給孩子的科學：從青銅到鐵，冷兵器的文明簡史

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圖片來自Pixabay

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人類的的文明史總是離不開戰爭史，這其中有隱藏著無數關於兵器與科學的故事。

在青銅武器流行的時代，赫梯人卻憑藉著一項先進的武器征服了美索不達米亞平原的很多國家。這就是鋼鐵武器。

那麼鐵究竟是怎麼來的？又是怎麼改變了人類世界的呢？讓我們從公元前3500年開始說起吧。

人類最早使用的金屬是銅，其後才使用鐵。但無論是銅還是鐵，人類最早使用的都是自然界存在的自然銅和隕鐵。最早的隕鐵製品，可以追朔到公元前3500年；而銅則可以追朔到公元前7000年。

雖然人類發現並使用銅比鐵更早，但銅的硬度在63-102HV（一種硬度計量單位，稱之為維氏硬度）之間，是比較軟的金屬，而隕鐵的硬度就要高很多，比如在格陵蘭島發現的一把隕鐵匕首，硬度就達到了227HV。鐵相比於較軟的銅，製造的工具和武器不易變形、也更結實耐磨，這在生產生活和軍事上都有著相當的優勢。但是隕鐵的來源是宇宙飛向地球的隕石，自然銅是偶然形成的高純度金屬，二者的產量都相當不穩定，因此無法廣泛使用。

天外來客——隕鐵

人類很快開始熔煉銅礦石制銅，並通過將其融化成液體澆到模子里（鑄造）或者用器具捶打（鍛打）來製造各種產品。目前發現的最早煉銅製品，是在伊朗發現的鑿子、錐子和刮刀，時代大約在公元前3800年。隨後，熔煉銅製造技術從歐亞大陸腹地向四周擴散。經過技術的積累和交流後，人類發現向銅里添加少量的錫，就能把硬度提升到100-300HV，有效彌補了純銅硬度不足的缺點。這種銅錫合金，就是開啟了一個新的文明階段的「青銅」。

從公元前2000年以後，青銅在世界範圍內廣泛的應用，迅速取代了純銅。但是，鍛打青銅費時費力，因此青銅製品有許多為鑄造品；但鑄造品由於沒有經過捶打，微觀結構不夠緊密，此外，鑄造過程中還會產生大量的氣孔，更加破壞了結構的完整性。因此，鑄造件主要是一些工藝品、祭祀用品和生活用品，並不適合於製造武器等有很高物理性能要求的產品。但即便是鍛造青銅，也不是盡善盡美。

雖然加入錫可以提高青銅硬度，但是這種硬度提升是以降低韌性為代價的，如同玻璃一樣，在劇烈碰撞中就很容易碎裂，這對於鎧甲武器是致命的缺陷。比如秦始皇兵馬俑坑發掘的287號秦劍，含錫量就超過了20%，硬度雖然達到290HV卻很脆，以至於秦俑館考古隊長劉占成認為，這把劍屬於陪葬的冥器，而非實戰兵器。

秦始皇兵馬俑一二號坑發掘的秦劍

青銅的這種弱點，給了早期鐵器發展的空間。早在公元前2000年，小亞細亞地區就出現了鐵匕首。不過此時的鐵器技術還很不成熟，直到公元前1200-1000年，人類才開始較大範圍的製造鐵質武器。拉開鐵器時代大幕的先驅者，就是從公元前17世紀到公元前8世紀稱霸小亞細亞地區的鐵血國家——赫梯古國。

在赫梯稱霸的年代，它周圍的國家還在使用青銅器，有些地區甚至連青銅都尚不普及。而赫梯的軍隊，則已經開始使用鐵來作為武器了。這自然在戰場上為赫梯帶來了極大的優勢，也是赫梯可以急速崛起的重要原因。

雖然赫梯古國嚴禁冶鐵技術外傳，但仍不可避免的擴散開來，公元前1000年左右，居住在巴勒斯坦的腓尼基人已經有了人造鐵器，至此，人類冶煉使用鋼鐵的星星之火便開始點燃整個人類文明的大草原，公元前900年，冶鐵傳到希臘；公元前800年傳入西班牙和義大利；公元前800年由北方雅利安移民傳入印度；公元前600年左右，中國出現冶鐵技術，公元前500年傳入不列顛和埃及；公元前400年-300年傳到了奈及利亞。至此，全世界主要文明區域進入鐵器時代。

已開始使用冶鐵製品的赫梯人

鐵器的冶煉和銅本質上沒有區別，都是使用木炭在爐內燃燒，通過氧化反應將礦石中的鐵還原出來，形成海綿狀固態，然後通過鍛打排除其中的渣滓得到熟鐵，這個方法稱之為塊煉法，是世界早期冶鐵通行的方法。但是鐵製品的性能卻與銅有著較大的差異，前文說過，含碳量決定了鐵的硬度和韌性，而有較好物理性能的鐵含碳量在0.02%～1%之間，即熟鐵到鋼的範圍，這段範圍內，鐵器的硬度在300HV以內，但是韌性卻比同硬度的青銅要好，對於武器盔甲來說，彎曲了還能重新修補，而斷掉了就毫無用處了，正如古希臘史家波利比烏斯記載的那樣，高盧人使用的鐵劍一旦彎曲，他們便用腳踩直了再用。

