歷史的故事中世紀晨星

中古世紀真的是「黑暗的時代」嗎?----以工程發展為例


  有些時候歷史像是一條彎曲的小路,在人看來可以迅速達成的康莊大道,在事件的演進上,卻是隱藏一段,又顯露一段,再隱藏一段,又顯露一段…耶穌釘十字架後,二百多年的期間,信他的人像是羅馬帝國的渣滓,不管他們的地位有多高,不管他們的知識有多淵博,不管他們的專業對帝國多有貢獻,一旦被抓就送上刑場,例如在二世紀,羅馬皇帝奧理略(Marcus Aurelius)將抓來的基督徒成捆淋上燭油,放火徹夜燃燒。公元三一三年羅馬皇帝君士坦丁(Constantinue)成為基督徒,且發表「米蘭詔書」(Edict Milan),讓基督徒有信仰的自由,彷彿是歷史的峰迴路轉。

工程背後的愛心
  政治地位的自由不代表生命脫離罪惡的自由,羅馬帝國沿襲多年的惡習,如奴隸制度、一夫多妻、競技場血腥搏鬥、欺壓弱小,與多神崇拜依然存在,當時指出這些錯誤最著名的人,就是屈梭多模(John Chrysostom, 347-407)(1),他個子矮小、身體瘦弱,又常為胃病所苦,但是他一上講台,傳講聖經,聲大音高,混身是勁,他被稱為「金口」(golden mouth)傳道人。「屈梭多模的舌,耶柔米的筆」,他與耶柔米同被稱為當時對羅馬帝國最深影響的二位基督徒。
  屈梭多模特別抨擊奴隸制度,他稱:「上帝恩典所釋放的人,怎能仍被罪人當成奴僕使用。」他多次傳講要讓全部奴隸得自由。後來,他被皇帝流放邊疆,死於途中。他臨終的最後一句話:「願我一生所有的遭遇都榮耀主」(Glory be to God for all things)。Boethius
  屈梭多模的一生雖然與工程發展無關,但是他為解放奴隸的努力影響深遠,使得中世紀工程發展最大的特徵,是用工程的省力來取代奴隸的勞力。
六世紀羅馬議會的元老波伊里斯(Boethius, 480-524)(2)就在著作中提到建造水車(water wheel),認為這是能取代奴隸勞力的方法,他也是數學家與神學家。

水車的設計
  依近代工程的精密與複雜來看,波依丟斯設計的水車結構,實在簡單。不過是架在水面上的木製轉輪,幾根輪軸支撐著邊緣的輪板,輪板上釘著與水流方向垂直的堅板。當溪流的水速沖擊堅板,帶動輪軸的轉動,使得輪軸中央所接的硬木軸滾動;若把麥殼放在滾動的硬木,就產生脫殼磨粉的效果。但是,他用「水的力量」來取代「奴隸的力量」是劃時代的貢獻。科技史上,工程變遷就因此分為公元前的奴隸人力與畜牧獸力,中世紀的水力,十八世紀工業革命的蒸汽力,十九世紀的電力與二十世紀的核子能力。普林斯頓大學教授懷特(Lynn White)(4)回顧中世紀的發展史時,寫道:「中世紀的榮耀不是表現在巨大教堂的建築,也不是偉大的史詩,或是經院哲學的辯論,而是在人類歷史上,文明開始不是架構在奴隸的汗水上,而是矗立在天然所提供的能量上。」
西元五二○年,波伊里斯被誣告與東羅馬帝國的皇帝通信,想同謀反叛哥德人在西羅馬所建立的政權,被判死刑。他在獄中四年,寫了一本非常著名的靈修書籍「哲學的慰藉」(The Consolation of Philosophy),以對話的方式,探討人的受苦、公義與上帝的完美旨意。例如,他在這本書中寫道:「做好事一定要有好報或惡報嗎?做好事本身最大的報酬是這件事是對的,是好的,是上帝所喜悅的。」(3)他在死以前的確沒有看到好的報酬,但是他的見解,使得後來歐洲中世紀奴隸全部解放。
  六世紀後,本篤修道院的修士開始在佈道區域的溪流邊架設水車,並如何增進水車的效率。由於溪流的流速並非在水面最快,就發展出「沈水式的水車」(5),讓輪軸與水流平行,將豎板改成傾斜,以水流對豎板的橫切力去帶動水車。若在旋轉的輪軸上,又套上另一個軸承可以改變旋轉的方向,或是接上齒輪,讓大小齒輪的契合來增加轉速,這種水車的工作效力,相當於200個奴隸的整日分班推磨。
  研究為工程帶來改進的空間,後來發展出用瓦製水管將水自高山引下,使水流沖入垂直轉動式水車的上方。這種改良型的水車周緣裝上水箱接水,水接多後自動向前傾,利用水自上向下的沖力,使水車工作的效率更高。此時,水車不祗用來磨粉,也用來鑽取礦石、搬運貨物、劈裂木材等。到了九世紀更在水車上游建壩,以壩口下的快速水流來加速水車轉動。這種水車產生的力量相當於25,000個奴隸的工作量,對糧食的加工效率甚有幫助。既然水車可以比奴隸更有效率,又易管理,奴隸就不用了。
  到了十世紀,法國開始有人在河口設立水車,利用潮汐來推動。這是中世紀時期水車發展的極至。有河流的地方可以發展水車,但是在河面經常結冰的北歐,應該怎麼辦?

