紀元前後的「矽谷」——亞歷山卓│《電腦簡史》 齒輪時代(四)

亞歷山卓出了阿基米德與克特西比烏斯兩位機械天才,已是難得。之後竟又出了費隆,編寫第一本機械百科全書;以及希羅,發明出許多史上第一的機械裝置。當時的亞歷山卓簡直是今日的矽谷,各項發明盡出自此地。不過,這些發明好像沒什麼實際用途?

本文為系列文章,上一篇請見:機械水鐘——時鐘與自動機器的濫觴│《電腦簡史》 齒輪時代(三)

第一本機械百科全書

上一篇提到發明機械水鐘的克特西比烏斯,後來擔任亞歷山大博物館的館長。在他擔任館長期間,大約是西元前兩百多年,一位年輕學子遠渡重洋,從一千公里遠的拜占庭 (Byzantium,也就是現今土耳其的伊斯坦堡) 來到亞歷山卓留學。不久之後,這位學子也對機械裝置做出重要貢獻,而以「拜占庭的費隆」 (Philo of Byzantium) 之名著稱。令他揚名後世的正是他所編寫的鉅著「機械彙編」 (Compendium of Mechanics) 。

費隆這套鉅著共有九大冊,但是原著早已佚失,只有部分篇章的內容經後人摘錄或轉述,才流傳下來。「機械彙編」的前兩冊分別是數學與機械的概論;第三冊是關於港口的建造;第四冊以及第七、八、九冊都與軍事有關,分別是拋投武器、城池的工事、攻防器材,與密碼書信;第五冊與第六冊就都是齒輪相關的機械裝置。

第五冊裡面記載的主要是運用水力或空氣壓力的機械裝置。例如其中有個用水車帶動石磨轉動的裝置,是目前所知最早的水力磨穀機。還有自動倒酒的女僕人偶,當客人將空酒杯放在她左手的手掌上,她右手的酒壺就會流出酒水到杯子中,直到酒杯將滿時便自動停止。除了這些創新的設計,費隆也收錄了克特西比烏所發明,由水力帶動的管風琴。

從目錄得知第六冊都是各種娛樂用的自動機器,只可惜這一冊的內容都已佚失,無從得知這些自動機器是何樣貌。其實第五冊中的倒酒女僕與管風琴已經有相當程度的自動化了,然而它們卻沒被費隆歸類到第六冊之中,令人更加好奇第六冊裡面的自動機器有多奇巧。

費隆所著作的「機械彙編」多已佚失,現存僅剩部分片段。圖\pixabay

雖然第六冊收錄的自動機器現在已經失傳,但是它們的設計圖或實物肯定至少流傳了三百年之久。因為到了西元一世紀,亞歷山卓又出現了一位機械天才,人稱亞歷山卓的希羅 (Hero of Alexandria) ,他所發明的許多機械裝置,都可見到克特西比烏與費隆兩人的影子。

史上第一的蒸汽引擎、自動販賣機、自動門

希羅於西元10年出生,是亞歷山卓土生土長的博學家,與克特西比烏、費隆等古希臘學者一樣,研究領域也橫跨數學、物理,與工程。其中最具代表性的,正是他所設計的各種動力裝置,有些還是史上最早的發明,例如:

  • 第一個蒸汽引擎:它的本體是一個空心鐵球,鐵球南北極處各有一支 L 型噴嘴,赤道的位置有水平的管子架於裝滿水的釜上。在釜下升火燒水,水沸騰後蒸氣經支架進入鐵球中,再從L 型噴嘴噴出而推動圓球旋轉。
  • 第一個風力機器:風力轉動風車後,帶動空氣幫浦推送空氣進入管風琴而發出樂音。
  • 第一台自動販賣機:這是飲用水的自動販賣機。投幣後,錢幣掉在槓桿一端的托盤上,原本平衡的槓桿因此傾斜,升高的另一端便打開水管的閥門,釋出流水。當硬幣從傾斜的托盤滑落後,槓桿恢復平衡,閥門再度關上。

