歷史 物理

礦物學之父:阿格里科拉(下) 埋在地下的科學革命

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撰文者:高崇文
發文日期:2021-10-28
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  • 上一回阿文花了好多時間交代了礦物學之父,阿格里科拉的生平,卻還沒提到他之所以被稱為礦物學之父是因為他最著名的作品,《De re metala libri xii》(論礦冶)。這本書與科學革命的另一代表性鉅著,天球運行論,有一個類似之處。據說哥白尼是在臨終病床上拿到第一版的天球運行論。《論礦冶》則是在作者去世後一年,即 1556 年才出版問世。雖然它可能早在 1550 年完成,因為獻給薩克森選帝侯莫里斯和他的兄弟奧古斯都的日期是在那一年。延遲出版的原因倒不是什麼敏感的宗教因素,而只是技術上的困難,因為這本書附有大量的木刻版畫。這些木刻版畫提供了說明文本中描述的設備和過程的註釋圖表。
     
    De_re_metallica_title_page_1556


    木刻版畫原本是相當粗糙的一種技藝,在藝術巨匠阿爾布雷希特·杜勒(Albrecht Dürer,1471-1528)的手上,卻轉化成一門非常精巧新穎的藝術型式。他在二十多歲時製作高水準的木刻版畫就已經使他稱譽歐洲了。杜勒不只是畫家,也是在義大利遊學過兩次的飽學之士。他是北歐地區,第一位運用科學方法,運用對歐幾里德幾何學原理來處理視覺表現問題的人。他所著的《量度四書》的最後一卷書中,為了通過模型來介紹透視畫法,杜勒還討論了各種各樣的機械裝置,並作了木刻版畫插圖。客觀地複製人的感官經驗,正是科學革命與文藝復興氣息相通之處。


    根據法國史學家布勞岱爾在他的巨著「15至18世紀的物質文明、經濟和資本主義」中曾提到,十五世紀末開始,富商們爭相投資採礦業,導致了德意志地區與東歐礦業生產的飛躍生產,馬丁·路德的父親漢斯就是承租銅礦場和冶煉場的礦主。這是阿格里科拉撰寫這本巨著的時代背景。《論礦冶》之所以附有那麼多的木刻版畫正是因為阿格里科拉力求將從地下提取礦石和從礦石中提取金屬的整個過程都完整呈現出來。這是一本關於採礦和提煉冶金的百科全書。


    全書由前言和十二卷組成。他首先描述了古代和當代作家關於採礦和冶金的作品,主要的古代來源是羅馬帝國時期的老普林尼(Gaius Plinius Secundus,23-79)所著的《博物志》(Naturalis Historia,又譯《自然史》)。此外阿格里科拉描述了與他同時代的幾本書,主要是弗萊貝格的卡爾布斯的德語小冊子。並描述煉金術士的作品。當時最有名的煉金術士當屬帕拉塞爾蘇斯(Paracelsus,1493-1541)。帕拉塞爾蘇斯在巴塞爾行醫,同時將醫學跟鍊金術結合而首創化學藥理,奠定醫療化學的基礎。不過與務實的阿格里科拉不同的是,帕拉塞爾蘇斯是個沉迷於神秘玄思的奇特人物,帕拉塞爾斯認為人體做為小宇宙與大宇宙完全相互對應,所以他認為身體疾病除了毒因、自然因、精神因、神因以外還有種名為天體因的病因,並且主張天體會對人體健康造成影響,而人類恢復健康也意味著天界回復至調和的狀態。阿格里科拉則是完全與這種奇思異想絕緣。雖然阿格里科拉並不反對煉金術,他指出煉金術的著作通常是故弄玄虛而搞得晦澀難懂,而且他也很慧黠地指出他從沒有聽說任何一位煉金大師發財了。他描述了專搞詐欺,假扮煉金術士的江湖郎中的惡行。接著他闡述了他十二卷書的大綱。最後,他再次直接向他的德意志諸邦的貴族喊話,解釋該如何從這種技藝中獲得財富。宗教改革時期,每個德意志貴族夾在新舊教之間,財富與軍力成正比,阿格里科拉想來了然於胸。


