第1节

从不完美中诞生的文明

随着人类对自然界的塑造，文明也在缓慢而稳定地演变。尽管存在许多缺点，但我们仍然认为文明在进步，其原因在于我们开发了各种技术工具。人类并不是唯一会使用工具的物种，许多动物可以通过连续的若干步骤来寻找食物，鸟类和猴子都会使用棍棒等简单的物品来帮助自己挖取食物。更令人惊讶的是，有些动物甚至愿意延迟满足，为了捉鱼而将面包扔进水中。但人类超越了这个阶段。我们可以将人类开始使用简单技术的时候视为文明的开始，用于狩猎（和战争）的器具让人类获得优先发展。从一定程度上来说，这是必需的，因为原始人缺少其他主要捕食者的牙齿和爪子，这样的身体条件并不利于狩猎。

人类能够进入石器时代，原因之一是我们使用的石头和燧石都不完美，这一点对大多数人来说可能不易理解。因为石头和燧石存在缺陷，所以我们才能将其砸碎并打磨成不同的形状。这些石头的关键特性是易分裂、易破裂，因为它们有薄弱的地方。利用这些自然界中的缺陷，人类有意识地塑造了世界。

对于各种形状的工具和箭头的制造，燧石的弱点发挥了至关重要的作用，如果没有缺陷，它的硬度会高一千倍。如果燧石更加坚硬且毫无缺陷，我们就不可能将它打碎，也不可能把它削成石器时代的工具。这是一个重要事实，不完美的确是我们成功的关键。

燧石的生长与破碎

大约在250万年前，人类开始使用天然石头，大约50万年前，人类开始用燧石制作箭头等不同形状的工具。燧石是文明的基础，因此有必要描述一下它的生长过程与人为控制下的破碎。可惜我们仍然难以做到这一点，虽然燧石在漫长的人类历史中具有重要意义，但我们尚未完全弄清楚它的形成过程。燧石出现在石灰岩地层中。在众多相互矛盾的理论中，有一种说法认为，燧石来自海洋生物与海绵动物死亡和分解后所形成的海底沉积物。海洋生物的外壳构成了一层厚厚的白垩（主要成分是碳酸钙）。但定期加入的海绵动物给局部区域增加了富含二氧化硅和其他相关硅酸盐的物质。二氧化硅的晶体是我们非常熟悉的石英，它是沙滩的主要成分。尽管白垩不断沉积，但海绵种群的数量只能在一定的时间间隔内达到顶峰。最后，海绵动物的遗骸与硅酸盐在白垩层中沉积。这种不均匀的沉积至关重要。燧石的形成是由于水溶解了白垩中的物质，并将化学物质带到含有海绵动物的沉积层。燧石起初在不易溶解的石英颗粒周围生长，然后逐步变大，结核进一步生长，形成大规模的燧石。这意味着燧石比其所在的白垩层更加年轻。在英国萨塞克斯（Sussex）的白垩质峭壁上，通常会有分层的燧石，其间隔通常为3～10英尺（1英尺=30.48厘米）厚的白垩，最终可能会形成一整块大燧石或含有燧石的连续片状材料。

地层模型表明，我们既需要大量的白垩，也需要局部的海绵动物残骸层。这是一个有趣的想法，因为它解释了为什么燧石的主要成分是硅酸盐，但也包含微量的钙、铁和铝等成分。在白垩中，这些海绵动物沉积所造成的“缺陷”是燧石的关键组成部分。如果白垩与其中夹杂的海绵动物残骸均匀分布，人类可能永远无法进入石器时代。图1.1展示了萨塞克斯的白垩质峭壁崖面，这处崖面的高度大约是150英尺。

图1.1 萨塞克斯的白垩质峭壁崖面，其中的燧石呈层状或片状分布

如果燧石的成分纯净又简单（即完美），它可能会成为单晶体，每类原子都有规律地整齐排列。但实际上，燧石的结构更像一块玻璃，二氧化硅原子晶体半随机地排列。两者可类比为有序的阅兵队伍（晶体）与随机人群（非晶体）。尽管人与人之间的平均间距相似，但在随机人群中，人们的排列方式并没有规律可循。石器时代的工匠可以在生长层中找到因不同类型的化学物质沉积而偶然形成的较为薄弱的区域。如果用坚硬的岩石敲击燧石，冲击波会沿着成分不同的薄弱区域的界线造成断裂。

一颗真正完美的晶体燧石很难被打破，最后可能只会变成粉末，而不是形状良好的锋利碎片，这些碎片非常适合制作切割工具、斧头和箭头。要实现这一点，需要具备两个积极的特征，一是燧石中的薄弱处可以形成断裂，二是燧石由边缘锋利的坚硬碎片组成，因为硅原子和氧原子形成的化学键非常牢固。

如图1.2（a）所示，用另一块石头敲击燧石，可以将其制成简易的刮刀。燧石的内部显然是不均匀的，随着岩层的逐步沉积，其成分也逐渐多样。图1.2（b）显示，石器时代的熟练工匠可以将燧石打造成高质量的锋利箭头以用于狩猎。

