西元1873年／纜車 西元1876年／電話 西元1878年／電力網 西元1879年／碳纖維 西元1885年／增壓器與渦輪增壓器 西元1885年／華盛頓紀念碑 西元1886年／自由女神像 西元1889年／艾菲爾鐵塔 西元1889年／霍爾－埃魯煉鋁法 西元1890年／蒸汽渦輪機 西元1891年／卡內基音樂廳 西元1891年／須德海工程 西元1893年／二衝程柴油引擎 西元1893年／摩天輪 西元1897年／柴油機車 西元1899年／去纖維顫動器 西元1902年／空調系統 西元1903年／心電圖 西元1903年／萊特兄弟的飛機 西元1905年／人造板 西元1907年／專業工程師認證 西元1908年／內燃機 西元1910年／腹腔鏡手術 西元1912年／鐵達尼號 西元1913年／伍爾沃斯大樓 西元1914年／巴拿馬運河 西元1917年／雷射 西元1917年／胡克望遠鏡 西元1919年／婦女工程協會 西元1919年／下摩擦雲霄飛車 西元1920年／金索棧橋 西元1920年／無線電台 西元1921年／機器人 西元1926年／心肺機 西元1927年／電冷凍 西元1931年／帝國大廈 西元1935年／磁帶錄音 西元1936年／胡佛水壩 西元1937年／金門大橋 西元1937年／興登堡號 西元1937年／渦輪噴射發動機 西元1937年／磁浮列車 西元1938年／一級方程式賽車 西元1939年／諾頓投彈瞄準器 西元1939年／彩色電視 西元1940年／塔科馬海峽吊橋 西元1940年／雷達 西元1940年／鈦 西元1941年／摻雜矽 西元1942年／展頻技術 西元1943年／透析機 西元1943年／水肺 西元1944年／直升機 西元1945年／鈾濃化技術 西元1945年／「三一」核彈 西元1946年／ENIAC：第一部電腦 西元1946年／上開式洗衣機 西元1946年／微波爐 西元1946年／輕水反應器 西元1947年／AK-47突擊步槍 西元1947年／電晶體 西元1948年／有線電視 西元1949年／塔式起重機 西元1949年／原子鐘 西元1949年／積體電路 西元1950年／會下棋的電腦 西元1951年／噴射發動機測試 西元1952年／中樞灌溉系統 西元1952年／3D眼鏡 西元1952年／「常春藤麥克」氫彈 西元1953年／汽車安全氣囊 西元1956年／硬碟 西元1956年／第一條跨大西洋海底電纜 西元1957年／冷凍披薩 西元1957年／人造衛星 西元1958年／機艙增壓系統 西元1959年／海水淡化 西元1960年／無塵室 西元1961年／T1線路 西元1961年／綠色革命 西元1962年／SR-71偵察機 西元1962年／原子鐘無線電波發射台 西元1963年／開闔式體育場屋頂 西元1963年／輻照加工食品 西元1964年／頂級燃油直線加速賽車 西元1964年／滴灌技術 西元1964年／天然氣載運船 西元1964年／子彈列車 西元1965年／聖路易大拱門 西元1965年／集束彈藥 西元1966年／複合弓 西元1966年／翼傘 西元1966年／球燃料床核反應器 西元1966年／動態隨機存取記憶體 西元1967年／汽車排放控制系統 西元1967年／阿波羅一號 西元1967年／農神五號火箭 西元1968年／C-5「銀河」運輸機 西元1968年／波音747巨無霸客機 西元1969年／登陸月球 西元1969年／ARPANET網路 西元1969年／太空衣 西元1970年／液晶螢幕 西元1970年／阿波羅13號 西元1970年／光纖通訊 西元1971年／防鎖死煞車系統 西元1971年／月球車 西元1971年／微處理器 西元1971年／加拿大氘鈾反應器 西元1971年／電腦斷層掃描 西元1971年／發電廠洗滌塔 西元1971年／克維拉 西元1972年／基因工程 西元1973年／紐約世貿中心 西元1975年／路由器 西元1976年／協和式客機 西元1976年／加拿大國家電視塔 西元1976年／VHS錄影帶 西元1977年／人力飛機 西元1977年／調諧質量阻尼器 西元1977年／航海家號太空船 西元1977年／阿拉斯加輸油管 西元1977年／磁振造影 西元1978年／氧化亞氮加速系統 