風車的建造
  第八世紀時期,住在丹麥的日耳曼民族,北上開發瑞典、挪威與芬蘭的土地,後來進入基輔,統治了俄羅斯大片的土地,這在歷史上稱為「日耳曼民族最後一次的遷移」。這些遷移的人善於造船行駛,他們曾四處搶奪,自稱是「維京人」(Vikings,意即海上勇士)。但其他人稱他們是野蠻的「北方人」(Northman)。在九世紀與十世紀,維京人幾乎搶遍了歐洲的所有港口,而後基督徒進入他們當中,不僅把福音傳給他們,並且為他們建造另一種省力的機械-「風車」。
  誰開始建造風車,現在已經無法考證,但是十二世紀整個北歐到法國都有風車。(6)在一一八○年,有一個修士維科第(Sauver de Vicomte)留下各式風車建造的記錄,有的具有六片,有的十二片的轉扇,轉扇的上面包上布,以擋來風,上粗內細,便於轉動。
十二世紀以後,維京人不再出來打劫,大西洋與地中海沿岸的城市,大得平靜。而後製造風車的技術又繼續發展,在十四世紀加上可變方向的轉軸,使得風車扇片運動的方向,可隨風向改變而調整,繼續轉動。轉動的水車與風車,也將中世紀居民的生活水準,帶往前去。

鐵犁的土地改良技術
  在公元前,犁大都是木頭作的,在農地耕耘翻土時,所翻的土較淺,祗約達二十公分深。這種深度固然足夠下種籽與翻除雜草,但是土壤的黏粒隨著雨水或灌溉水,會滲移至較深的土層,逐漸形成硬盤(hard pan)(7) ,使得作物的根系不能穿透,也會造成排水不良。以前兩河流域與尼羅河平原都是肥沃的土地,後來會成為作物難以生長的不毛之地,主因之一是淺耕無法改良硬盤土壤結構。
  中世紀的犁是用鐵製的,所以能夠翻耕土壤到100公分的深度,甚至還可以挖到160公分的土深,將硬盤破壞,作物的根系就可以往下延伸。現在看來,這算不得是很難的技術,卻是維持地利,增加作物生產的關鍵。也是受到水車的使用,將轉動的力量轉為挖礦的鑽取,鑽得愈深,所取到的鐵礦就愈多,就有足夠的材料製造鐵犁。可惜,早期鍛製鐵犁的修士都未留名。不過,這也表明推動人類文明前進的人,並不一定都是有在歷史上留名的人。