    第一卷書開頭阿格里科拉敘述了一些過去反對採礦的主張和阿格里科拉的反駁論點。他解釋說,採礦和勘探不僅僅是靠運氣和蠻幹;而是要仰賴一些特定專業知識。一個礦工應該具備哲學、醫學、天文、測量、算術、建築、繪圖和法律方面的知識。這一卷書中他旁徵博引,引經據典,充分展示了阿格里科拉的廣博的古典知識。反對採礦的主張從有些哲學家們認定黃金和白銀本質上毫無價值,到採礦對其工人的危險及其對開採地區的破壞都有。阿格里科拉認為,沒有貴金屬,就不可能有其他經濟活動,商品就無法流通。至於礦工面臨的危險所以反對採礦的主張,他則反駁大多數礦工的死亡和受傷是由於粗心大意造成的,只要小心防護就可以防範,更何況其他職業也都各有風險。他還沒有認識到礦物毒性對人體的危害。還有人因為採礦需要砍伐森林而反對採礦,但是他認為適度地砍伐木材反而可以增加可耕種的土地。而且礦山往往位於山區和陰暗的山谷中,那裡的森林經濟價值本來就很小。森林消失所造成的損失可以用採礦得到的利潤來彌補。他甚至主張既然金屬已被上帝置於地下,人類就有權去提取和使用它們。最後,阿格里科拉主張採礦是一項光榮而且有利可圖的職業。


    第二卷描述了該雇用哪種人當礦工以及如何發現礦脈。阿格里科拉假設他的讀者是礦山所有者或投資礦山的業者。他建議礦主要住在礦區,並且要任命優秀的經理來經營。他還建議平均購買尚未開始生產的礦山以及現有礦山的股份來平衡風險。接著還推薦了礦工應該搜索的區域。通常是有可用作燃料的木材和充足的水源的山林地。開採地點最好有通航的河流可用於運輸燃料,否則只能開採黃金或寶石。礦場周遭道路必須良好,該地區也必須能保障工作人員健康無虞。阿格里科拉也描述了在溪流中尋找從礦脈中沖刷出來的金屬和寶石。他還建議尋找暴露出地表來的礦脈,並描述金屬對上覆植被的影響。他建議挖溝調查地表下的礦脈。然後他描述了當時盛行用分叉的樹枝進行探測礦產的方法,(Dowsing 翻譯成道金術,帶有神祕氣質,類似法術的儀式)。


    此占卜法興起於文藝復興時期的德國,早在1518年馬丁路德便將它列為「違反第一戒」(十誡第一誡:第一誡:除了耶和華以外,不可有別的上帝,路德認為道金術是與邪靈有關的法術而大加撻伐),儘管阿格里柯拉自己拒絕了這種方法。但是他還是在書中忠實地描述如何操作這項”技術”。這篇文章是道金術的第一個詳盡的書面描述。最後,他評論了命名礦脈的做法。


    第三卷介紹各種類型的礦脈。這卷包含了 30 幅插圖。拉格里科拉描述了一種確定礦脈方向的指南針,並提到一些作者聲稱位於某些方向的礦脈更豐富,而他提供了反例。他還提到了太陽通過礦脈將金屬吸引到表面的理論,他本人對此表示懷疑。最後解釋說,金子不是在溪流和河流的河床中產生的,東西向的溪流本質上並不比其他溪流更有生產力。黃金出現在溪流中,因為它從礦脈中受到水的衝力而剝落而掉到溪流中。我們可以發現阿格里科拉在面對他並不苟同的採礦作法的態度,就是力求客觀的記錄,但是不多加臆測,無怪乎後來的大文豪歌德將他比做是德意志的法蘭西斯·培根。 阿格里科拉在序言中曾自豪地說,我排除了所有我自己沒有看到或沒有讀過或聽說過的東西。那些東西我全都沒寫進來!