西元1978年／採礦車Bagger 288 西元1979年／「海上巨人號」超級油輪 西元1980年／快閃記憶體 西元1980年／M1戰車 西元1980年／體育場電視螢幕 西元1981年／大腳怪獸車 西元1981年／太空梭 西元1981年／V-22「魚鷹」旋翼機 西元1982年／人工心臟 西元1982年／釹磁鐵 西元1983年／無線射頻辨識標籤 西元1983年／F117匿蹤戰機 西元1983年／行動電話 西元1983年／吉姆利滑翔機 西元1983年／乙太網路 西元1984年／3D印表機 西元1984年／網域名稱系統 西元1984年／外科手術機器人 西元1984年／貨櫃海運 西元1984年／伊泰普水壩 西元1985年／巴斯郡抽蓄發電 西元1985年／國際熱核融合實驗反應器 西元1985年／虛擬實境 西元1986年／車諾比事故 西元1986年／阿帕契直升機 西元1990年／全球資訊網 西元1990年／哈伯太空望遠鏡 西元1991年／鋰離子電池 西元1991年／生物圈二號 西元1992年／省水型馬桶 西元1992年／暴雨管理 西元1993年／凱克望遠鏡 西元1993年／「毀滅戰士」遊戲引擎 西元1994年／英法海底隧道 西元1994年／數位相機 西元1994年／全球定位系統 西元1994年／關西國際機場 西元1995年／動畫電影《玩具總動員》 西元1996年／Ariel Atom賽車 西元1996年／高畫質電視 西元1997年／Prius油電混合動力車 西元1998年／國際太空站 西元1998年／大型強子對撞機 西元1998年／智慧電網 西元1998年／銥衛星系統 西元1999年／Wi-Fi 西元2001年／賽格威電動代步車 西元2003年／創新世紀 西元2004年／米約高架橋 西元2005年／布加迪威龍 西元2005年／喬治亞水族館 西元2006年／棕櫚群島 西元2006年／AMOLED螢幕 西元2007年／智慧型手機 西元2008年／四旋翼飛行器 西元2008年／碳封存 西元2008年／工程大挑戰 西元2008年／馬丁噴射背包 西元2008年／三峽大壩 西元2009年／美國國家點火裝置 西元2009年／耐震建築 西元2009年／美國總統座車 西元2010年／太陽動力號太陽能飛機 西元2010年／英國石油公司漏油事故 西元2010年／哈里發塔 西元2010年／哈利波特禁忌之旅 西元2010年／阿爾塔風能中心 西元2010年／平板電腦 西元2010年／X2和X3直升機 西元2011年／福島核災 西元2011年／無人自駕車 西元2011年／速成摩天大樓 西元2011年／超級電腦「華生」 西元2012年／好奇號火星車 西元2012年／人力直升機 西元2013年／北卡州立大學BookBot系統 西元2014年／伊萬帕太陽能發電系統 西元2016年／威尼斯防洪系統 約西元2020年／真空管列車 約西元2024年／複製人腦 約西元2030年／火星殖民地 約西元3000年／尚未設計出來的東西

　　只要環視四周，不論你現在坐在哪裡，你的周圍多半會是經過工程設計的物品。假如你坐在普通的辦公椅上，這張椅子的誕生就要仰仗工程師。椅子的布料，布料底下的海綿，把布料和海綿組在一起的骨架，構成扶手的塑膠元件，讓椅子能上下調整前傾後仰的機械零件，椅子底座，讓椅子自由滑動的滾輪，這些都需要工程師幫忙設計製造。 　　你所在的室內，牆上的漆連同油漆覆蓋住的牆板，也可能是經過工程設計。牆板內的石膏可能來自發電廠，發電廠裡有工程師負責設計洗滌塔，可把煙囪內的硫轉變成石膏，利用這個方法為煙囪脫硫，其他工程師負責設計工廠，取石膏製成牆板。你在房間裡呼吸到的空氣，很有可能經過空調系統中的空氣過濾器淨化，而空調系統又是受恆溫器控制，因此溫度可以保持適中。空調機件中的風扇從工程設計過的微電網獲得電力，微電網則連回可能生產出石膏的發電廠。 　　你身旁可能有一些電子產品，全都出自不同領域的工程師之手。比方說，在你桌上可能有智慧型手機或平板電腦，牆上有高畫質電視，還有自動與無線電台發射訊號對時的電子鐘。電機工程師、軟體工程師、工業工程師和機械工程師，讓這些事物化為現實。 　　