中世紀的機械製造
  製造金屬工具是屬於「機械工程」的行業。在西元十一世紀,有一個傑出的機械工程師本渥德(Bernward),他製造了各樣的金器、銀器、銅器、鐵器,發揮了各樣的用途之後,末了將機械工程的最高表現,以藝術來呈現。後來的歷史學家稱中世紀最佳的藝術之一,是本渥德所製的十字架。那是兩個青銅的浮雕,刻著耶穌在世上的生活、釘十字架與復活,他以燭台的形式去串聯事蹟,以表達彫刻的主題「世界的光」。這件藝術品至今仍存在德國希爾德斯海姆(Hildesheim)的聖邁克爾教堂(St. Michael’s Church)內。聖邁克爾教堂內部
  在本渥德的手中,金屬彫刻成為當時德國的最高技藝,也為後來德國古騰堡活字版的印刷技術預備。活字版的字體與圖案都需要一流金屬的彫刻。本渥德發現了工程藝術,是表現在人對上帝的禮讚。

用馬耕種的技術
  公元前,人就騎馬,但是並沒有用馬耕田,主要原因是馬的脖子長,氣管容易被軛壓到。軛很容易放在牛身上,因為牛的脖子短,套在肩上的軛不會壓到牛的呼吸氣管。用一樣的方法將軛放在馬背上,就會壓到馬的脖子與氣管,馬就會嘶嘶大叫,驚嚇而逃,歷史上突破這個困難的是諾蒂斯(Lefebvre des Noettes)。
  諾蒂斯是個法國人,他被稱為中世紀時期最懂馬的人,為了讓馬負軛,他製造了「馬鞍」,馬鞍是綁在馬背上,而非馬的脖子上。所以把鐵犁上的繫繩綁在馬鞍上,馬就可以像牛一樣幫助翻田(8)。但是馬的腳掌容易破裂,不適合走遠路,他就給馬掌釘上「馬蹄」。他是第一個使用馬蹄的人,從此馬可以走很遠。
  馬有脾氣,有時不易指揮,諾蒂斯設計「馬蹬」,讓人用它來指揮控制馬的行進。不過,有意思的是,諾蒂斯這樣做,並不是為了讓馬耕田,他是聶斯托里修會(Nestorian)的基督徒,這是在五世紀時期最熱心佈道的團體,為了傳福音,他們還在唐朝時期前來中國,中國人稱他們是「景教」。由於要出外佈道,就要知道如何騎馬走遠路。此外諾蒂斯也是第一個發明用「船舵」駛船的人,以前的船隻控制都用船槳,非常不方便。有了舵,船的方向更易控制,對於中世紀後期的遠洋探險有非常大的幫助。

中世紀的農業工程
  「三圃農法」(three crop system)(9)是中世紀發展出的一種作物輪種方式,目的在使土地可以獲得休息。其方式是將土地三塊等份,一份是種植供人主食的作物,如小麥與大麥,第二份是種植給牛、馬吃的大豆與燕麥,第三份是種植田菁,肥沃土壤。隔年,改變種植田區,第一份種植田菁,第二份種植大、小麥,第三份種植大豆與燕麥,每一年都依序輪種。
  這些作物的栽種的品種,都是根據長期以來農民的篩選,每一年輪種可以減少病蟲害,又能增加食物的多樣性,並且保持地利,(10)因此三圃農法又稱為「中世紀的綠色革命」。目前歷史上仍無法確知是誰開始使用或推行這方法,已知在西元一一五六年法國克蘭尼(Cluny)修道院的修士,已經記錄當年的豐收。三圃農法印證一種很重要的觀念:「人類要長期的使用土地,必須要讓土地獲得休息,而讓土地休息的最好方法,不是任憑土地淪為荒地,而是種植豆類與綠肥植物」。

