Friday, 22 January 2016

Blue Origin successfully reuses suborbital rocket booster

Blue Origin CEO Jeff Bezos overseeing test launch of New Shepard suborbital rocket

Blue Origin, the privately held and secretive aerospace company just announced on its website that it has tested the New Shepard vehicle to the altitude in excess of 100km, the internationally recognized boundary of space, before returning it to a landing pad. According to the press release, it is another success, making Blue Origin the first organization to have flown the same VTVL(vertical takeoff and landing) vehicle twice into space.


SpaceX vs Blue Origin



Blue Origin is one among many "new space" companies founded by Silicon Valley tycoons developing technologies that hold the promise of revolutionizing access to space through reusing the rocket instead of disposing it after each launch. Its main competitor is SpaceX, which is also developing VTVL technologies used on Falcon 9 first stage booster. The comparison between SpaceX and Blue Origin has always been troublesome since they are flying different type of rockets: SpaceX is testing VTVL on the first stage of an orbital vehicle, while Blue Origin is testing it on a suborbital vehicle lacking a second stage. SpaceX has successfully recovered a Falcon 9 first stage in December, 2015 and successfully test fired its 9 Merlin 1D+ engines but has yet to demonstrate the airworthiness of the recovered stage. However, SpaceX's fly-back booster is considered technically more difficult because of its complex trajectory, higher reentry speed and greater cross range(see illustration above). Also, Blue Origin is not the first company to reuse the same rocket flying twice to 100km+ suborbital space since scaled composite Space Ship One is the first to achieve this goal using air-launched horizontal landing.

Orbital Vehicle development on-track


BE-4 subscale test firing

Apart from cerebrating the success, Bezos also revealed the larger vehicle which goes to orbit has been under development for 3 years, and the larger engine BE-4, a reusable stage combustion cycle methane/LOx rocket engine generating 5 times the thrust of BE-3 currently used on New Shepard, is on-track for complete engine test fire this year. BE-4 is scheduled to power Blue Origin's indigenously developed orbital launch vehicle as well as ULA's next generation Vulcan rocket. Development of BE-4 has been going on in secrecy for 3 years when it was announced in 2014. Once completed and certified for flight, it is expected to be a game changer which enables larger payload to be launched into space and ends US reliance on Russian engines. Methane engine is also expected to be useful for manned mission to Mars since methane can be produced In-situ, significantly reducing fuel weight required for return trip. SpaceX is also developing its own Methane engine called Raptor, but its status of development remains shrouded in secrecy. It is believed that BE-4 will be qualified for flight before SpaceX rolls out its own comparable engine for its mammoth BFR rocket used to launch people to Mars. If development goes on smoothly, Blue Origin might be able to compete with SpaceX directly by offering economical launch service to satellite operators.

Saturday, 9 January 2016

羅馬時代水力切割石材設施:技術發展與興衰(2)

古典時代的尾聲
The late-antiquity

風雨飄搖的世代

西元四世紀開始,關於水動力石材切割技術的描述出現在帝國西部的文字記載中。這包括四世紀詩人馬格努斯·奧索尼烏斯(310-395)作品中在德國西北部的大規模水力鋸石工場,尼撒的貴格利(335-395)的In Ecclesiasten(370年代以後)中亦有提及人們"以鐵和水切割大理石"。自四世紀結束以後,水動力鋸石機械的考古證據突然中斷,而更多後期證據的再次出現則要等到六世紀的東部帝國。在歐洲史中,漫長的五世紀(400-499年)是一段混亂的時代。四世紀末,羅馬帝國已於395年永久分裂成東西兩半,而五世紀伊始之際,羅馬亦早已不再是不可一世的洲際大帝國,西部帝國首都甚至由米蘭遷至拉溫納(402年)。持續不斷的政局混亂和嚴重的內戰已令國家實力大幅削弱,帝國境內的"蠻族"移民乘機起事。410年,對羅馬當局的剝削忍無可忍的哥德人亞拉裡克一世乘內部守軍空虛之際攻破永恆之城大肆劫掠,455年羅馬再被洗劫。五世紀中期,匈人侵襲早已搖搖欲墜的羅馬,為西羅馬的滅亡埋下伏筆。內憂外患,此四個字亦不足以形容五世紀的混亂。五世紀的後半段,西部帝國國勢有如自由落體,迅速萎縮的國土成了往昔榮耀的殘影。476年,最後一名西羅馬皇帝羅穆盧斯。奧古斯都被廢黜,西羅馬帝國正式滅亡(拉溫納的中央政府停止存在,君士坦丁堡的中央政府則繼續存在),奠定了西歐持續至今的分裂格局。西歐陷入逆城市化的時代,古典時代動輒數十萬人口的龐大城市遭到廢棄,永恆之城羅馬成了一個大農村,城市生活和文化消失,文盲上升,知識的承傳瓦解。除了西哥德人治下的西班牙地區,古典時代的知識和書本只零碎地保留在修道院內。運用水動力的工藝和技術很可能隨戰火,混亂和經濟崩潰絕跡於西羅馬帝國。

這是最好的時代.這是最壞的時代

正值混亂的世代,帝國希臘語的東部和拉丁語的西部卻走上了截然不同的道路,西部帝國土崩瓦解,然而經濟始終較強的東部帝國卻存活下來,直到一千年後的1453年才告徹底滅亡,因此亦有千年帝國之譽。跟五世紀相比,六世紀的情況有點複雜,六世紀東羅馬經歷大上大落,查士丁尼曾經企圖征服西方以恢復羅馬帝國的版圖,但他的嘗試以失敗告終。查士丁尼治下亦曾經經歷君士坦丁堡的反對高稅的尼卡暴動,平息後查士丁尼大灑金錢重修宏偉的聖蘇菲亞大教堂。然而連年征戰和後期災難性的查士丁尼大瘟疫令戶口大減,兵源萎縮,稅收減少,國庫空虛。而另外兩個關於自動化水力石材處理的考古發現皆出現在這個大背景之下。

建於六世紀的聖蘇菲亞大教堂,其落成的迅速,抗震的技術,宏偉的氣勢至今仍令人讚歎

以弗所概述

以弗所是羅馬帝國和東羅馬帝國在愛琴海東岸的重要海港商業城市,位於土耳其度假城市古爾達斯東北約18公里。值得一提的是,以弗所城位於發現三世紀石棺群的希拉波利斯正東方,兩城距離只有180公里(騎馬一天內可達)。它早在希臘統治時代已開始發展,因商貿致富,古典時代七大奇跡的亞底米神廟(Temple of Artemis)就位於以弗所。前3世紀時建的利西馬科斯城牆就至少有9公里長,牆內面積400萬平方米(4平方公里),全盛時期估計有逾20萬人口,城內居民由四條水道橋供應乾淨淡水,此城屬於地區性的都會中心。拜占庭時代以弗所的規模已大幅萎縮,拜占庭重修的城牆面積大約只有希臘化時代的1/5-1/4,人口估計約只有數萬人。城市南邊依山而建,山勢提供了水的落差,是建造水動力工廠的絕佳地點。