走到室外，你會看見馬路上川流而過的車輛，也許正好有一架安全無虞的噴射客機以時速885公里飛越頭頂。路面底下是下水道、總水管、暴雨排水溝、電話線及有線電視纜線、瓦斯管線，這些也都經過工程師設計。 　　此外還有無線電波，雖然完全看不見，但有成千上萬的無線電波訊號環繞在你周圍，也都是拜工程師之賜。你家所在地區的每個調幅（AM）電台、調頻（FM）電台、電視台，都正以不同頻率的無線電波形式從你身旁流過，每支手機也正與當地的天線塔保持連繫。智慧型手機通常有提供語音通話的多重無線電波，以及單獨提供給Wi-Fi和藍牙的無線電波系統。附近其他的Wi-Fi熱點和藍牙裝置，以及使用Wi-Fi的每一台平板電腦、筆電、桌上型電腦，也會讓你籠罩在無線電波之中。不僅如此，頭頂上還有很多人造衛星，傳輸GPS訊號、衛星電視訊號、銥衛星電話訊號、氣象衛星訊號等等。再加上外面的一大堆無線電波：警消無線電波、水表無線電波、氣溫及雨水感應器無線電波、車庫門開關遙控，以及汽車遙控鑰匙。如果認真想，你會甚為驚訝。倘若沒有工程師去實踐，沒有監管結構讓所有的無線電波訊號不會互相干擾，這一切都不可能成真。 　　工程師一手打造我們這個現代世界。在美國，約有兩百萬名工程師在各自的崗位上，多半隱身幕後，不大張旗鼓。要是少了這些工程師，我們就會回到石器時代。 　　現在我們就要一起展開一趟迷人的旅程，踏進工程的世界。先想一想以下這個問題，或許會有些幫助：工程究竟是什麼？《蘭登書屋韋氏大詞典》（Random House Webster’s Unabridged Dictionary）可算是很好的起點，它是這麼定義工程的：「把物理、化學等純科學的知識拿來實際應用的技術或科學，例如建造引擎、橋梁、建築物、地雷、船舶和化工廠。」 　　以下則是出自《韋氏大學詞典》（Merriam Webster’s Collegiate Dictionary）的定義：「應用到科學與數學，而使物質性質和自然能源對人有用。」 　　要理解工程，還有個好方法，就是去想一想會在工業界找得到的所有工程學科，或是找一找大型工科大學裡會開設的學科。比方說，如果我們看一下美國北卡羅萊納州立大學的工學院，會找到以下這些科系： 　　生物及農業工程　森林生物材料工程 　　生物醫學工程　整合製造系統工程研究所 　　化學及生物分子工程　材料科學與工程 　　土木、建築與環境工程　機械與航太工程 　　計算機科學 核子工程 　　電機與電腦工程　作業研究 　　工業及系統工程　紡織工程、化學及科學 　　另外也有一些專業領域，譬如石油工程師負責鑽油及煉油，奈米工程師在奈米技術這個新興領域工作等等。 讀到這些定義和學科，你的腦袋裡可能會浮現工程師對社會有所貢獻的畫面。好比設計橋梁的土木工程師，他們受過訓練，懂數學、軟體工具、最佳作業方式及法規，這些都與設計建造出安全可靠、屹立不搖的橋梁有關。他們的成果處處可見，美國舊金山的金門大橋和法國的米約高架橋，都是大家公認的工程傑作。不過，工程師偶爾會鑄成大錯，就像美國華盛頓州塔科馬海峽吊橋的案例，工程師從這些疏失吸取教訓，納入知識體系，應用到往後所有的橋梁新建工程。在工程這一行，每個人都會不斷交流，彼此學習，使技術持續進步。 　　有些經過工程設計的物品非常單純。舉例來說，鑄鋁車輪這個單件，要能應付汽車的負載，以及來自轉彎、緊急煞車、路面坑洞的所有作用力。其他物品可就十分複雜，譬如汽車或飛機，有數不清的組成零件，要精準可靠地共同操作。還有一些系統，像防鎖死煞車系統或安全氣囊系統，是靠著彼此連結的組成零件，來完成操作或解決問題。 　　另外也有一些大型工程系統，我們稱之為架構。電腦工程師經常用「電腦架構」一詞，來代表許多零件和其相互關係。或是想一想阿波羅登月任務。為數眾多的人員和組件聚在一起，為這項任務打造出架構，許多組成部分彼此相關：農神五號運載火箭、指揮及勤務艙、登月小艇、太空衣、月球車，及其他一切東西。要是其中有任何一環無法正常運作，整項任務就有可能失敗，太空人命懸一線，就像電影《阿波羅13》的情節一樣。同樣的，電力網的架構裡包括發電廠、輸電網、配電網，手機系統也有自己的架構，其中包含天線塔、手持話機，以及把這些組件連在一起的複雜信號傳輸協定。 　　