1700544986
迷人的材料：10种改变世界的神奇物质和它们背后的科学故事 没有金属铜，就没有金字塔
1700544987
1700544988
大约从公元前5000年起，我们的老祖先便不断尝试错误，精进炼铜技术。铜制器具不仅促成了人类科技的突飞猛进，还催生了其他技术，以及城市和第一波人类文明的出现。埃及金字塔就是铜制器具大量应用的结果。建造金字塔用的岩石都是从矿场挖出来，再用铜凿子一块块削成固定大小。据估计，古埃及人挖掘了大约一万吨铜矿，制造出三十万把铜凿子。这是空前的成就。
1700544989
1700544990
少了金属工具，就算召集再多奴隶也盖不出金字塔。尤其铜凿子因为硬度不够，并不适合凿切岩石，拿来敲打石灰石很快就会变钝，这使得这项成就更显得了不起。专家估计，铜凿子每敲几下就得重新磨利才能继续使用。铜不适合做剃须刀也是同样的道理。
1700544991
1700544992
金也是硬度较低的金属，因此戒指很少用纯金制作，否则很快就会刮坏。但只要加入百分之几的其他金属（例如银或铜）来形成合金，就会改变金的颜色：银会让金变白，铜会让金变红，不仅如此，形成的合金还会比纯金硬，而且硬上许多。金属只要掺入少量其他物质就会改变性质，这是研究金属的乐趣所在。
1700544993
1700544994
以金银合金为例，你可能好奇银原子到哪里去了。答案是，银原子就嵌在金块的晶格里，占去一个金原子的位置。正是因为银原子的取而代之，金子才会变硬。
1700544995
1700544996
1700544997
1700544998
1700544999
金银合金的原子结构图，银原子取代了晶体内的部分金原子
1700545000
1700545001
合金通常比纯金属坚硬，原因很简单：外来原子的大小和化学性质，都跟原本的金属原子不同。因此嵌入后会扰动原本金属晶体的物理和电子结构，产生一个关键后果——让位错更难移动。位错更难移动，晶体形状就更难改变，金属也就更坚硬。因此，制造合金就成为防止位错移动的一门技艺。
1700545002
1700545003
在自然界中，其他晶体里也会发生原子取代。纯氧化铝晶体是透明的，但只要其中含有铁原子就会变成蓝色，也就成为俗称的蓝宝石。同理，纯氧化铝晶体包含了铬原子也会变色，成为红宝石。
1700545004
1700545005
从黄铜时代、青铜时代到铁器时代，在文明不断发展中，合金也越来越坚硬。黄铜很软，属于天然矿产，而且容易熔冶。青铜比黄铜坚硬许多，是铜的合金，含有少量的锡，偶尔还包括砷。因此，如果手上有黄铜又知道方法，只需要费一点功夫就能做出强度和硬度都比黄铜高十倍的武器和剃刀。唯一的麻烦是锡和砷非常稀有。青铜时代的人开发了许多精心找出的贸易路线，从康瓦尔和阿富汗等地运送锡矿到中东各文明的中心，就是为了这个目的。
1700545006
1700545007
1700545008
1700545009
1700545010
迷人的材料：10种改变世界的神奇物质和它们背后的科学故事 [:1700544628]
1700545011
迷人的材料：10种改变世界的神奇物质和它们背后的科学故事 钢是谜样物质
1700545012
1700545013
我告诉布莱恩，现代剃刀也是合金制成的，而且是一种非常特别的合金，我们的祖先花了几千年还是不了解它——它就是钢。钢是加了碳的铁，比青铜还硬，而且成分一点也不稀有。几乎每块岩石都含铁，而炭更是生火的燃料。我们的祖先不知道钢是合金，更不知道以木炭形式出现的碳，不只是加热和锻造铁的燃料，还能嵌入铁晶体里。炭在加热黄铜时不会产生这种现象，加热锡和青铜时也不会，只有对铁会如此。我们的祖先一定觉得这种现象非常神秘，我们也是在学会了量子力学后，才明白背后的道理。钢里的碳原子并未取代晶格内的铁原子，而是挤在铁原子之间，把晶体拉长。