以弗所的地標: 塞爾蘇斯圖書館(Library of Celsus),目前的以弗所古城是土耳其最重要的旅遊景點之一,也是土耳其著名的「貓城」
以弗所的地圖,外城牆建於西元前3世紀羅馬人統治前,可見拜占庭城牆的內部面積遠比希臘化時代小

發現地點

以弗所古城發現的水動力石料切割是少數發現遺址的同類工廠之一。遺址本來是羅馬時代城內權貴的豪宅,考古學家稱之為山坡屋2號,總面積約43,000平方呎,設有大量精美的馬賽克地版,壁畫,中庭,自來水入屋和中央恒溫系統。1969至1985年間,奧地利考古研究所(Österreichisches Archäologisches Institut,ÖAI)對二號屋進行發掘,意外發現了數塊追溯至拜占庭時代未完成切割的大理石。

以弗所的山邊豪華住宅群,為保護遺跡,現時由鋼結構穹頂覆蓋
二號屋的平面圖

石頭在說話

水車所在地點的格局則是兩塊待處理的石材夾著一條中間排水用的溝渠,按此推斷,提供動力的水車應該位於兩塊有待處理的石材中間。據推算,考慮到室內空間和供水口的位置,能容納的水車直徑約2.8米,能同時處理兩塊並行排列的大理石。考古學家最感興趣的是兩塊石上的切割痕,通過分析這些切割痕考古學家就能推斷機器是如何運作的。這兩塊石向內那面的刀痕顯示兩塊大理石的裡則被一致的由上而下切開,這些刀痕必定來自上一輪已經完成的切割工序(見下圖綠色箭嘴)。完成一輪後兩塊大理石材被移至新的位置,並重覆新一輪的切割工序。然而這新且的工序顯然並沒有完成,考古學家發現每塊大理石上有兩條平行且同深度的新切口(桃紅色箭嘴),這兩條新切口只有一隻手掌(約10cm)深,由此推斷每組機械石鋸上應該是雙列刀片設計,證據指出水車驅動的石鋸共有兩組,每組兩塊刀片,同時間切割兩塊大石料(每輪工序完成時皆產生四塊石板)。當工序因不明原因中止後,石料則被棄置於原地。

鋸石工場原址
石料(右) 黑白邊緣銳化
石料(左) 黑白邊緣銳化

新的設計

這六世紀的東羅馬自動化石材切割機是研究古典時代末期科技史的重要考古發現,將之與三世紀的棉花堡設計相比。新設計的優點非常明顯。首先,棉花堡設計佔用大量空間,適合於戶外作業。然而以弗所的水車置中,石材並排式設計則節省空間,能輕易安裝在室內的工廠,亦可全天候運作。每組石鋸雙刀片設計是重要的創新,只要水車能提供足夠功率,即可使效率增加一倍。對於未完成切割痕的分析顯示石鋸應該設有固定框和滑動軌以將刀片維持在正確的位置。overshoot式水車亦能為機器提供最大的功率,而古羅馬人將滾珠軸承應用在水車的軸上,也改善了能量轉換的效率。這種設計的自動化鋸石機械基本上是全自動的,只有在添加耗材(磨蝕劑),加水冷卻和每輪工序完成時將石料移動到新位置才需要人手。比起三世紀的初步發展,考古證據顯示即使在四和五世紀的混亂中,石材切割自動化的技術得到進一步的完善,精確性,安裝的方便性和效率均有進一步的提高。

考古復完圖,每組鋸上的雙刀片設計清晰可見

小結

以弗所機械化鋸石工場是首個出土的水力石材切割工廠的考古原址,也是最早能百分百肯定是被自動化機械而非人手切割的石料實物,具有重大的考古價值。對石料上切痕的分析和現場的佈局對於重構本來的機械設計彌足珍貴。雖然此設施無法準確測年,然而我猜測自動化技術的發展或許受到了查士丁尼年間大興土木所製造的需求衝擊,以及毀滅性的大瘟疫造成的人口減少和工資飛漲所刺激。雖然沒有確實證據證明,一切只流於猜測,但從經濟學的原理而言存在這種可能性(同樣的勞動人口稀缺,工資飛漲的現象亦發生在十四十五世紀黑死病蹂躪過後的西歐,並且是誘發文藝復興的其中一導火線。後者年代的工資有更多文獻記錄支援,但考慮到查士丁尼瘟疫的殺傷力不亞於黑死病,同樣的高工資現象亦理應出現在六世紀的東羅馬帝國)。東羅馬的存活協助保存了古典時代的技術成果,亦對新設計的產生提供了基礎。

參考資料
Grewe K.(2007, 2010) Bautechnik im antiken und vorantiken kleinasien: Die Reliefdarstellung einer antiken Steinsägemaschine aus Hierapolis in Phrygien und ihre Bedeutung für die Technikgeschichte/Structural engineering in Antiquity and pre-antiquity Asiaminor (German), retrieved from: http://www.klaus-grewe.de/pdf/grewe.pdf and
Marcellinus A.(2001)Water Mills at Amida.

在阿拉伯沙漠邊緣的登峰造極
Development at the edge of Arabian desert

傑拉什概述

傑拉什古城位於今約旦境內,距約旦首都安曼北面48公里,是在中東地區其中一個保存最完好的羅馬古城。傑拉什建城於公元前四世紀,有史料指出希臘化的傑拉什起初由亞歷山大大帝所修。公元前68年,該城被吸收入羅馬的敘利亞行省中。該城城牆內面積約80公頃,比意大利名城龐貝(66公頃)稍大,全盛時期人口約20,000到25,000人,屬於中小型的城市。該城於749年被強烈地震毀滅而廢棄。遺址由1930年代開始被發掘,至今已為考古學界帶來不少的重大發現。此次介紹的石材切割設施亦為其中一最重要的發現。

約旦傑拉什的地標:橢圓形的廣場別具特色
傑拉什平面圖,至少半個古城目前仍然埋在現代的城鎮地下

發現地點

此次發現自動化石鋸的地點位於傑拉什的亞底米神廟(Temple of Artemis),這裡的考古發掘自1930年代已經開始,但石材切割工場則要到2000年代才被法國近東研究院(Institut français du Proche-Orient)發掘並發表。放置水車的室內空間呈長方形,長8.65米、寬6.65米,其中一面牆上有明顯的凹坑,凹坑連接地下的排水溝,考古學家相信水車和供水口皆位於牆上的凹坑內,同時被發現的有用來安放水車車軸的承托石塊亦被保留下來。在長方形的房間裡發現了兩節橫臥圓形石柱鼓,兩者直徑皆為1米,而長度分別為1.51米和1.67米。室內空間的測量揭示這兩根石柱顯然並非建築物的一部分。這兩根橫臥的石柱上的縱向切割痕皆清晰可見,這地方曾存在過石材切割工場的證據顯得非常強烈。考古學家相信,此設施建立的目的旨在回收處理更早期建築的圓形立柱並將之轉換成石板,以達廢物利用之效。石材切割加工設施的年代必定在五世紀後(五世紀前這裡是神廟),亦必定在公元749年此城遭地震摧毀前,估計工場在查士丁尼年間(527-565年)有運作。