中世紀的化工製造
  古代的人知道製造玻璃的方法,實在是一件很有意思的事。「玻璃」是氧化矽(SiO2)在2000℃的高溫下熔解,成為高黏度的液體,再慢慢冷卻後形成的。玻璃是建築、裝飾、採光上非常重要的材料,但是要產生2000℃的高溫,不是容易的技術。用燃燒木頭所產生的溫度最高祗達700℃,如果加上鼓風爐燃燒木頭溫度可以提高至1200℃,但距離將氧化矽熔解的2000℃還有一大段距離。不知哪個聰明人,發現祗要在氧化矽中加入碳酸鈉(Na2CO3,或稱為蘇打),氧化矽在800℃時就會熔解,於是製造玻璃成為最早的一種化學工程技術,在含氧化矽的砂子中加入蘇打,用木頭燃燒,配合鼓風爐就能製造玻璃了。
  在人類懂得製造玻璃以前,這世界已經有玻璃存在。天然的玻璃來自火山爆發時,火山灰中的氧化矽迅速的熔解,隨即被其他砂石包住,冷卻的氧化矽就在石頭中成為天然玻璃,這些天然玻璃有紫色、黃色、紅色等,一直是珠寶加工的重要材料。於是有人研究在製造玻璃的過程中,加入其他物質,以產生「彩色玻璃」。玻璃染色的技術,漸趨成熟。但是要將彩色玻璃用在建築上,還需要突破將彩色玻璃製模,精細的切割,與準確的鑲合,才能將每一片不同形狀的彩色玻璃鑲在窗子上,形成各種複雜的圖案。
  在人類的歷史上,第一個仔細記載彩色玻璃在建築上的技術,是西元一一一○年,德國萊茵河畔聖本篤修道院的修士西歐費勒斯(Thesphilus)。他著的「加工技術」(Technical Specifications)一書,是十二世紀以前手工藝技術的大全,他不僅詳細的記載彩色玻璃的製造加工,也記載黃金、寶石等加工的技術。當時這些技術大都是屬於個人的傳家技巧,極為保密。西歐費勒斯將這些技術,自己實作有效後再寫下來。後來文藝復興時期的藝術巨匠,都提筆感謝他。
  西歐費勒斯在他的著作中寫到彩色玻璃的製造過程,與減少玻璃中氣泡產生的方法。他先製模去製造彩色玻璃,以鋒利的刀片切割模器內的玻璃,再用熔化的鉛、錫為黏著劑去膠結每塊彩色玻璃。他是一個細心的人,他寫道:「從事玻璃的吹製,必須注意熔化玻璃的高溫,對於吹製者的嘴唇與肺部都是一種傷害,所以在吹製玻璃時,嘴部儘量不要接觸到吹製玻璃的管子。」西歐費勒斯不僅教導技術,也關懷學習者的安全。
  西歐費勒斯也在書中,提到自己「是個卑微的人,在安靜中親手作工,將所得分給周圍有需要的人」。他也寫道:「手工藝裡有許多有用的知識,祗是很少人肯去學習。學習這些知識的人,會使得所作的對人更為有用,使自己更接近真理,而且使得心靈與身體皆蒙上帝保守。」他末了提到自己是在一片片平凡的彩色玻璃製作上,榮耀上帝。
  西歐費勒斯可能沒有想到,他所製作的玻璃,後來大多被鑲成哥德式教堂裡窗戶上的不朽名作。