    第四卷描述了身為官員的 Bergmeister (Berg=山 Meister=負責人)該如何負責採礦。並介紹了採礦相關的法律,採礦相關的主要行業也都被列出。有一節介紹如何將礦山產權分成許多股份。並且 說明了其他各種官員在監管礦山和對生產徵稅方面的作用。他主張礦工班次應該要固定。
    Agricola1
     
    A watermill used for raising ore

    第五卷的內容涵蓋了地下採礦和探勘。當開採地下礦脈時,礦工們需要開始豎井,並在豎井上方放置一個帶捲揚機的木棚。底部挖的隧道順著礦脈,剛好夠一個人進出。隧道最終會與山坡上的隧道口相連。當出現縱樑和橫脈時,應分別使用橫隧道或豎井進行探索。阿格里科拉接下來描述了可以找到的天然金屬(native metal)有金、銀、銅和汞,其他則很少見。其他的礦石則是化合物,不過當時尚無化學元素的概念。阿格里科拉分類礦石的標準只能是靠形狀,色澤,以及硬度這些外觀的性質。

    阿格里科拉表示,除非礦石很豐富,否則很少有值得挖掘的其他金屬。金和銀的礦石有詳細的描述。寶石在一些礦山中被發現,但很少有自己的礦脈,磁石會在鐵礦中發現,金剛砂則是常在銀礦中發現。地面上有些礦物和或是土壤的顏色可用於指示金屬礦石的存在。實際的採礦作業因岩石的硬度而異,最軟的用鎬挖,需要用木頭支撐,最硬的通常用火打碎。鐵楔子、錘子和撬棍用於破碎其他岩石。他也描述了有毒氣體和水滲入坑道的問題,以及用木材襯砌隧道和豎井的方法。結尾則是關於探勘,他展示了確定礦脈和隧道路線所需的儀器和技術。


    第六卷含有許多與採礦相關的工具和機械的插圖。像是常用的手動工具和不同種類的水桶、手推車和在樹木繁茂的棧道上使用的卡車。馬匹和雪橇上的籃子可用於在地面上搬運貨物。阿格里科拉隨後提供了各種用於舉重的機器的詳細資料。其中一些是人力驅動的,一些由多達四匹馬或水車提供動力。沿隧道的水平驅動軸可以在不直接連接到地面的軸中用來提重。如果無法裝這種裝置時,可以在地下安裝用腳踩踏的踏輪 (Treadmills)。類似的機器加裝桶鏈來汲水,而不是提重。 阿格里科拉還描述了活塞力泵(piston force pumps)的幾種設計,它們可以是人力或動物動力,也可以是水車動力。由於這些泵只能將水提升約 24 英尺,因此最深的礦井需要成串的泵才行。本節還介紹了水管設計和用於通風的各式器材的設計。最後,用於讓礦工上下礦井的柳條籠梯子和升降機也都有描述。


    第七卷涉及採礦後的一些分析的技術。裡頭詳細介紹了各種礦冶用到的爐子的設計。然後描述了灰吹法、坩堝、精煉器和烙室爐。灰吹法主要利用銀鉛互熔,使銀溶於鉛中,通入空氣,使鉛氧化沉積,成為密陀僧(Lithargyrum),使銀鉛得以分離。(鉛熔點:327.46 °C,沸點:1749°C。銀熔點:961.78 °C,沸點:2162°C)


    接著詳細介紹了灰吹法中烤缽(Cupel)的正確製備方法,儘管魚刺也能發揮作用。最好的材料是從燒過的鹿角中獲得。灰燼必須磨成細而均勻的粉末,並與一些粘性物質混合以塑造杯形。模具由沒有底部的銅製成,因此可以取下杯子。用圓形杵在杯子中央形成一個淺凹陷。 烤缽尺寸取決於待檢測材料的數量。 這種相同的形狀一直襲用到現在。三角坩堝和精煉器由脂肪粘土加上磨碎的坩堝或磚塊調製而成。


    阿格里科拉詳細描述了應添加哪些物質作為助熔劑用來冶煉或化驗。助熔劑的選擇,要由礦石燃燒的顏色以及礦石所含金屬的種類來決定。準備好的礦石用紙包起來,放置在試金坩堝上,然後放置在爐子中覆蓋著燃燒木炭的烙室爐下。 烤缽應同時加熱。接著取下試金坩堝,將金屬轉移到烤缽中。或者在三角形坩堝中熔煉礦石,將鉛添加進去烤缽中與礦石混合,然後將烤缽放入熔爐中,鉛在烤缽中形成石渣,留下貴金屬如金與銀。最後再用硝酸的水來分離金和銀。阿格里柯拉描述了確保鉛含量正確的預防措施,描述了金與汞的混合,也描述了錫等賤金屬的分析技術以及它的合金。另外,他討論了如何使用試金石來分析金和銀。最後,寫下詳細的算術範例示範如何得出產率。