透過大量生產，以及運用技術節省不必要的材料、時間和程序，來使成本下降，在這方面工程師也扮演重要角色。我們所穿的衣服就是很好的例子，以前的人做衣服，每樣工作都要自己來，種植棉花、鋤地、採收棉鈴，然後把棉纖維裡的棉籽去掉，一切都靠雙手。接著，他們清洗棉花、染色、梳棉、紡絲、在手工梭織機上織成布，再用針線把布縫製成衣服。因為每件衣服都代表幾百小時的人工勞力，所以價格昂貴。今天，工程師幾乎已經把程序裡的每個環節機械化了，同時讓大家有各種合成纖維可用，衣服也就變得物美價廉。各類用品都發生過同樣的轉變，所以我們現在才買得起智慧型手機，大家都能隨身帶著這些有高解析度螢幕和強大拍照功能、隨時能連上網路、從無數伺服器查到幾乎任何疑問解答的小小電腦。要是沒有工程師，這一切都不會發生。 　　科學家和工程師有什麼不同？大家寄望科學家了解宇宙運作之道，他們做研究，解答與自然界有關的基本問題。舉例來說，可能有位科學家發現弧形的玻璃會使光線偏折，後來找出數學方程式描述這種偏折，而從這項科學發現，我們就有了透鏡。接著，也許有某位科學家或發明家會把透鏡組合起來，變成光學裝置，譬如顯微鏡或望遠鏡，終將邁出下一步。如果你想以合理的價格做出一百萬架望遠鏡，或是想打造一架好幾公噸重的巨大望遠鏡，希望它能轉動自如，在地球自轉時依然能自動追蹤某顆恆星，這時就需要工程師接手。 　　科學家發現，鐵加了適量的碳可造出鋼，而工程師利用鋼建造橋梁、摩天大樓、汽車、超級油輪。鋼太重或是太脆弱，工程師還有許多其他的材料可用：鋁、鈦、碳纖維、克維拉、塑膠等等。 　　你經常會聽到有人驚呼：「這設計真美！」或者「那真是一件設計周全的用具！」例子不勝枚舉，包括SR-71偵察機、Ariel Atom賽車，或巴特農神殿。但也可能是更加單純的東西，譬如汽車傳動系統裡的換檔裝置，甚至像是重量適中、如絲般順手的控制旋鈕。當工程師的巧妙設計達到極高境界，重複利用和精簡的程度令人印象深刻，精細化的能力讓人初次使用就驚歎不已，或是做到形式與功能完美結合，這時就會引發眾人讚歎。就像藝術品和大自然，我們在工程設計裡看見美。 　　工程師從這些不同的方面，讓社會前進。他們發展新技術，讓我們生活得更舒適，他們讓成本下降，使更多人能夠參與，他們打造出令人驚奇的事物，使我們以生而為人感到自豪，他們創造出現代生活所依託的物品。

　　如果我們盡可能回溯人類史，會在哪裡遇到史上第一件工程？假如有人製作一件工具，這算是工程嗎？算。可是必須帶有某種方法。倘若某個人撿起石頭把堅果敲破，那是在使用工具，但不是我們所認為的工程設計。經過工程設計的物品，沒有這麼簡單。因此，有資格稱為第一件工程設計的物品，或許就是弓箭，而且人類自古就使用弓箭——始於三萬年前或更早以前。 　　弓箭是一項絕頂巧妙的技術。就我們所知，它是能夠把能量先儲存下來、隨後再釋放出來的第一件器具。它也是第一個拋射武器，可以從自然界就地取材來製作。一根木條加上一條由纖維、獸皮或腱製成的弦線，負責蓄積能量，一根尖端有獸骨或石塊、靠羽毛來保持平穩的木條，則充當投射物。 　　既然是人類的第一個拋射武器，可以想見弓箭多麼有用。如果有人要獵鹿或兔子，弓箭提供一線希望。拿弓箭和扔石頭或擲矛來比較一下，石頭和矛只有在距離短時行得通，不是特別精準，準備丟擲的動作還會洩露獵人的位置，使用弓箭的話，獵人可以從隱密的位置悄悄射擊，不需做任何準備動作，可以十分精準，而且射程夠遠。弓箭為獵人改變遊戲規則。 　　到了1400年，弓箭有重大改良。英國弓箭手使用長弓，每分鐘可以發十枝箭。箭離開弓時的速度是每小時超過160公里，飛行距離超過300公尺，在18公尺射程下，金屬箭鏃的箭可以射穿盔甲。 　　雖然槍砲改寫兵器的概念（從此就出現像是AK-47突擊步槍這類高性能武器），但弓箭居主導地位長達三萬年，毫無疑問是技術史上最長紀錄。 　　冰人奧茨（Ötzi，約西元前3300年） 　　工程師和工程思維創造出來的事物之一，是新技術——解決問題的有用物品。在野地生活的動物不會創造稍有複雜度的新奇技術——這個人類特有的特質，來自我們看出問題然後想出解決之道的能力。 　　許多文化中，很早就已經發展出技術。多虧今天稱呼為奧茨的人類木乃伊，我們才窺見五千多年前可達到的技術。