建築的榮耀
中世紀時期的「哥德式建築」至今仍讓人嘆為觀止。在中世紀以前,埃及、希臘、羅馬就有非常巨大、雄偉的建築,這代表人類一種有趣的特質,建築不祗是為了居住、遮風、擋雨、防衛,也為有藉著建築的「形狀」表達思想與理念,因此建築帶有時代的色彩。
  埃及建築重材料的強度,所以埃及人到很遠的地方,採石、鑿石、搬石來蓋金字塔,希臘時代講求平衡與對稱,所以可以用比較少的材料蓋出穩定的建築。羅馬時代注重量測,尤其用拱形挑起屋頂,減少柱子,而且有較大的屋內空間。不過這些建築仍然以牆、柱、樑、拱為古代建築結構的四要素,而且愈高的建物一定在水平方向上也愈寬。
  中世紀的建築有不同的風格,這是受修道院的影響。中世紀的修道院具有崇拜、教育、圖書館與醫院的功能,所以自四世紀以後,修道院建築為了通風與採光,就會蓋愈高,逐漸演變成特殊的建築風格-高度大於寬度。
  由於建築物愈高,而寬度沒有等比例的放大,就產生底下的結構要承受更大的重量,不知道是哪位建築師想出解決困難的方式。首先將建築物的重量,由柱子來承受,這樣牆壁較不支撐,就有足夠的空間來作窗戶,以利採光。而在拱形的屋頂樑上,再連接許多的拱肋(rib),將承受的力量分散減輕,無形中屋頂就能有相當長的跨距,甚至達到11公尺,(10)而中間沒有用柱子支撐,這有利於建築內部的通風。末了,為了減低柱子所承受的重量,設計出「飛扶壁」(flying buttresses)的結構,將重量分散出去。(11)
  這些建築相當高大,有的持續建造一、二百年,仍在進行,這需要建造者一代又一代的傳遞下去。建造者必須對工程相當有信心,才敢如此,因為在他們有生之年,無法看到建築完工。完工不必在己的雅量,是這種歌德式建築另一種值得欣賞的角度。
  歌德式建築的巔峰是在十二世紀,當時的建築大師是休格(Abbot Suger, 1081-1151)。休格於西元一○八一年生於法國巴黎的一個窮人之家,他的父親靠種田為生。他十歲時在聖丹尼斯(Saint-Denis)學校就讀時已顯出高人一等的才智,他最好的同學是來自貴族的孩子卡貝特(Louis Capet, 1081-1137)。西元一一○八年卡貝特繼承法國的皇位,成為法國非常傑出的皇帝路易六世(Louis VI)。休格成為路易六世的治國的首席大臣。在此之前法國是各地諸候割地為政,經常互相攻伐,休格自認為是「農夫與中產階層的保護者」,他集中眾人的力量,重整國家。西元一一二四年,神聖羅馬帝國的軍隊入侵法國,後來看到法國的上下團結,就不戰而退。
  現代的歷史學家已無法考究,休格這樣傑出的政治家,怎麼又會是一個建築學大師。休格在西元一一三七年,以五年的時間重建聖丹尼斯教堂,成為歷史上第一座「歌德式大教堂」,給教堂大量的玻璃採光,一掃過去羅馬式建築的陰霾。
  休格在他的著作中寫道:「我在上帝的啟示中仔細思考,決定採用一種全新的建造法,雖然在建築的開始,為了增加空間的長度與寬度,將使房子的柱子與根基承受更大的壓力,但是這將反應出聖經所闡述有關教會的真理。耶穌基督是教會惟一的房角石,除此以外再也沒有別的根基,因此我用非常堅硬的磐石作這教堂的根基,然後真理的教導是建造在使徒與先知上,於是我在根基支搭上堅固的柱子。這些使徒與先知的教訓使得上帝的兒女互相在真理上連接,於是我用拱形樑互相連結。教堂就高高聳起,連結在更高之處。」這是休格用歌德式建築表達他對聖經真理的記載。休格病逝於西元一一五一年,臨終前還訂下「森林保護法」,讓農民的土地可以獲得好的水土保持。這是中世紀科學家或工程師的特點,工程設計或建造的價值不祗在乎人、社會,而且是在乎上帝。

(1) Olson, R.E. 1999. The Story of Christian Theory. InterVarsity Press, U.S.A.
(2) Sarton George, 1927. Introduction to the History of Science. Chapter 33. p.424-425. Williams & Wilking, Co. U.S.A.
(3) White, L., 1978. Medival Region and Technology: Collected Essays. University of California Press. U.S.A.
(4)Boethius (Translated W.V. Cooper). 1943. The Consolation of Philosopy. Random House. U.S.A.
(5) Hill, D., 1984. A History of Engineering in Classical and Medieval Times. Chap 9. Power from Water and Wind, Open Court Publishing Co. U.S.A.
(6) Usher, A.P., 1954. A History of Mechanical Invention, Chapter VII. The Development of Water Wheels and Windmills. 150B.C.-A.D.1500. Dover Publication, Inc. U.S.A.
(7) Bowen, H.D., 1981. Modifying the Root Environment to Reduce Crop Stress. Chapter 2. Alleviating Mechanical Impedance. American Society of Agriculture Engineers. U.S.A.
(8) McClellam III, J.E., and H. Dorx. 1999. Science and Technology in World History. The John Hopkins University Press. U.S.A.
(9) Hartmann, H.J., W.J. Flocker, and A.M. Kofranek. 1981. Plant Science. Prentice-Hall, Inc. U.S.A.
(10) Salvadori, M., 1990. The Art of Construction. Chicago Review Press. U.S.A.
(11) Ref 5. Chap 6. Building Construction.

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