很快，鋼鐵就因為它巨大的潛力而趕超青銅，經過淬火（將燒紅的鋼鐵放入水中使其急速冷卻）的鋼鐵硬度會迅速飆升，不足100HV的熟鐵硬度可以達到接近200HV，硬度300HV的高碳鋼可以達到接近1000HV。這大大提高了刃部對硬度的需要，為了解決劍本身的韌性，只要將需要淬火的部分如刀劍的刃部露出，不需要淬火的部分如刀劍的脊部用泥土等物體覆蓋使其達到局部淬火的目的，就可以做出外堅內韌的優秀武器。除此之外，還可以使用含碳量較高的鋼包裹或者夾在含碳量較低的鋼鐵的外部，從而滿足不同部位的需要。這種技術稱之為包鋼和夾鋼，造於公元一世紀的羅馬短劍——提比略之劍正是使用了夾鋼技術。

著名的漢代環首刀和羅馬短劍

技術促進性能的飛躍使得武器優先使用上了鋼鐵，公元前4世紀馬其頓方陣使用的超長槍——薩利沙就使用了鋼鐵矛頭，在今天法國和義大利北部的凱爾特人則用上了鋼鐵長劍，公元前3世紀以來，著名的羅馬短劍就全部是鋼鐵製品，在公元前1世紀到公元1世紀的六把鋼短劍當中，有三把採用了淬火技術。而在中華大地上，從約公元前3世紀的燕下都出土了經過淬火的鋼劍和鋼鐵矛頭；到了漢代，滿城漢墓出土了低碳鋼製品的漢劍；扶風漢墓、中山靖王劉勝墓出土的漢代環首刀都是經過淬火的鋼劍。這些經過淬火的鋼劍，硬度都在500HV以上，不少達到了700多HV，最高的是劉勝佩劍達到了900HV，這些武器對比起青銅武器簡直可以說是削「銅」如泥，也難怪青銅很快便被鋼鐵在武器製作上取代。相對於武器來說，鋼鐵盔甲取代青銅較晚，但隨著時間推移也逐漸佔據主流，羅馬著名的環片甲就大多為鋼鐵製品，漢代出土的甲片也基本都是鋼鐵，隨著時間的推移，無論是鎖甲、鱗片甲、扎甲，乃至板甲，絕大多數製品都成為了鋼鐵，板甲甚至還使用了局部淬火的技術，使甲胄的水平達到一個冷兵器基本上很難撼動的高峰。

鋼鐵盔甲的巔峰——板甲

隨著西羅馬帝國的轟然倒塌，地中海世界進入了中世紀，早期冶金技術沒有什麼大的改變，但最遲至15世紀，歐洲地區就使用了水利設備進行鼓風並使用了更為先進的高爐來生產鑄鐵來滿足火炮的生產的需要（火炮不適合鍛造）；已經擁有鑄鐵技術的中國則開始將目光轉向鋼的直接生產，以往生產鋼都是將熟鐵放置在木炭中加熱從而使碳滲入其中，但這種方式效率較低，為了改進這種方式，我國在南北朝至北宋時發明了灌鋼法，即利用生鐵含碳量多，熟鐵含碳量少的特點，將生鐵纏繞在熟鐵上加熱，使生鐵融化進入熟鐵，從而使熟鐵含碳量提高，得到鋼的方法。這種方法可以使滲碳效率提高，同時由於高溫氧化反應，可以使鐵中的有害雜質減少，提高成品質量。但是這種方法缺點也很明顯，熔煉生鐵需要大量的燃料，進行灌鋼又需要大量的燃料，成本陡然增加。但這些技術毫無疑問的為後世提供了進步的階梯，直至與近代科學結合發展出近現代冶金工藝從而為第一次工業革命的發展提供基礎。

從人類最早利用鋼鐵製造冷兵器的時期，到開始更快更好的冶鍊鋼鐵製造鋼鐵器具的時候，鋼鐵便開始深入人類生活的方方面面。冷兵器的故事，體現的不僅僅是兵器本身，更對人類科技發展的一個縮影。

對於給孩子的科學，冷兵器也不啻為一個很好的切入點。熟悉刀槍棍棒的他們，如果能從這些冷兵器的故事對人類科技史有所了解，所謂窺一斑而知全豹，也是一種很好的學習方法。

【北大教授、考古學家韋正】

科學隊長請了北大教授、考古學家韋正詳解冷兵器5000年的科學真相，告訴你馬鐙的出現，讓騎兵成為稱霸戰場的王者；鋼鐵的出現，讓武器的性能得到了飛躍性的提升；弓箭的發明，讓遠程精確攻擊成為了可能……這些冷兵器是什麼時間出現的，都有哪些典故，背後有哪些科學原理？

製版編輯：李赫丨