奧茨死亡於西元前3300年，但這具木乃伊非常完好地保存在冰川裡，1991年被人發現。奧茨身上帶著不少他那個時代的技術器物，舉例來說，他所穿的鞋子內裡是草，鞋底是熊皮，鞋面是鹿皮，他的身上還穿著獸皮製成的衣服（帽子、外衣、褲子、腰帶），由腱製成的線把獸皮固定在一起。 　　他的隨身用具更令人吃驚。最可觀的是一把紫杉木柄的銅斧，另外還發現一把短劍，劍刃是燧石做成，柄是木製，劍鞘固定在腰帶上。他帶著弓，不過看起來尚未完成，而且沒有弓弦。跟這把弓搭配的是一個裝著箭和箭桿的箭袋，箭鏃是燧石做成，箭上的羽毛讓箭在飛行時保持平穩。 　　顯然他有個附有內框架的背包，和一個獸皮製成的袋子。背包裡裝著多個樺樹皮簍，其中一個可能用來盛放升火用的煤塊。他還帶了網子、細繩、皮帶器具（可能用來攜帶獵殺到的鳥），和大家認為可當藥材的菇類。 　　考慮到時代和當時歐洲文明的狀態，這樣的技術很驚人。這展現工程思維在人類大腦中多麼根深柢固。比方說，要能隨身攜帶銅斧，就要有能力採礦、煉銅，然後從熔銅鑄造成銅的器物，在原始文化中，這是出人意料的工程技術水準。 　　想到現在的工程師，我們認為他們是在做對社會有貢獻的事，像是設計橋梁、消費電子產品或新車。埃及吉薩大金字塔（古夫金字塔）就不是這麼回事，即使在建造幾千年後的今天看來，大金字塔仍舊是人類史上最大、最重、最高的建物之一，然而它沒有什麼實用功能可言。 　　工程師並不是某天一起床就準備好建造吉薩大金字塔，他們其實是在整個世紀間，試造幾座金字塔。左塞爾金字塔（Pyramid of Djoser）是約60公尺高的傳統式階梯金字塔，梅德姆金字塔（Maidum Pyramid）也是傳統式階梯金字塔，但又補上幾個階梯，因而開始形成平滑角錐體的外形。曲折金字塔（Bent Pyramid）是從某個斜度開始建造，後來工程師發覺行不通，所以中途把斜度改了。紅金字塔（Red Pyramid）的形狀對了，但比吉薩大金字塔矮43公尺左右。 　　在這之後，工程師準備好建造大金字塔。他們清掉5.26公頃工地上的沙，露出基岩，這就是金字塔的地基。他們讓金字塔面朝近乎正北方，然後放置最底層的石塊，每邊長達230公尺，這些石塊來自尼羅河沿岸的採石場。 　　在建造過程中，工程師必須做某些很有趣的事。他們要去想像墓室、走廊和通道在金字塔主體中的立體樣貌，他們必須在建造時一層一層打造出這些內部結構。這正是如今工程師在3D印表機上使用的整套方法。 　　最後，塔尖高146公尺，全世界最巨大的紀念塔完工了。吉薩大金字塔象徵工程的勝利。 　　工程技術彷彿本來就裝好在人腦中。許多人類文化相當擅長發展新穎的技術，來解決遇到的問題。位於加拿大北部和格陵蘭的因紐特（Inuit）文化，就發展出很多技術。 　　沒有人知道因紐特人何時抵達這個地區，但一般都認為是在西元前2000年以前的某個時候。因紐特人生活在北極林線以上的極嚴寒氣候中，他們發展出至少十多項獨特技術，來因應環境，供給糧食和安身之處。 　　由於冬天氣溫經常跌到零下17℃，所以能夠禦寒的衣服是他們的主要需求之一。因紐特人的獸皮外套、靴子和手套，都能抵禦這樣的低溫。因紐特人的服裝由獸皮製成，內裡還有毛皮加強保暖和防水，是結合藝術與絕佳工程設計的代表作。 　　另一個創新領域是冰屋，能夠在最極端的極地氣候條件下擋風遮雨。因紐特人可以在短短一小時左右，使用雪鋸蓋出冰屋，築起一個臨時的棲身之所。時間更充裕的話，這些圓頂冰屋可以建造到直徑4公尺、高3公尺那麼大。 　　受西方世界廣泛採用的因紐特技術，則是獨木舟。原始的形式是用腱把木框綁好，再包覆去毛後的海豹皮。因紐特人實現這個想法：獨木舟萬一翻覆，就想辦法讓它翻滾回來。 　　因紐特人的木雕雪地護目鏡，可以在晴朗的日子防雪盲。這種護目鏡是不透明的面罩，上頭刻了細縫，能讓射入眼睛的光線大幅減少。 　　因紐特人擅長把獸骨、石頭等材料製作成刀子、箭鏃和魚叉頭。特別獨到的是套環式魚叉頭，一旦插進去，魚叉頭會從平行方向轉成垂直，使魚叉幾乎不可能不小心鬆脫。 　　綜合起來，這套技術讓因紐特人能夠在凜冽的極地氣候下存活繁衍。每項技術都具體展現出，這些獨特的工程發現已提升為精緻藝術，並透過口述代代相傳下來。 　　混凝土是從什麼時候開始使用的？