1700545014
1700545015
还有一个麻烦：要是铁里掺了太多碳，例如比例达到百分之四而非百分之一，形成的钢就会极为易碎，根本无法用来制作工具和武器。这会是很大的麻烦，因为火里的含碳量通常不低，铁加热太久甚至液化后，晶体内就会掺入大量的碳，形成易碎的合金。高碳钢制成的刀剑在战斗中很容易折断。
1700545016
1700545017
一直到20世纪，人类在彻底掌握合金形成的原理后，才明白为什么有些炼钢法行得通，有些不行。过去的人只能靠着尝试错误，找出成功的炼钢法，然后代代相传，而且这些方法往往是行内机密。但这些不外传的方法实在太过复杂，因此就算遭到窃取，成功复制的概率也非常低。某些地区的冶金技术非常闻名，可以制造出高质量的钢，当地文明也因而发达。
1700545018
1700545019
1700545020
1700545021
1700545022
迷人的材料：10种改变世界的神奇物质和它们背后的科学故事 [:1700544629]
1700545023
迷人的材料：10种改变世界的神奇物质和它们背后的科学故事 钢铁是珍贵的军事力量
1700545024
1700545025
1961年，牛津大学的里士满（Ian Richmond）教授发现了一处古罗马坑洞，这坑洞大约是公元89年时挖掘的，里头埋了763，840根两英寸长的小钉子（1英寸约合2.54厘米）、85，128根中钉子、25，088根大钉子和1344根16英寸长的超大钉子。所有的钉子都由铁和钢制成的，而不是纯金，大多数人应该都对此蛮失望的，但里士满教授并不会，他一心追问：古罗马军团为什么要掩埋7吨的钢和铁？
1700545026
1700545027
古罗马军团当时在苏格兰一处名叫英赫图梯（Inchtuthil）的地方，驻扎在阿古利可拉将军建筑的前进碉堡里。英赫图梯位于古罗马帝国的边界，军团的任务是捍卫边疆，不让他们视为蛮夷的凯尔特人进犯。
1700545028
1700545029
这支军团在当地驻扎了6年才撤离，同时遗弃了碉堡。撤退前他们想方设法不留下任何有利于敌人的东西，因此销毁了所有粮食和饮水容器，还放火把碉堡夷为平地。但他们还不满意，因为碉堡灰烬中有铁钉残留，铁钉太过珍贵，不能让凯尔特人挖走。古罗马就是靠着铁和钢打造了灌溉渠道、船只与刀剑，从而建立了帝国。把铁钉留给敌人，等于奉送对方武器，因此他们在南撤之前挖了一个大坑，把铁钉都埋起来。除了武器和盔甲，他们可能还带走了一些小铁器，包括代表古罗马文明巅峰的“诺瓦齐力”（novacili），也就是剃刀。靠着诺瓦齐力和手握剃刀的理发师，这群古罗马军人得以仪容整齐、不带胡髭地班师回朝，不跟赶走他们的蛮族混为一谈。
1700545030
1700545031
炼钢有如谜团难以把握，许多传奇因之而起，而不列颠在古罗马军团撤退后的统一及复兴，更与其中一则永恒传奇脱不了关系，那就是亚瑟王的王者之剑。据传那把剑具有魔力，谁拥有它就能统治不列颠。由于当时的刀剑经常折断，让武士在战场上因手无寸铁而无法自卫，所以不难理解一把高品质的钢剑为何能成为文明战胜野蛮的象征。因此，炼钢过程当然高度仪式化，而这也解释了古人为何觉得钢铁具有魔力。
1700545032
1700545033
这情况在日本最为明显。铸造武士刀不仅需要数星期的时间，而且是一种虔诚的仪式。天丛云剑是日本名剑，武尊倭建命靠着它呼风唤雨，击败敌人。虽然故事中掺杂了许多幻想故事与仪式，但某些刀剑能比其他武器更硬、更利十倍，却不是神话而是事实。15世纪时，日本武士制作的钢刃已经独步全球，而且称霸世界五百多年，直到20世纪冶金科学大幅跃进才被超越。
1700545034
1700545035