- 本文轉載自「財團法人國立自然科學博物館文教基金會——科普寫作網路平台」
1676 年,英國科學家羅伯特·虎克(Robert Hooke,1635 C.E.~ 1703 C.E.)拋出了一句拉丁文字謎:“ceiiinosssttuv”;兩年後,虎克揭示了它的謎底:“ut tensio sic vis”——「力如伸長」,吾人熟稔的彈性定律,又稱「虎克定律(Hooke’s law)」。
彈性定律的提出,還得歸功於彈簧的發明,中小學課本的 “F=-kx”,即「彈性恢復力等於彈力常數乘以形變量」,為虎克定律在理想彈簧中的形式,事實上,虎克定律適用範圍甚廣,除卻金屬,也包含弓弦等其他材料。在所有材料中,適用的公式為“σ=Eε”,即「應力等於彈性模量乘以應變。應力為單位截面積受力,即 F/A;應變為單位長度形變量,即 ΔL/L」,也能寫為 “ΔL=E-1×L×σ”,即「形變量等於彈性模量的倒數乘以總長乘以應變」。
廣義的彈簧包含一切比例得當、可彎曲的合金,在人類歷史上使用第一種合金——青銅以後,這個比例經歷數千年才被找到。前三世紀托利密王朝的克特西比烏斯(Κτησίβιος,285 B.C.E.~222 B.C.E.)就找到了這樣的青銅比例,然而當他想要進一步用於研發彈射武器時,卻發生技術上的困難,無法發揮預想的效果,直到後世找到更佳的彈性比例後才慢慢改善;反觀秦始皇陵出土的寶劍被數噸陶俑壓折得嚴重彎曲,經歷了兩千餘年後出土,竟還能彈回原貌!
人們紛紛將此劍稱為「秦王朝具有記憶功能的黑科技」。重點是,秦國的武器鑄造具有非常嚴謹的標準化流程,常見於武器上的「物勒工銘」,即是從高層的「相邦」、「工師」、「丞」,乃至每個工匠,皆須於武器刻上名字,以示負責。至今,秦人一絲不苟的精神,仍可見於數以千計而毫髮不爽的出土刀劍,更可推知與托勒密王朝同一時期的中國,早已將彈性合金的技術瞭若指掌,運用成熟。
今人熟知的「彈簧」,稱作螺旋彈簧(Coil spring,或譯「盤繞彈簧」),出現於 15 世紀初,它促成發條的出現,其中最早使用發條的文物為 1430 年代全盛時期勃艮第公國(今法國中部)的“Burgunderuhr(勃艮第時鐘)”,解決了原本滑輪驅動過於笨重與動力不足的問題,而後比德·海萊恩(Peter Henlein,1485 C.E.~1542 C.E.)更以此技術,發明最早的手錶(須注意:部分資料以海萊恩為發條發明者,這是錯誤的)。
然於四十多年前戰國曾侯乙墓(墓主人曾侯乙薨於楚惠王五十六年,433 B.C.E.)出土的一串糾纏的金彈簧,將螺旋彈簧出現的時刻整整提早將近兩千年。無論何種「彈簧」,當時的中國的技術在世上可謂超倫軼群,那麼,更早善用彈簧的中國人,有可能更早發現彈性定律嗎?
「彈力」一詞最早見於晚唐段成式《酉陽雜記》,其曰:「彈力五斗。」其中「斗」為重量單位,乍看之下與今人使用的「公斤重(kgw)」、「公克重(gw)」並無二致。因此在談論彈力前,吾人須先釐清一項重要問題:古人認知的「力」,與今人有幾分相似呢?古人是否對重量與質量有清楚的認知呢?
誠如上文所述,古人最需計量的「力」,當屬「重力」,乃因重力涉及日常秤重,因此量測重力的方法,必然在原始社會的勞動人民中已能見到。
戰國墨子(周貞定王元年至周安王二十六年,468 B.C.E.~376 B.C.E.)的《墨經》曰:「力,重之謂,下、與(舉),重奮也。」意為:「重量是力的表現,向下墜落、向上舉起,皆由重量所導致。」亦即將「重量」視作向下的「拉力」;又曰:「刑(形)之大,其沉淺也,說在衡。」意為:「形體大的物體,沉入水中較淺,其機制在於平衡。」以現代物理觀念理解,「在衡」的緣故就是體積較大物體上下兩端的液壓差形成浮力,以現在公式理解就是 “B=ρ×V×g”,即「浮力等於液體密度乘以下沉體積乘以重力加速度」,墨子此話同時體現出「力平衡」的觀念。
除卻重力,「彈力」觀念也萌芽於古人重視的射術——山西峙峪遺址出土的石箭簇距今約 28000 年,經過漫長的發展,更成為西周貴族子弟必學的「六藝」之一。鑒於秤重的必要,在墨子的力觀念與「彈力」一詞出現之前,重物已被用於測量彈力。春秋末《左傳》曰:「弓六鈞。」春秋、戰國之交記載齊國度量衡等資料的《考工記》曰:「量其力,有三勻(鈞)。」無庸置疑,皆為重物量測弓弦受力之證,在力學觀念尚未發達的時代,能將重力與彈力連結,是十分先進的。
到了西漢中至東漢中的《居延漢簡》,彈力的量測以能達到斤、兩(十六兩為斤,三十斤為鈞,四鈞為石。戰國一兩約 15.8 公克重,兩漢一兩約 13.8 公克重)。隨著量測彈力愈漸精準,產生「應變與應力成正比」經驗,也就無從詫異了。
東漢晚期經學家鄭玄(漢順帝永建二年至漢獻帝建安五年,127 C.E.~200 C.E.)對「量其力,有三勻(鈞)」註曰:「每物加一石,則張一尺。」可謂世界上彈性定律至早的提出者,早於虎克近一千五百年!到了唐代的賈公彥,又對應變與應力的正比性質作出更清楚的闡述:「一石張一尺,二石張二尺,三石張三尺。」
可惜的是,中國始終沒有發現地心引力,因此不能嚴格區分質量與重量,也未將這些經驗推向數學化的過程。中古以後,中國的物理學進展趨緩,上古的科學成就在一次次的戰火中成為鳳毛麟角的絕學,也在一次次的朝代遞嬗與制度變革裡步步失去士大夫的重視,最終淡化在歷史的洪流與知識分子的記憶,直到被後來居上的西方文明趕超。