似乎是在三千多年前，介於西元前1400到前1200年。考古學家在希臘提林斯（Tiryns）的宮殿遺址發現混凝土地板，提林斯在青銅器時代之前就已存在。由於配方不良，所以很容易碎裂。龐貝古城主要是用羅馬混凝土建造。 　　當今世界上，混凝土是極為重要的材料，土木工程師利用混凝土興建道路、橋梁、水壩、摩天大樓、飛機跑道、運河和大規模的地基。如果以重量來算，混凝土是目前為止排名世界第一的建材。 　　混凝土會這麼普遍的原因很容易理解：混凝土讓工程師能夠把液體灌進鑄模，製造出類似堅石、可用幾百年的東西。加了鋼筋或先拉預力鋼筋之後，混凝土的強度會大幅提升，於是就能製造出30公尺或更長的橫梁。另外，混凝土大部分的重量來自砂石，所以比其他材料便宜，以現在的價格來算，每磅混凝土便宜三美分。 　　混凝土有四個成分：一份波特蘭水泥（矽酸鹽水泥），兩份砂，三份碎石，加上足量的水，攪拌成糊狀混合物。波特蘭水泥與水混合時，會像膠一般把砂和碎石結合成密實的固體，但這又不像會乾的膠，反而比較像是透過化學反應變硬的鈣矽水環氧樹脂，這個化學反應會放熱，而且過程緩慢。混凝土需要幾星期的時間硬化，達到合宜的強度，正因如此，你會經常看到建築工人在灌好混凝土地基之後，就消失一個月。他們是在等混凝土硬化，直到能夠承受重量為止。 　　儘管混凝土容易製成，但把它做對是非常重要的。灌路基或地基時，工程師往往會鑽取一個圓柱試體來做試驗，確認抗壓強度。 　　如果沒有瀝青混凝土（asphalt），哪會有城市？瀝青混凝土很便宜、容易施作、平整、無接縫又耐用，是興建馬路和停車場的神奇材料。工程師可以規畫出一條瀝青混凝土路面，能承載幾百萬輛汽車，使用年限達十年以上。瀝青混凝土十分普及，美國差不多有6％的道路是瀝青混凝土鋪成的。已知最早使用瀝青混凝土的例子，可以上溯到西元前625年的巴比倫人。 　　瀝青混凝土普及的原因之一是簡單。它有三個基本成分：砂、碎石和瀝青。偶爾在自然中也找得到瀝青，但現今瀝青主要來自煉油廠。就像其他的石油餾出物，用同樣的方法也能從原油提取出瀝青。汽油和瀝青有相同的原子（碳和氫），但瀝青裡的碳鏈非常長，因此瀝青在室溫下近乎固體。 　　瀝青混凝土是可以手工製作的，甚至用廚房烤箱就能做出少許瀝青混凝土。把一點砂和碎石放在烤盤上，放進150℃的烤箱裡均勻加熱，到乾透為止。現在再放上一塊瀝青，繼續加熱，讓瀝青熔化。接著充分攪拌，讓瀝青和砂石混合在一起，這就是瀝青混凝土。此時，你的廚房會有一股難聞的氣味，而且那個烤盤怎麼洗都洗不乾淨，不過現在你就能修補路面的小坑洞了。 　　工程師已經改進瀝青混凝土的製造技術和處理設備，使道路成本下降。比方說，美國策略公路研究計畫（Strategic Highway Research Program）就曾為超級鋪面（SuperPave）建立拌合及施工方針，如今美國許多高速公路使用的都是超級鋪面配比設計法。若是大型道路工程，工程師經常會在工地附近設立移動式瀝青混凝土廠，讓運送更方便、更穩定。 　　在美國，瀝青混凝土是最常回收利用的材料（以重量來計），這點大概很少人知道。施工人員把瀝青混凝土刨起磨碎，重新添加瀝青，再用來鋪設新路。要是沒有瀝青混凝土，工程師就需要使用價格高出許多的混凝土，因此瀝青混凝土是世界上最普及的建築材料之一。 　　巴特農神殿是一座美麗又設計精美絕倫的建築物，它歷經時間的考驗，在今天看來依然令人歎為觀止，因為在它興建的時代，幾乎沒有什麼可用得上的技術。它也透露了提出構想之人的一點事蹟。 　　巴特農神殿建於西元前438年，是獻給雅典娜女神的宏偉聖殿，神殿裡曾經擺著一座以黃金和象牙製成的巨大雕像。田納西州納許維爾的仿巴特農神殿裡，還真的放著這座雕像的複製品。 　　工程師採用的基本建造理念十分簡單，同時也執行得很出色。外圍有大理石柱——正面和背面各有八根，左右兩側各有十七根。列柱上方橫放著大理石楣，然後還有許多裝飾。原始建築物有個屋頂，由木製桁架支撐，貼著黏土屋瓦。另外還有內牆，構成了供奉雕像的居室。 　　今天讓人驚歎的一件事是，工程師在巴特農神殿裡設計了曲線，顯然是要製造出一種反向的錯覺。神殿的地面不是平的，而是中央稍微高些。列柱不是筆直立著，而是略微朝內傾斜，另外，轉角處的柱子也和其他柱子不大一樣，比較寬一點，而且和其他柱子稍微靠近些。