傑拉什的亞底米神廟(Temple of Artemis),始建於公元150年,東羅馬期間被改為石料工場
安裝水車的室內空間,中央的供水口和排水溝清晰可見
其中一根被切割過的圓柱
被切割過的石料特寫,三組每組四條同深度完全一致的鋸口清晰可見,顯示機器每組鐵鋸共有四片刀片同時工作

至臻完善的技術

傑拉什水車石鋸的設計和佈局和跟以弗所出土的非常相似,同樣是位於中央的overshoot式水車帶動左右兩組平行的石鋸進行切割工序,而且跟以弗所鋸石工場追溯至相近甚至是相同的年代。此發現更引人入勝之處,乃在它包含了所有先前發展過的技術結晶,並且將效率發揮到極致,這也是它之所以重要的原因。它結合了並行式設計、室內安裝、overshoot式水車、傳動曲軸、滑動軌、多刀片設計。這些都是已有的發明,但它獨特之處是將已有設計推至巔峰。提供動力的overshoot式水車寬50厘米,直徑有4-4.5米,直徑是以弗所鋸石場水車的的1.6倍,比前者能提供更大的功率和動力。以圓石柱上的鋸痕分析,平行的鋸痕數量雖然共有12條,但它們呈現出以4條相同深度的為一組的特點,3組深度不一,但每組內深度一致的事實指出石鋸每組共有4片刀片。以兩組同時工作計算,每輪工序皆可產生至少8片石板,比起以弗所設計的4片足足翻了一倍。更多的並行刀片也解釋了水車更大的直徑,因為更多的刀片需要更大的動力驅動。傑拉什的水動力鋸石設計,比起三世紀石棺上的設計,可以同時處理的石板翻了四倍。羅馬自動化鋸石的發展則在這阿拉伯沙漠邊緣,約旦河東岸之地發展至極限。

傑拉什水車復完圖

水動力的局限性

從上述例子可見,通過運用水的動能和勢能,此設計已將能榨出的效率推至極限,然而以水作動力源本身有極大的局限性,水車能提供的能量密度並不太高。以水流流速2m/s,經過水車後減至1m/s,水道闊和高分別為50cm,落差4.5m計算(每秒500公升水流),理論上能最大可利用能量只有動能750J/s*和勢能22,500J/s**,即總計23.25kW(若計算90%損耗則為2.3kW可用功率,真實能被水車利用的功率則在個位數字)。雖然最早的18世紀中期蒸汽機的功率也只在18-30kW,然而水車只能通過加大輪徑、寬度和水流流速獲得更大的功率,而增加三個變數皆非常困難,尤其是大輪徑水車並不適合overshot設計,而undershot設計功率遠低於前者,參考20米直徑的敘利亞哈馬超大水車。而蒸汽機的進步空間很大。相比之下,每秒燃燒0.1公斤的煤已能提供理論最大2,400kW的能量輸出,為傑拉什水車的百餘倍以上。進一步的發展需要質的躍進,在缺乏比水力更強大的動力源的情況下,傑拉什水車已屆同類技術及將水動力機械發揮至實用的極限。

考古重建

雖然羅馬存在水動力石材切割技術的考古證據已經非常充分,但為進一步得到更多有用的技術數據,分析機械的效率、工作方式和比較人手和機械的優劣,現代工匠有按考古報告進行復完。2006年德國羅馬—日耳曼中央博物館的Fritz Mangartz以以弗所水力切割機作藍本進行復完,在充足的動力下,單塊刀片能於1小時內在2.8米長的大理石上切割6.75mm(6.75mm/hr),即產生190平方厘米的石板。當然,切割進度會因動力源的功率大小和石材的硬度而有所差異,例如柔軟的砂岩比起較硬的石材需要更短時間完成切割工序,但總括而言,比起純粹用人力進行切割,使用單刀片機器已能將效率提高12倍。在動力充足的情況下採用多刀片設計將能進一步提高並行處理的效率。此外法國圖爾大學的Jacques Seigne亦對同類技術進行復完並成功對樣本石材進行功割,Jacques Seigne的還原顯示若單以刀片框加上重物以將刀片壓向下方,這設計可能會阻礙添加磨蝕劑,他認為真正的石材切割機械可能有滑輪配重裝置,以便於在必要時升起鐵鋸並在切口添加幼沙。部分流經水車的淡水亦有可能被分流至石材之處用來潤滑及冷卻刀片。總括而言,近年的復完基本上是成功的,並且驗證了同類水動力自動化機器的可行性和超過人手切割的效率。於2006年,聯合國教科文組織伙同法國近東研究院(Institut Français du Proche-Orient )和約旦王國文物部於傑拉什原址重建了水車石材切割設施的全尺寸可運作模型,重建工作在2009年完成並開放予遊客參觀。
工作中的復完石鋸
2009年起安裝在原址的復完石鋸

*釋放動能=.5*500kg/s*2m/s^2 - .5*500kg*1m/s^2 = 1000J/s - 250J/s = 750J/s
**釋放勢能=500kg/s*10m/s/s*4.5m = 22,500J/s,可見增加水車功率勢能比動能更重要,這正是overshot設計的優點

參考資料
Mangartz F. (2010) Die byzantinische Steinsäge von Ephesos. Baubefund, Rekonstruktion, Architekturteile
Monographien des Römisch-Germanischen Zentralmuseums, vol. 86, Darmstadt, Römisch-Germanisches Zentralmuseum
Grewe K.(2007, 2010) Bautechnik im antiken und vorantiken kleinasien: Die Reliefdarstellung einer antiken Steinsägemaschine aus Hierapolis in Phrygien und ihre Bedeutung für die Technikgeschichte/Structural engineering in Antiquity and pre-antiquity Asiaminor (German), retrieved from: http://www.klaus-grewe.de/pdf/grewe.pdf and http://www.traianvs.net/pdfs/2010_15_grewe.pdf