    第八卷中,阿格里科拉詳細介紹了不同礦石要如何選礦。他描述了礦石分選、焙燒和壓碎的過程。非常詳細地討論了如何使用水來清洗礦石,例如使用洗槽機和清洗台。還展示了用於壓碎和洗滌礦石的機械類型,並描述了針對不同金屬和不同地區的不同技術。


    第九卷的主題是冶煉。他首先解釋熔爐的設計。用於熔煉不同的金屬的熔爐結構其實都很類似,都是由磚或軟石構成,前面是磚,後面是由機械驅動的風箱。在前面是一個稱為前爐(fore-hearth)的坑,用來接收金屬。熔爐裝入選礦後的礦石和碎木炭一同點燃。在一些金銀冶煉中,由於礦石相對貧瘠,會產生大量的爐渣,必須在不同時間打開出鐵口 (tap hole),去除不同的爐渣材料。當熔爐準備好時,前爐(forehearth)充滿熔融的鉛,這些鉛會被分接進熔爐中。在其他爐子中,熔煉的過程仍然可以持續進行。如果礦石中沒有鉛,則將鉛直接放入爐中。爐渣在鎔解的礦石被分接時可以從頂部撇去。含金的鉛可以用灰吹法加以分離,含有貴金屬的爐渣再重新冶煉。其他冶煉工藝與此類似,但是不加鉛。阿格里科拉在本書中還描述了坩堝鋼的製造以及汞和鉍的蒸餾過程。


    第十卷阿格里科拉描述了如何使用酸將銀與金分離。 他還描述了礦石與硫化銻加熱,這會產生硫化銀和金銻的混合物。 然後可以通過灰吹法回收金和銀,也可以使用鹽或汞來分離黃金。此外他還介紹了使用灰吹爐進行的大規模的分離。


    第十一卷描述了從銅或鐵中分離銀。訣竅是在略高於鉛熔點的溫度下添加大量鉛來實現的。這個過程需要重複幾次。至於鉛和銀可以通過灰吹法來分離。

    最後一卷拉格里科拉描述了鹽、蘇打、硝基、明礬、硫酸、硝石、硫磺和瀝青的製程。 最後介紹玻璃製作。拉格里科拉似乎對這個過程不甚熟悉。 他不清楚如何用原材料製造玻璃,不過倒是蠻清楚如何將玻璃重熔來製造物體。製作玻璃是非常古老的技藝,大家參觀過歐洲的哥德式大教堂,都會為其美麗的彩繪玻璃而驚嘆不已吧,雖然這一章內容與其他章節關聯不大,但是阿格里科拉還是硬將它包含進來了。


    阿格里科拉還來不及看到畢生心血付梓卻於 1555 年 11 月 21 日去世,享年六十一。他的好友,新教詩人和古典主義者喬治·法布里修斯(Georg Fabricius 1516 –1571),在寫給新教神學家,也是路德死後路德宗的首領腓力·墨蘭頓(Philipp Melanchthon,1497-1560)的一封信中寫道:“他從孩提時代起就享有健康的身體,卻被四天的發燒給帶走了。” 阿格里科拉是一位狂熱的天主教徒,根據法布里修斯的說法,他“鄙視我們的教會”,“不會耐心地容忍任何人與他討論教會事務”。 這並沒有阻止法布里修斯在同一封信中稱阿格里科拉為“我們祖國的傑出裝飾品”,他的“宗教觀點……與理性兼容,這是真的,令人眼花繚亂”,儘管“不符合真理”。


    按照傳統的風俗,阿格里科拉作為前任市長,有權在當地的最主要的教堂安葬。 然而,他的宗教信仰居然使得他為這座城市提供的世俗特權和紀念性服務被抹煞了。  開姆尼茨的新教負責人泰特爾巴赫敦促奧古斯特親王下令拒絕在城內舉行他的葬禮。 命令發出後,泰特爾巴赫立即通知了他的家人朋友。 這是因為1553年莫里斯死後他的弟弟奧古斯特繼承選帝侯爵位,致力於推廣路德宗。不得已之下在他兒時的朋友 Naumburg 主教 Julius von Pflug 的主導下,四天後,阿格里科拉的棺木被抬到了 50 多公里(31 英里)外的 Zeitz,並被 von Pflug 埋葬在 Zeitz 大教堂。