一切「看起來是對的」，但看起來對的原因是，每樣東西都有一點不對勁。為了打造出毫髮不差的外觀，而把差錯設計進去。 　　所以現在一說到最偉大的希臘神殿，我們就會想到巴特農神殿，並不是因為它最雄偉，或保存得最完好，而是因為它最完美。近年希臘人為了修復數百年來遭受的部分破壞，恢復當初工程師和工匠塑造出的宏偉原貌，已經陷入極大的困境。 　　克勞狄（Appius Claudius Caecus，約西元前340~273年） 　　有時候，工程技術可以解決一群人的重大迫切需求。在古羅馬就遇到這種情況，而遇到的是供水問題。那是在西元前300年左右，羅馬正日漸發展起來，但供水系統卻臭氣沖天，地下水有一股不好的味道，而來自台伯河的水帶有病原體。 　　為了解決問題，督察官克勞狄委任的工程師發展出輸水道。第一座叫做亞壁輸水道（Aqua Appia），是完美的範例。工程師在羅馬城外約16公里處建一座大清泉，由於它的海拔比羅馬城高，所以重力自然會讓水往城裡流。古羅馬工程師又挖了溝或隧道（通常要穿過堅硬的岩石），接著在內壁刷上防水砂漿。如果中途經過山谷，工程師就會建一座橋來承載水道。水道一路上微微朝下傾斜，直通羅馬城。 　　水裡的泥沙和沉澱物該怎麼辦？水緩慢流經寬闊的深潭，所以微粒會沉降。要怎麼維護隧道，清除這些微粒？直井負責把隧道連接到地面。要是有太多水湧進系統，會怎麼樣？隧道有溢流排水口，可排掉多餘的水。 　　一般認為亞壁輸水道每天把7,600萬公升的水運送到羅馬。一到城裡，輸水道送來的水就會流進大型公共噴泉、公共浴池、住宅管路或下水道系統。下水道把汙水送出城外，讓羅馬保持潔淨。 　　即使每天供應7,600萬公升的水，仍然不敷羅馬城所需，於是工程師建造更多的輸水道。在五百年間，有十一條輸水道供應羅馬的用水，最長的一條綿延90公里。整個系統每天運送約11億公升的水，供給超過一百萬人。這是了不起的成就，也導致後來的一些新發展，譬如現代下水道系統。 　　在有蒸汽機、柴油機、電動機之前，若想建工廠或使用到手工具以外的任何一種大型工具，都會需要可提供動力的東西。工程師可以、也確實曾把人放上像倉鼠滾輪似的放大版（腳踏水車），來轉動水平軸，還讓人或馬繞著圈子走，來轉動垂直軸。 　　然而，能可靠提供持續動力來源的新技術是水車。最早利用水車的似乎是羅馬人，約在西元前100年，在許多古羅馬遺址都可以看到這些工程技能，但最令人印象深刻的，是位於法國巴貝加爾（Barbegal）的多輪式磨坊。 　　古羅馬工程師在陡峭的山坡上設置兩組水磨，每組8座，共有16個直立的上射式（overshot）水車。由於是依山坡而建的，因此水會從一個水輪往下注入下一個水輪。 　　水車的水平軸連接到嵌齒輪，因此：（1）水平軸的旋轉方向可以從水平切換成磨石的垂直方向，而（2）磨石的轉速就能達到水車的兩到三倍。 　　據估計，這個遺址的16座水磨每天可以生產約4,500公斤（10,000磅）的麵粉。一磅的麵粉可做成一條麵包，每天一萬條麵包，能餵飽附近約莫三萬人口的羅馬城鎮阿萊拉特（Arelate，現今的亞爾）。 　　古羅馬人也利用水力，驅動用來鋸木頭或石塊的往復式（reciprocating）鋸床。 　　一千七百年後美國工業革命開始之初，水仍然是動力來源，第一批工廠要靠直式和臥式水車來驅動，因此必須設在水量充足的地點。舉例來說，美國工業革命的第一座工廠就位於羅德島的普塔基特瀑布（Pawtucket Falls）。在蒸汽機還未普及之前，每座工廠都需要靠水力來運作。 　　古羅馬城市是早期工程技術造詣的絕佳範例，尤其是當古羅馬工程師從零開始建出新城市；這些是高度發達、井然有序、有規畫的大都市，能夠讓上萬居民安居於此。 　　79年，龐貝遭火山灰埋沒，當時羅馬已經統治這座城市超過一世紀。火山灰彷彿時光膠囊般，把龐貝城保存下來，讓我們看見兩千年前羅馬人在有工程建設的城市裡生活樣貌。 　　供水和下水道系統對一座羅馬城市而言是很重要的。水經由暢通的輸水道送進城裡，再透過管路和公共噴泉配送給居民，過剩的水、排泄物和雨水，則流進地下的下水道系統。 　　為了讓人、動物和馬車在城市裡穿梭，道路就非常重要。