接力賽/後記
Relay of mechanization technology/Summary

鷸蚌相爭,漁翁得利

就目前的考古發現而言,六世紀以弗所和傑拉什的水動力鋸石工場是同類技術的登峰造極,但亦是同類技術的最後輝煌。這兩個遺址之後,水動力鋸石技術的考古證據似乎憑空消失在歷史長河中。與大起大落的六世紀相比,接下來的七世紀又是一個從高峰急降墜落的過程,而逐漸希臘化的東羅馬帝國亦幾乎被推至滅國的邊緣。首先,由於查士丁尼瘟疫的蹂躪,東羅馬帝國人口損失慘重,軍隊實力被大幅削弱,七世紀初面對宿敵薩珊波斯的攻勢節節敗退,並損失了大量土地。兩國漫長拉鋸戰的於公元627年達到高潮,東羅馬帝國在名將希拉克略的帶領下在尼尼微戰役中決定性地擊敗了薩珊波斯的軍隊,兵圍對方首都泰西封,終逼使薩珊波斯嘔出所有曾征服的土地。漫長的戰爭和瘟疫耗盡了東羅馬和薩珊波斯的國力,而兩國皆不知道,另一股從阿拉伯沙漠的勢力將以破竹之勢席捲整個地中海地區。在亞述古都尼尼微大敗於東羅馬軍隊之手後不足十六年,薩珊波斯還沒有時間恢復元氣就被如潮浪洶湧而至的阿拉伯大軍徹底消滅。而東羅馬的情況亦不見得比它的宿敵好。東羅馬剛剛從和平條約失而復得的土地,又再一次遭阿拉伯大軍吞噬,當中損失的包括帝國的糧倉埃及和學者之鄉敘利亞。674年,羽翼已豐的阿拉伯帝國認為拿下君士坦丁堡的時機已經成熟,於是派海軍企圖封鎖君士坦丁堡的糧食海運,並派大軍乘機進攻。677年,東羅馬帝國海軍終於出動了它的秘密武器,在博斯普魯斯海峽和達達尼爾海峽中間的內海馬摩拉海向阿拉伯海軍投放了希臘火。阿拉伯海軍在安裝有噴火器的東羅馬輕型軍艦前全軍覆沒,死傷18,000人。718年另一次動用了1800軍艦的總攻亦同樣收場,阿拉伯人的攻勢亦暫告一段落。

七至八世紀的東羅馬面對近乎不斷的戰爭,國庫耗空,雖然守城戰非常成功,保住了君士坦丁之城,但國力亦降至低點,大型的公共建設幾乎已完全停止,石材需求疲乏。在缺乏需求之下,自動化的石料切割和大量生產失去了其作用而被棄用,而戰爭亦使學術研究遭到摧殘和忽視。但羅馬帝國經歷幾百年發展和完善的水動力工藝就此消失在歷史中嗎?真實的情況並不是這麼簡單。早在四世紀,文獻已記載利用水車動力的工藝傳至波斯甚至印度。當阿拉伯帝國成立後,它亦經由東羅馬和歐洲西端被征服的伊比利亞半島地區獲得了大量希臘羅馬的文獻手稿和人材。東羅馬/拜占庭跟阿拉伯人的敵對並沒有阻斷兩地學者的交流,數學、天文、醫學、自然哲學、機械、文學、哲學等希羅的古典學術經由東羅馬/拜占庭傳到阿拉伯人的手上。希臘化的東羅馬,後世稱之為拜占庭帝國,就如此成為了西學東漸的一條重要橋樑(另一條是西哥德人的伊比利亞半島,同樣被阿拉伯人征服)。

帝國恩仇記之高懸的新月

阿拉伯帝國的領導者面對新近傳入的知識和科技表現出開明的態度,七至八世紀開始,阿拉伯的學者亦如飢似渴的吸收著希羅文明的精華。八世紀起,阿拉伯帝國境內出現圖書館。九世紀初,巴格達智慧宮的成立標誌著學術的發展得到國策支持。智慧宮的建立最初是為了翻譯古希臘和古羅馬流傳下來的古書和文件,在國力的強盛和相對開放開明的宗教和民族政策下,阿拉伯學者可以跟基督徒學者、猶太人學者、庫爾德人學者、波斯學者共同進行研究,巴格達成為了中東地區的教研中心。同樣百花齊放的情形亦出現在阿拉伯治下的西班牙,哥多華成為數十萬人口的大城市,學者雲集之地。而相比之下,除去君士坦丁堡外,歐洲其他地方的城市最大只有兩三萬人,並且大部分人皆是文盲。在這種情況下,阿拉伯世界承傳了希羅的知識體系,並將之發揚光大。水動力和水車的技術、曲柄、活塞、各式機械技術在阿拉伯世界普及,水動力的應用亦相當普遍。伊斯蘭黃金時代建基於希臘羅馬文明成就的基礎上,在這之前的1000年前,羅馬吸收了希臘人的技術,後來東羅馬人利用君士坦丁堡的高牆保護了羅馬的知識,後來阿拉伯人從國力漸衰弱的東羅馬人獲得到這些古典知識,就如接力賽一樣搶救了前人智慧的結晶。因此學術承傳並沒有真正斷裂,只是在不同的文化體系中得到承傳。

歐洲的覺醒和崛起

在阿拉伯世紀蒸蒸日上的同時,被所謂「蠻族」佔據的歐洲卻在沉沉昏睡。歐洲第一次嘗試重新引入學術是在加洛林王朝時代(8-9世紀),史稱加洛林文藝復興。後來來自北歐的維京人大肆劫掠蹂躪西歐,亦令修道院中的零碎保存的知識再受毀滅性打擊。西歐真正驚覺自己落後要待到十字軍東征的時代。十字軍東征是西歐和伊斯蘭世界重要的接觸事件,阿拉伯人和拜占庭人先進的科技知識大大震撼了西歐遠征軍。遠征軍的補給需求亦在某程度上使地中海的海上貿易得以恢復。11-13世紀,古典時代的知識和阿拉伯科技再度傳入中世紀末期的西歐,並得到某些具學識和遠見的教宗如西爾維斯特二世(公元946-1003)等推崇。據文獻記錄,1086年僅英格蘭已有5,624座水車。同時期,西歐的建築、藝術、經濟和技術得到長足發展,水動力亦再次得到廣泛應用。13世紀,基督教勢力的西歐對伊比利亞半島上殘餘的伊斯蘭教勢力步步進逼,並逐步完成對整個半島的征服,阿拉伯的科技知識亦由此流入西歐;1204年,威尼斯十字軍對君士坦丁堡的掠奪亦令更多古典時代的知識傳回西歐。水動力在西歐再次被應用在磨坊、石材處理、礦石壓碎、冶煉等工業上,通過大型水車驅動風鼓的自動化煉鐵煉鋼的高爐亦在最遲1226年在北意大利投入使用。15世紀,已風燭殘年的千年帝國拜占庭搖搖欲墜,大批操希臘語的學者流亡西歐,不少獲各北意大利的城邦所招攬。加上早前傳入的阿拉伯知識,學術和先進的自動化工藝再次在西歐的土地上興盛。文藝復興在十五世紀末十六世紀初由達文西(1452-1519)、米高安哲羅(1475-1564)等巨匠,伴隨1492年哥倫布的地理大發現達至巔峰,也奠定了西歐文明在世界文明延續至今的統治地位。