除了這幾個史上第一的發明,希羅還發明了一項規模更加宏偉的自動裝置。這項裝置是裝在神廟的自動門,整合了各種不同動力,營造出劇場般的效果。

祭司會先點燃神廟大門前的火壇,再一步一步走到大門。祭司雙手一揚,兩扇大門即自動緩緩打開,裡面巨大莊嚴的神像,在信徒的殷切期待中逐漸顯露。當祭祀儀式結束,火壇的火焰也逐漸熄滅,祭司走出神廟後,大門又緩緩自動闔上。自動門的機關都藏在地底下(原理解說參見文末),群眾完全看不見,因此大門的開闔宛如來自神靈授予祭司的神祕力量,為儀式增添了令人敬畏的氛圍。

其實這幾項「史上第一」並不全都是希羅憑空發明,而是奠基於前人的成果。像「汽轉球」這個裝置,早在希羅出生之前,就有一本轉述克特西比烏許多發明的書,裡面就記載一件類似的構造,只不過裡面沒有提到圓球是否會旋轉。所以即使「汽轉球」是希羅首創的發明,應該也是他從克特西比烏這裡得到的靈感。風力管風琴,顯然也是將克特西比烏的水力管風琴改以風車取代;而飲水自動販賣機的原理,其實與費隆的倒酒女僕有異曲同工之妙。當然,神廟自動門這個前所未有的集大成之作,就完全可歸功於希羅了。

希羅集結前人智慧,而做出各種「史上第一」的發明。圖\wikipedia

這些只是沒用的玩意兒?

希羅費盡心思,使用風力、火力、蒸氣等不同動力來源,讓齒輪裝置不需人力就可以自動運轉。然而這些自動機器看起來雖然很有趣,但對實際生活並沒有太大幫助,不像工業革命的蒸汽機,可以提高生產力,改善生活;說穿了,只是可有可無的發明。只會空轉的汽轉球就不用說了,風力管風琴與飲水自動販賣機主要也是為了娛樂效果。至於神廟自動門,或許可以增添祭司或君王的權威感,卻也不是必要的設計(派幾個人躲在暗處轉動輪軸不就好了?)。因此,希羅應該只是出於個人興趣,覺得好玩才設計這些自動機器。

歷史上像希羅這樣,不考慮實際效益,只因為好奇或有趣而投入研究的學者不在少數。耐人尋味的是,這些最初看似無啥大用的發明或發現,最後卻常常無心插柳地,帶來意想不到的用處。自動機器也是如此。正因為後世又有許多人追隨希羅的腳步,搞這類純粹好玩的自動機器,而對齒輪技術的提升與流傳起了推波助瀾的作用,也為計算機的發明埋下伏筆。

「神廟自動門」原理解說

希羅所發明的神廟自動門設計。圖\wikipedia

神廟自動門運用到火力、蒸氣與重力,所有機關都隱藏在神廟的下方。看似獨立的火壇其實底下埋著一個半滿的水箱,水箱另有管道接到一個作為砝碼的容器。這個容器由繩索懸掛在滑輪組下方,繩索另一端先在兩扇大門的轉軸纏繞幾圈後,再穿過另一個滑輪,末端掛著一個配重。

當火壇點燃後,水箱裡的空氣受熱膨脹,於是將水擠壓到砝碼容器內。原本與配重保持平衡狀態的砝碼容器注入水後,重量逐漸增加而往下沉,因而拉動繩索打開神廟大門。而當火壇的火熄滅後,負壓又將砝碼容器裡的水吸回水箱內,砝碼重量逐漸減輕,於是換成另一端的配重往下降,牽引繩索往反方向轉動轉軸而關上大門。

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關於作者

張瑞棋

1987年清華大學工業工程系畢業,1992年取得美國西北大學工業工程碩士。自小喜愛科學新知,浮沉科技業近二十載後,退休賦閒在家,更成為重度閱讀者。當了中年大叔才成為泛科學專欄作者,著有《科學史上的今天》一書,如今又因翻譯《解事者》,而多了個譯者的身分。

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