    雖然阿格里科拉沒有得到應有的對待,他的作品倒是傳播開來了。他的朋友 Philippus Bechius 教授 (1521–1560) 將《論礦冶》翻譯成德語。 它於 1557 年以德文標題 Vom Bergkwerck XII Bücher 出版。胡佛夫婦將其描述為“一部對科學一無所知的人的差勁譯作”,但它與拉丁文原版一樣,重印了好幾版。 1563 年,拉格里科拉 的出版商 Froben 和 Bischoff(“Hieronimo Frobenio et Nicolao Episcopio”)在巴塞爾出版了 Florio 的義大利語譯本。另人訝異的是,這本書也曾被翻譯成漢文,天主教傳教士湯若望與楊之華、黃宏憲等一起合作翻譯,書名取作『坤輿格致』。湯若望把此書呈給朝廷後,崇禎皇帝於崇禎十六年(1643年)十二月,在戶部尚書倪元璐《請停開採疏》上批示:「發下『坤輿格致』全書,著地方官相酌地形,便宜採取,據實奏報」。不過次年三月十八日,崇禎自縊於萬歲山,明朝滅亡,致使此書來不及刊行與普及,後在的滿清統治下這書就散失。近年有學者才在南京圖書館找到《坤輿格致》一冊抄本。也許後世對崇禎皇帝評價不高,但是他在崇禎十六年決定頒布西方傳教士主導的新曆法,還採用西方的採礦法,不禁令人好奇,若是明朝不亡於此時,東亞歷史不知會有什麼樣的改變呢。


    令人驚訝的是《論礦冶》的第一個英文譯本翻譯卻是1912年才出現。譯者是是採礦工程師赫伯特·胡佛(後來成為美國總統!)和他的妻子,地質學家和拉丁學家盧·亨利·胡佛。 譯文不僅語言清晰,而且腳註廣泛,詳細介紹了採礦和金屬的經典參考資料,例如老普林尼的《自然史》、英國、法國的採礦法史和德國各州; 礦山安全法令等等以及拉格里科拉 撰寫《論礦冶》時已知的礦物。隨後其他語言的譯本在很大程度上都受益於胡佛的翻譯,因為他們的腳註詳細說明了拉格里科拉所發明數百個拉丁術語用來表達古典拉丁語沒有的中世紀德語採礦和銑削術語。胡佛曾稱讚阿格里科拉,“第一個認定必須仰賴研究和觀察,而不只是藉徒勞無功的猜想玄思才能建立自然科學的人。”至為公允。

    阿格里科拉無疑是一位頗能反映他的時代特質的學者。他的人生充滿了對文藝復興理想的憧憬,也飽受宗教改革帶來的紛爭之苦,甚至無法得到一個應得的葬禮。但是他與歐洲人在美洲的冒險事業有什麼關聯呢?其實影響當代人命運的重要人物,神聖羅馬帝國皇帝查理五世的權勢,正來自哈布斯堡家族統治下西班牙所擁有的美洲底下龐大的物產。特別是1545年在秘魯的波托西(在今天的玻利維亞)找到了蘊藏量豐富的銀礦。當時是世界儲量第一的銀礦,這讓哈布斯堡王朝的影響力透過白銀達到全球。阿格里科拉過世後兩年,墨西哥首先開發汞齊化法首先用提煉銀,1563年在秘魯的萬卡維利卡發現水銀礦藏,1571年-1700年,水銀產量達6830萬磅。由此美洲貴金屬的產量得到突飛猛進,16世紀中葉後的若干年內,每年由美洲流入歐洲的白銀有50萬磅,黃金1萬。西班牙國王憑藉波托西銀礦得以在歐洲大陸實行反宗教改革運動。科學革命發生的背景錯綜複雜,交織出現代歐洲的風貌,有機會阿文再慢慢向各位看官詳述了。

    參考資料:
    (一)中文 英文 德文維基相關條目
    (二)A History of Science Technology and Philosophy in the 16 and 17th Centuries
       By Abraham Wolf
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    延伸閱讀

    礦物學之父:阿格里科拉(上) 從文藝復興到宗教改革
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