後記

羅馬帝國的水動力機械化是目前考古證據最早的早期工業化,而利用水力切割石材的技術發展亦顯示出對經濟誘因的反應。利用水車動力源提供的有限能量局限了羅馬時代早期工業化和機械化的發展。至於為何羅馬沒有進一步使用二世紀發明的早期蒸汽機取代水動力,這到目前仍是一個學術界爭議不休的議題。其中一個可能的解釋是需求和供應的錯配。羅馬帝國產煤的是不列顛地區和萊茵河谷地區,而技術人才雲集、自動化石材處理工業發達的是地中海東岸。有煤的地方成品供求市場不發達,而安納托利亞、約旦、埃及等地則沒有煤礦,它們跟煤產地相差幾千公里,註定蒸汽動力會因沒法獲得充足而便宜的燃料供應而胎死腹中、淪為娛樂皇室貴族的玩具。無論真相如何,羅馬帝國史上曾興起的水動力石材處理技術,和這種機械技術知識在羅馬帝國衰亡後經東羅馬/拜占庭—阿拉伯帝國—再輾轉回到西歐的接力賽,仍是古典時代科技史上引人入勝的一節。

——完——

羅馬時代水力切割石材設施:技術發展與興衰(1)

疊石為城的帝國*

導言

眾所周知,羅馬帝國對於石料消耗的龐大數量是讓人難以想像的,以砌石交通要道為例,假設一塊石板長60cm闊30cm,鋪滿一條10m闊,長50公里的路段就至少要用10萬塊石板。以大英百科全書列出普遍估計帝國境內共有8萬公里砌石公路計算,共需砌石16億片,即使假設分開400年時間修建,平均每年亦需鋪砌400萬片。相比之下,幾乎動員埃及全部國力興建的吉薩胡夫金字塔總共有石塊230萬塊,歷時20年建成,年均砌石11萬塊。當中並未計算因天氣和使用磨損所需要的維修。羅馬帝國的建造業非常蓬勃,興建和維修數以百計城市的大量公共建築所需的切割石料就更多,將整個建造業計算在內,高峰時期每年需求千萬片甚至億片的數量級亦屬合理估計。一直以來,歷史學家相信這是單純依賴大量奴隸勞動力完成的,但近幾十年來越來越多考古證據指出,羅馬帝國時代石料處理和切割工業的技術含量比想像中要高。20世紀考古學研究揭示,三~四世紀起,在帝國的歐洲和亞洲區相隔幾千公里的不同城市分別出土了水動力的自動化石材切割設施,這些機械化和自動化有可能是在一個帝國停止擴張,奴隸來源漸見枯竭的帝國晚期一個經濟上合理的反應。在勞動成本上升,而成品需求旺盛的情況下發展出勞動替代技術,這在商業決定和經濟上是完全合乎常理的。

這篇簡介文章的目的是簡單介紹目前所發現過幾個考古學家發現過以及古代作家描寫過的機械化石材切割設施遺址,它們分別位於約旦,土耳其和歐洲。古代作家亦曾在作品中描述在德國特里爾發出噪音的水力鋸石工場。這篇簡介將簡單分析水力鋸石的技術發展,推測這種發展的成因以及羅馬帝國衰亡後的技術承傳。


約旦傑拉什overshoot水車+並聯刀片切割 複完品 和 切割過的石材實物
土耳其棉花堡匠人石棺上刻的機械化石材切割機械浮雕
敘利亞沙漠中間一個鴻篇巨制的遺址,帕米爾拉、阿帕米爾、貝魯特、杰拉什這種數萬至逾十萬人口的中等大小城市遍佈帝國領土,毫無疑問的石材消耗大戶。單單帕米爾拉殘存至今的巨型石柱足足有1000根之多。

*此節標題取材自《舊唐書.列傳第一百四十八.西戎》中對拂菻國(疑似東羅馬帝國)的描述:「其都城疊石為之,尤絕高峻,凡有十萬餘戶,南臨大海。城東面有大門,其高二十餘丈,自上及下,飾以黃金,光輝燦爛,連曜數里。」

水車技術在地中海文明圈的出現和水動力的早期應用
The appearance of waterwheel in the Mediterranean world and early application of water-powered mechanization

水車起源

歷史學家普遍相信羅馬的水車技術源於前1-3世紀希臘化的地中海東部地區,然後由實用主義的羅馬人發展至巔峰。共和晚期帝國早期,羅馬境內水車應用於磨坊的考古實物漸見增加,水車的類型也漸見創新和多樣化,而帝國時期大功率的overshoot式水車(能同時利用水的勢能和動能 vs undershoot/橫臥式水車只能利用水的動能)亦投入使用。羅馬水車機械化最戲劇性的發現要數南法Barbegal水道橋及磨坊,該設施使用2組8座串聯的overshoot式水車(共16座)驅動自動化的麵粉磨坊,總功率達到30千瓦(kW),估計每日可生產4,500公斤麵粉供應附近城市1-3萬人之需。另一個值得提及的創新是在北非突尼西亞Chemtou地區發現的渦輪磨坊,該渦輪磨坊採用了漸窄式水道以切線進入一個圓形帶有傾斜葉片的渦輪中,驅動渦輪旋轉並帶動石磨。雖然在1-2世紀水力磨坊已經得到一定程度上的應用,然而傳統上歷史學家相信羅馬人將水車應用在其他規模工業,包括石料切割上則要等到羅馬帝國開始漫長衰落的3-4世紀才出現,這個觀點目前正遭到挑戰,亦有學者提出水動力應用的廣泛化最早可能在1世紀已經出現。

南法Barbegal磨坊遺址,目前考古學界出土過「古代已知規模最龐大的機械動力集中應用」,「古代最大規模的工業資本投資實例」遺址

Barbegal考古複完,每邊8個串聯水車,左右兩組,每組連接儲存有水流動能及勢能的高架水道
北非突尼斯的並聯式渦輪磨坊引水坑道遺址,收窄的水道增加流速,以此增加功率
渦輪磨坑考古複完

參考資料

Greene K.(2010) Technological Innovation and Economic Progress in the Ancient World: M.I.Finley Re-Considered.The Economic History Review 53:1
Wilson A.(2002) Machines, Power and the Ancient Economy.The Journal of Roman Studies vol.29 pp.1-32.