图1.2 用燧石制成的工具

注：（a）是一块局部被敲打后的萨塞克斯燧石，可用作刮刀。它的制作尚未完成，可以看到还有白垩附着在表面上；（b）是一个制作较为完善的燧石箭头。

燧石不仅可以用于制造切割工具、斧头、箭头和刀，在后来，人类生产出金属以后，燧石还可以与金属击打，产生火花，用于取火。有了火，我们可以猎食体形更大的动物，并且探索其他方式来改善当前的生活。例如熔化沙子，产生玻璃珠，这也是制造玻璃的第一步。此外还可以利用火将金属从矿石中分离出来，这是冶金的第一步。燧石并没有立即遭到淘汰，因为它可以作为取火工具，也可以用在燧石枪中点燃火药。由于它坚固耐用，在萨塞克斯，燧石依然是一种建筑材料。这样的建筑在许多地区都深受欢迎和好评，比如萨福克（Suffolk）的教堂。但燧石也会产生负面影响，例如在花园挖土时，隐藏在白垩中的燧石会带来麻烦，因为它们会导致钢叉折断。在白垩分布的地区建造操场时，燧石也是一个问题，因为它会露出地面，使人受伤。

或许我们早已把石器时代的技术视为历史，但值得注意的是，即使在20世纪，我们仍然能在太平洋地区发现一些部落，他们可以完全依赖石器生活。

另一个类似的例子是板岩。泥层历经数亿年，不断被加热和压缩，形成了我们称为板岩的岩石。但是，最初的泥质逐层沉积，在同一平面上紧密结合，但层与层之间的结合较弱。因此板岩可以剥裂成薄片，用于制作屋顶瓦片和其他产品。套用希金斯（Higgins）教授的一句话来解释，那就是：“颗粒间的张力主要在一个平面上（The strain in a grain falls mainly in a plane）。”

从缺陷中诞生的技术：石器时代是否已离我们远去？

敲击燧石的原始人可能不知道石头为什么恰好能破裂，但这无关紧要，他们生产出了锋利的工具。即使在这个科技更加先进的社会中，我们也只获得了初步的发展。即使对待现代技术，从炼钢到摄影再到电子技术，我们也一直保持着务实的石器时代心态。在任何情况下，材料及其用途总是在人们尚未了解其科学原理的时候就已经被开发出来了。早在200年前，人类就已经开始利用晶体的夹杂物，如今它已不再是一种流行媒介，但在摄影技术发展之后，我们才能看到晶体夹杂物中相关缺陷的细节。务实的方法是有效的。借助更加详细的科学知识，我们可以更好地控制过程，并开发出性能卓越的工具。一项技术在最初往往会得益于自然缺陷，比如半导体，当其潜在市场日渐广阔时，受经济效益的刺激，相关研究会获得巨额投资，该技术的性能以及人们对它的了解也会迅速提升。

人们对材料的应用先于对它的认识，这听上去似乎令人意外，但人类是幸存者，所以如果某种东西有用，那么我们就会接受它，不用思考它的发生原理也能继续生存。许多人开车时根本不知道发动机如何运转。大多数人使用计算机和软件进行高度个性化的活动，但也不知道为什么有时它会给我们带来麻烦。唯一不同的是，在远古时代，人们会将每日发生的变化，如天气的变化和身体的健康，都视为神明的作用。特定的问题，或者好运，都会归因于当时流行的神明。而现在，至少对计算机来说，稀奇古怪的问题都被归咎于编写了糟糕软件的程序员或计算机黑客。

材料学与生物学之所以能取得进步，是因为人们认识到自己对某些特性的需求，并且能够分辨出缺陷给看似相同的材料所造成的差异。半导体电子、计算机技术或光纤高速通信等都是典型的例子，它们完全基于控制与正确理解半导体和玻璃材料的缺陷。从结果上来看，“缺陷”这个词用得不够恰当，但这就是我们使用语言的方式。

缺陷的利与弊

我曾说过，缺陷是我们在技术上的朋友。这当然不是一条放之四海而皆准的原则。材料中存在大量缺陷，只有少数的局部缺陷、裂缝、裂纹、包裹物等能够在理想的情况下为我们所用。在许多情况下，“有用的”与“有问题的”缺陷之间只有微小的界线。这种情况就像用火。小心使用，它可以给人带来温暖并用于烹饪，但稍不注意，它可能会把我们烧焦，把食物烧煳或将房子烧毁。

我希望通过本书的叙述，理解缺陷及其特性，可以帮助我们取得巨大的技术进步，但有一点需要注意，有些技术可能会破坏我们的生存。在《技术的阴暗面》（The Dark Side of Technology）一书中，我强调了一系列由技术造成的问题以及灾难场景。更重要的是，一些自然灾害或恐怖主义事件可能会破坏我们的电网，并摧毁远程通信系统。这会导致先进的社会彻底崩溃。此外，网络犯罪、刑事监控和新型武器等技术的应用，可能会造成极大的破坏。现代农业非常依赖技术，也会产生进一步的负面影响。这个话题令人不快，但它提醒我们要有意识地避免这些自发性问题。我们需要改变观点，全面审视人类行为，而不仅仅关注短期收益和利润。