龐貝城的街道由石塊鋪成，呈網格狀布局，就像現代化城市裡的街道。街道兩旁是人行道，而且有供人遮陽的設計。 　　公共浴池對於衛生情況和社交都很重要，龐貝的許多公共浴池有高明的加熱系統，稱為熱炕（hypocaust），磚砌成的墩把浴池地板抬高，讓下方留有1公尺的空隙，火產生的煙和熱氣就從地板下方流過，通過牆壁，把浴池加熱到49℃的高溫。 　　羅馬的城市還有商店、作坊、麵包糕點鋪、市場、寺院和政府機關所在的公共集會廣場、圓形競技場，以及表演劇場。龐貝城的居民住在私人住宅或公寓裡。 　　當時工程師可用的建築材料有石材、混凝土、磚、瓦和木材。舉例來說，龐貝的競技場是羅馬帝國最古老的石造競技場。典型住宅的室內牆壁會刷上灰漿，也經常會上漆，而外牆則是塗上灰泥。屋頂使用到桁架，並且鋪上瓦片。 　　古羅馬工程師為這些城市的居民打造出都會奢華的極致，提供大眾享有舒適生活所需的一切事物。 　　想像一下自己是五百年前的旅人，走在無人涉足之地，這時你可能會遇上什麼麻煩。如果你有時鐘，而且可以看到太陽，你就能相當準確地判斷出方向。或是在夜裡，如果你看得到星星，又有些時間，你也能判斷方向。不過，要是你可以從口袋掏出一件儀器，讓你馬上知道你的即時行進方向，不是很棒嗎？ 　　在今天看來，指南針（羅盤）好像非常普通，只要用縫衣針、小磁鐵、一小塊泡綿和一碗水，隨便哪個小朋友都能在五分鐘內做出指南針來。把縫衣針在磁鐵上摩擦幾下，讓縫衣針磁化，然後把針放在泡綿上，讓泡綿漂浮在水碗中。磁針會旋轉，你馬上就知道磁北是哪個方向。 　　但時光倒回一千年前，事情就沒那麼容易了。首先，我們需要一根鐵針，這代表必須有鐵——這可不是小事，只要想想會需要何等的鐵礦冶煉技術。假設你能找到鐵礦，也曉得冶煉的意思，接下來你必須有能力把鐵磨成針，而這又需要工具和某些技能。另外，我們還需要磁鐵。要去哪裡找磁鐵呢？這時根本還沒有電磁鐵，只有存在於自然中的天然磁鐵，叫做磁石，但很稀有，你必須去找出來。 　　在中國，一切水到渠成。宋代時（約在1040年），他們開始冶鐵，生產鐵針，與磁石結合起來，就製造出首批指南針。除了讓磁針漂浮在盛水的碗裡，他們也會把針懸掛在絲線上。 　　從工程的角度來看，指南針對於早期的測量工作極為重要。若要在一塊土地上鋪鐵路、設運河或邊界，品質好的指南針是不可或缺的，想要在荒郊曠野中確定自己的方位，沒有其他簡單又準確的方法。 　　一切全是因為地核本身就是個磁鐵，而儀器製造商利用這一點來製造品質優良的測向儀器。 　　當我們想到大教堂這種建築時，出現在腦海中的通常是奇大無比、有大片彩繪玻璃裝飾的石造哥德式教堂，這些建築物從幾個方面看都是驚世之作，但最令人感興趣的也許就是，它們代表建築和工程向前邁進一大步。雖然已經有吉薩大金字塔與其他類似的龐大建築，但世人從來沒有見過這麼高聳開闊、鑲著大面積玻璃窗、光線如此明亮的建築物。位於法國、在1144年建成的聖丹尼聖殿，被認為是這種建築形式的第一個例子。 　　要蓋出哥德式教堂，需要兩項工程創新技術。第一項是哥德式的拱頂，或叫做尖拱，這個設計取代羅馬式的圓拱。尖拱會把更多的支撐重量垂直往下傳送，而不是橫向分布，但又沒有全部都往下壓，這時就要用上第二項創新技術：飛扶壁。扶壁會提供橫向的支撐，抵消掉尖拱想要向外推的推力。飛扶壁穩住尖拱，才有肋拱式的穹頂和石造天花板，飛扶壁也穩固高牆，又因為是外部結構，所以不會擋住窗戶。 　　有了這兩項創新技術，工程師就可以把薄石牆砌到難以想像的高度，同時在牆上為窗戶預留大洞。典型的哥德式教堂內部足足超過30公尺高。 　　這並不是說，興建哥德式教堂是一件容易的工作。建築工和工匠得去採掘與雕刻好幾公噸的石材，然後必須把建材吊起、安置和固定到位。一件大教堂興建工程，可能需要一百年甚至更久。 　　活在這段期間的人，生平還從未見過這麼雄偉、內部空間如此廣闊、裝飾著大量玻璃的建築。工程師為世人樹立了想像建築物的全新方式。

作者：馬歇爾．布雷恩(Marshall Brain) 譯者：畢馨云 出版社：時報出版 書系：科學人文 出版日期：2016-12-16 ISBN：9789571368139 城邦書號：A2201731 規格：平裝 / 單色 / 264頁 / 19cm×26cm