奴隸,經濟誘因,以及自動化技術的發展的經濟學
Slavery, economic incentives, and the economics of automation in the classical world

當談到自動化和勞動替代技術的發展,不可不提的自然是羅馬的奴隸制度。歷史學家Kenneth Pomeranz在其著作《大分流》中指出,十八世紀時期來自全球市場的供給衝擊(supply shock)和需求衝擊(demand shock),以及英國的勞動力瓶頸是驅使英格蘭率先進入工業革命的重要原因之一。由此可見,勞動力的貴賤和供需的狀況對勞動節約技術發展的影響可謂舉足輕重。在西元三世紀前,羅馬文明圈已具備製造原始蒸汽動力系統的所有相關技術(包括在羅馬治下不列顛尼亞區和萊茵河區對煤的使用),然而環地中海古典文明體系中始終沒有發展出類似近現代源起於西北歐的工業文明,當中歷史學界其中一個不斷被重覆的解釋是羅馬帝國的奴隸制度。因羅馬帝國境內充斥著大量廉價的奴隸,這抑制了發展和採納自動化勞動節約技術的經濟誘因。由此可見,無論以甚麼角度分析,古典時代機械力的發展趨勢,包括水力自動化機械的應用,都必須在同時代的勞動力市場(包括奴隸市場)的大背景下進行分析。

羅馬的奴隸經濟在歷史學界是個非常複雜且具爭議性的題材,此帖主要目的在分析古羅馬石材處理技術的水動力應用和機械化發展,所以一切關於奴隸和勞動力對於的討論以從簡為主。

奴隸來源

羅馬奴隸的主要來源有戰爭俘虜的外國人,經由跨國人販子進口的外國奴隸,還有奴隸所生的後代。除此之外,棄嬰亦是另一個帝國內部的奴隸來源。四種來源的奴隸之中,以戰爭俘虜的成本最為低廉,最為便宜,原因是戰爭中俘獲的成年人毋須額外成本即可投入市場發售。早期羅馬急速擴張,由一城邦規模擴展至橫跨三洲的大帝國,對外戰爭的勝利帶來大量敵虜充當奴隸。據記錄,公元前167年第三次馬其頓戰爭時伊庇魯斯同盟(阿爾巴尼亞,希臘西北)中15萬人被賣為奴隸;在凱撒所書《高盧戰記》中,在征服高盧(法國)的戰爭中羅馬軍隊共俘虜100萬人作奴隸(此數字很可能誇大,現代估計15萬左右),鎮壓猶太叛亂戰爭中在耶路撒冷俘獲的9萬7千人淪為奴隸。大量湧入的敵俘令供應大增,並壓低市場上奴隸的價格。儘管如此,到了奧古斯都(西元前後)年間,記錄顯示有一普通男奴隸以500第納爾售出,另一龐貝出土的買賣合約(西元79年左右)則為625第納爾,相較之下,在以色列馬沙達要塞下第十兵團發現的工資單據顯示騎兵Gaius Messius(全軍同軍階者統一薪酬)年薪為225第納爾(一年支付三次,扣減軍糧和制服價錢),由此可見,到了帝國時代,即使普通無特殊技能的羅馬奴隸售價絕不便宜,以工資和售價的比例推斷,一世紀羅馬人購買奴隸近於一個現代家庭購買一輛中檔房車的價錢。斯巴達克斯起義後,羅馬政府採取了高壓懷柔的雙重政策,在釘死六千參與起義的奴隸後,一系列志在安撫奴隸的立法在公元一世紀完成。二世紀初的賢帝安東尼.庇護甚至立法限制對奴隸的暴虐行為。與之同時,帝國境內水車動力磨坊的考古證據開始湧現。羅馬帝國於圖拉真年間(117年)達至極盛,這是羅馬最後一次大規模通過戰爭帶回大量奴隸; 其後國策轉攻為守,哈德良放棄美索不達米亞,修築長城,皆宣示著羅馬大舉擴張的終結,廉價奴隸的時代亦隨之告一段落。

以色列馬沙達要塞下方發現的羅馬騎兵工資收據,來自貝魯特Fabia部族的Gaius Messius,Gaius的兒子,第十軍團,工資225第納爾,一年支薪三次

隨著2世紀伊始之際帝國邊境穩定下來,羅馬人開始轉向從內部獲得奴隸來源,於是奴隸主開始鼓吹奴隸結婚生BB,奴隸繁衍生息所得的後代在填補供應空虛漸見舉足輕重。然而無論是生養的奴隸還是拾來的遺孤,這些來源的奴隸成本都遠比近乎無本生利且即抓即用的戰俘高昂。首先,古代醫療條件下懷孕的風險不低,而女的價格比男(奴隸)貴十數倍以上(跟當時工薪階級工資對比,相當於現代近百萬美元),若母親因難產而死,奴隸主將損失慘重。BB順利出生的話,奴隸主則往往要出錢養育十幾年才有工作能力。而且在任何工業革命前的古代社會,即使營養最好的貴族階層幼兒夭折率皆在一半以上,若奴隸主為省錢不給予充足的食物,這只會增加夭折比率,從投資的角度實在兩面為難。這使投資豢養奴隸的投資回本期長,高成本且高風險。羅馬帝國亦從別國人販手中買來奴隸補充市場,然而考慮到人販本身必定會儘量開高價以賺取最大利潤,這種來源的奴隸亦不見得能及戰俘便宜。隨著奴隸來源的轉變和低價時代一去不返,節節上升的奴隸價格卻使得聘用工薪自由民和投資使用機械動力這兩個選擇更見吸引。

奴隸主為夭折的小奴隸立的紀念碑。雕像上的銘文: 親愛的馬休爾,一個奴隸的兒子,活在世上兩年十個月零八日。依髮型推斷立於圖拉真年間(98-117年)。現存於美國巴爾的摩Walters藝術博物館。在古羅馬(所有古代社會包括東西方亦然),大多數的孩子無法活到成年是個殘酷的現實。
1-3世紀羅馬治下的埃及行省進行人口普查得出的家庭擁有奴隸數量分佈,在羅馬埃及只有約15%的家庭經濟上能負擔購買奴隸(85%的家庭沒有購買奴隸),當中絕大多數有添置奴隸的(中產)家庭只有1-2個奴隸,能買得起奴隸的家庭多集中在大城市。能夠經營有數百奴隸的大莊園的人無疑只是極少數的超級富豪。
西元117年,羅馬帝國疆域在圖拉真年間達至極盛

購買奴隸vs聘用自由民取決於商業決定和利益計算

對於羅馬石料處理工廠的老闆,他的投資決定有兩個選擇: 購買奴隸,聘用工人。購買奴隸是種典型的資本開銷,存在隱性成本,包括日常維護(提供食物,預備住宿,聘人監工)和折舊成本(年齡增長,逼長時間做苦工折舊越快)。石材切割屬於重覆性但高體力勞動的苦工,奴隸折舊迅速,在2-3世紀後高奴價的時代更見不划算。被強逼從事勞動的奴隸缺乏工作動機(經濟學上稱之為incentive),另需投放成本監視其勞動,在工作效率上遠遠不及以工薪聘用的匠人。依經濟學原理推斷,工廠老闆會減少購買奴隸,增加聘用工人以最大化利潤。然而與此同時,工資趨勢亦為技術的創新產生巨大的經濟誘因。三世紀後半,羅馬經歷內亂實力大減,對外戰爭亦相對失敗,便宜的戰俘奴隸來源枯竭,在這時候匠人Marcus Aurelius Ammianos石棺上首次粉墨登場的水車石鋸被發明並非偶然。隨著水動力應用漸見成熟,羅馬的工匠開始試驗水車新用途,其中一個即發展出只需少量工人即可操作的自動鋸石機械。將水車以傳動杆連接至來回移動的金屬鋸這種節約勞動力技術發明使購買奴隸和聘用工人之間多了第三個選擇:添置機器。由於只需少量奴隸/工匠確保刀片位置正確和添加磨蝕劑(沙)就能操作多台機器,更增加了投資機械的吸引。自三世紀後半開始,這種機械由安納托利亞擴張至近乎從歐洲西北部到阿拉伯沙漠邊境的帝國全境,在這奴隸短缺價值水漲船高的大背景下,顯得更容易令人理解。

奴隸供應的進一步枯竭,拜占庭名存實亡的奴隸經濟

羅馬分裂之後,受希臘正教教義影響的東羅馬-拜占庭帝國引入了一套羅馬帝國望塵莫及的社會褔利制度,更多的棄嬰和孤兒被孤兒院和教會收養,這將進一步削減國內棄嬰奴隸的來源。加上對外戰爭失利接連損失土地,其中一個影響便是導致東羅馬的封建化,並由古典時代的城市-洲際貿易經濟倒退回中世紀式的農村化和自給農業的抬頭。然而東羅馬帝國衍生成的希臘化帝國畢竟保存了大量古典時代的科技知識,建築技術和機械技術亦在某程度上得以傳承發展。在這情況下,效率更高的並行式水力切石機更得到進一步發展。現代還原的並排式單刀片水力切石機展示出比單純用人力(奴隸)高12倍效率,除此之外,效率更高的並行式多刀片(multi-blade)亦投入使用。以一座overshoot水車帶動兩組,每組各帶4片刀片的鋸石機為例,可同時處理的石板切割量比三世紀Marcus Aurelius Ammianos的單刀片型號大幅增加八倍,而水動力石材處理技術亦在這時候(東羅馬-拜占庭)發展至最巔峰。

君士坦丁堡的醫院復完圖:圖中凹字型的建築,拜占庭帝國建立褔利主義社會的前身

小結

毫無疑問,近代工業革命只曾在歐亞大陸西陲叫英格蘭的島上單地起源,逐步擴展至世界,這種翻天覆地的改變在人類歷史上只發生一次(西元18世紀中葉至今),其成就和影響的深遠並沒有任何古代文明的發展能夠企及。雖然歷史學家對羅馬帝國的自動化機械發展有多廣泛應用,對羅馬經濟有多大影響存有諸多保留和爭議,然而越來越多的考古發現卻揭示著近二千年前古羅馬人曾經持續數個世紀早期工業化(proto-industrialization),勞動替代(labor substitution)和機械化(mechanization)的嘗試和改進史。類似的經濟推動力亦在伊斯蘭黃金時代的阿拉伯帝國,中國的宋朝和文藝復興的西歐推動過曇花一現的勞動替代技術發展。這將使我們認識到塑造近代經濟的力量,勞動力價格,勞動替代技術和自動化的拉鋸,其原理從古到今也大同小異,而這些發展最終都沒有演變成全面工業化的事實,亦令其失敗的原因亦很值得我們深思。

參考資料
Pindyck Robert S. et. al. (2006) Microeconomics.
Pomeranz K. (2000) The Great Divergence.
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Miller, Timothy S.(1997) The Birth of the Hospital in the Byzantine Empire
Miller, Timothy S.(2003) The Orphans of Byzantium: Child Welfare in the Christian Empire

水力鋸石的先驅:棉花堡石棺的發現
The earliest evidence: discovery of Pamukkale sarcophagus

雖然羅馬時代水動力磨坊的歷史可追溯至共和國晚期帝國早期的時代,然而最早確實無疑將水車用於石材切割的考古證據追溯至三世紀晚期。故事就由希臘羅馬時代的溫泉療養勝地希拉波利斯,即現代土耳其的旅遊勝地棉花堡說起。

希拉波利斯概述

希拉波利斯遺址坐落於土耳其西部愛琴海岸以東180公里,源起於山上的溫泉水流經山坡,沉積成層層像梯田似的亮白鈣華,棉花堡(土耳其語Pamukkale)因此得名。長2.7公里高160米的勝景上面是一座建於古典時代的長形城市希拉波利斯(Hierapolis)。希拉波利斯自19世紀末開始由歐洲考古學家進行挖掘。希拉波利斯始建於希臘化帝國塞琉古統治時代,在前二世紀起這城市成為水療度假勝地,全盛時期人口估計有5-10萬。後來隨羅馬人對安納托利亞的征服落入羅馬帝國手中,成為羅馬富翁們旅遊和退休的理想地點。羅馬治下的希拉波利斯有著使用水車磨坊的傳統,根據文字記錄,早在西元二世紀或以前,此城已存在水車工匠的專屬公會。西元329/331年,君土坦丁大帝御准此城提升至自治地位的聖旨中引述此城"近郊的水道之處建有一連串延綿的水車磨坊"。城市全盛時期沒有城牆,拜占庭時期所建約城牆(約100公頃面積)的西北面設有大型公墓,而Marcus Aurelius Ammianos的石棺正是在大墓地被發現。

羅馬時代的希拉波利斯複完圖: 有錢人的度假勝地
希拉波利斯地圖,左上方公墓
建在雪白梯田上的墓塚: 風涼水冷,景色一流

西洋魯班的自負

Marcus Aurelius Ammianos是三世紀下半葉居於希拉波利斯的一名石匠,除了名字以外,歷史學家對他的生平幾乎一無所知,但是他石棺蓋上的浮雕卻意外令這樣一個尋常的羅馬老百姓名留青史。石棺蓋上的浮雕中間是一幅機械結構的圖紙,其上下方則有希臘語的墓誌銘文。

風化的石棺蓋
拓碑
墓誌銘原文及英譯


銘文翻譯成中文是

"M.Aur.Ammianos(石匠的名字),希拉波利斯的公民,在輪子工藝上心靈手巧堪比代達羅斯(古希臘神話中名匠,修米諾斯迷宮,伊卡洛斯之父),用代達羅斯之巧手神技造出(下述機械),現在我將留在這裡(安葬於石棺裡)。"
看來這位Marcus Aurelius Ammianos肯定對他的創造感到極大的滿足和自豪,甚至在墓誌銘自比先賢,要把他的心血結晶刻於棺蓋上與他永遠相伴,亦以之永遠向後世人炫耀(如果這真是他的目的,那麼這目標已經超額完成,因為幾乎每個到棉花堡的千萬旅客都會去膽仰這位能手巧匠的石棺)。然而,這個他所引以自豪的東西又是何方神聖? 接下來就跟大家介紹機械圖紙。

設計

棺蓋上的圖樣毫無疑問是一座由單台水車帶動兩台單刀片的自動化切割機。圖片右方的大輪子是一座為整個系統提供動力的水車。水車(紅色,見下圖)由右方的水管(藍色)供水讓其轉動,動力則經機械結構(粗啡)傳至中央的齒輪箱(綠色)。浮雕清楚顯示中央的齒輪箱和兩根傳動曲柄(幼啡),當上方的齒輪轉動,帶動下方齒輪向反方向轉動,兩根分別位於下方齒輪正反兩面的曲柄(幼啡)拉動兩個石鋸(紫色)往相反方向移動。齒輪箱的作用有可能是為了調節效率,小齒輪帶大齒輪能減少對水車的動力需求但將降低效率,相反則能增加效率但必須有充足的動力,通過改變兩個齒輪的直徑比例將能滿足不同需求。由此可見,齒輪的轉動將為兩片石鋸產生重覆性的來回動作,這將讓兩塊石料(黃橙色)由上而下鋸開兩半。浮雕上比較耐人尋味的要數將水車連接到齒輪箱的傳動軸,該傳動軸連接水車圓心和齒輪箱上方的齒輪,但擺放的位置似乎不合現實。若要水車旋轉帶動齒輪旋轉,那麼兩個圓心應該重疊才對,即水車應該位於上方的齒輪後面。但是考慮到平面的雕刻無法有效描繪這種立體的擺放位置,將兩者分開出來以維持圖畫簡潔易明並非無法瞭解的做法。至目前為止這希拉波利斯棺蓋浮雕仍然是將旋轉動能轉化成線性運動的裝置(曲軸)的最早記錄,亦將此類裝置的發明時間推前了約1000年。

原圖
邊緣著色銳化

缺點

Marcus Aurelius Ammianos的設計美妙之處在於利用自然界存在的能量,將之捕獲,並以此作工,將重覆性,需大量體力勞動的工作交由機械去辦。以機械力取代人類肌肉的力量,同樣的理念至今仍推動著先進自動化工業技術的進步。然而他的設計並非毫無缺點,首先,水車採用Breastshoot設計,能源利用效率不及overshoot設計,水流從一半高度進入水車葉片,因此勢能利用效率只及後者一半。單刀片設計效率亦比較低,即使使用了一水車帶兩石鋸的設計,每次只能進切割兩個鋸口,產出四片石片。此外,若嚴格按照圖紙建造,石鋸缺乏引導鋸片滑動的木框和軌道,鋸石期間容易走歪,為免石料因而意外作廢,操作時需要有人全程監視。他的設計亦佔用不少空間,不適合室內工廠安裝。這些缺點皆說明石棺上的設計屬於此科技發展的早期階段。

考古復完圖

技術的傳播

至今,歷史學家目前並沒有在希拉波利斯遺址附近找到石棺蓋上的石材切割機的遺跡,1700年前的水車能被完整保存亦幾乎不可能。到底棉花堡工匠Marcus Aurelius Ammianos是否原發明者,至今仍然成謎。但清晰顯示機械結構細節的浮雕存在至少證明了一個事實,就是水力切石設施的原理和建造方法至少在三世紀的安納托利亞西部已為人所知。鑒於希拉波利斯存在大批同行業者,甚至存在有組織的公會,而Ammianos顯然並沒有因顧忌他人仿效而把他的秘密帶入墳墓,甚至將其心血結晶"昭告天下"般大肆宣揚,以此看來,最遲在Ammianos入土為安之時,水車能切割石頭已經通行皆知,而技術的傳播亦應在常理之內。利用水車動力來切割石材的技術在羅馬帝國內傳播的速度難以估計,但以帝國境內四通八達的陸上和海上交通網絡推測,這種技術流向其他城市,其他行省只是時間問題。若另一名四世紀文學家馬格努斯·奧索尼烏斯(Decimius Magnus Ausonius)在古詩《MOSELLE》的準確描寫他所見所聞,那麼水動力石材切割技術在數十年內的四世紀已經傳到幾乎是帝國最西北部的邊疆,今日的德國西北和比利時一帶的烏沃河,並被大規模使用。

羅馬帝國的海陸交通網: 四通八達,加速技術傳播

"基爾河畔尖聲刺耳的大理石鋸"

以下節錄馬格努斯·奧索尼烏斯的作品拉丁原文
節自 古詩MOSELLE 362-364
te rapidus Celbis,te marmore clarus Erubrisfestinant famulis quam primum adlambere lymphis : nobilibus Celbis celebratuspiscibus,ille praecipiti torquens cerealia saxa rotatu stridentesque trahensper levia marmora serras audit perpetuos ripa ex utraque tumultus。
英譯
"Thee swift Celbis (現代的基爾河,源於西德境內艾菲爾山,流向比利時,長142公里),thee Erubris (現代的烏沃河,萊茵河-摩澤爾河的支流,長46公里),famed for marble,hasten full eagerly to approach with their attendant waters : renownedis Celbis for glorious fish,and that other,as he turns his mill-stones infurious revolutions and drives the shrieking saws through smooth blocks of marble,hears from either bank a ceaseless din。"

關於這段詩句有段有趣的故事,話說歷史學者很長一段時間都拒絕相信當中的描述是正確的,因為長久以來在羅馬時代出現這種規模的水動力應用和機械化被認為是不可能的天方夜譚。更有學者質疑,後世抄寫時改動原作,並引這段"不可能的"描述中出現的石材切割設施為支持的證據。然而隨著更多考古證據出土,目前學術界主流已漸漸接受這段描述的真確性。

參考資料
Grewe K.(2007, 2010) Bautechnik im antiken und vorantiken kleinasien: Die Reliefdarstellung einer antiken Steinsägemaschine aus Hierapolis in Phrygien und ihre Bedeutung für die Technikgeschichte/Structural engineering in Antiquity and pre-antiquity Asiaminor (German), retrieved from: http://www.klaus-grewe.de/pdf/grewe.pdf and http://www.traianvs.net/pdfs/2010_15_grewe.pdf
Marcellinus A.(2001) Water Mills at Amida. Retrieved from: http://users.ox.ac.uk/~corp0057/water-mills%20at%20amida.pdf