تصاویر؛ ۲۰۰۰ سال پیش، روم باستان این تکنولوژی‌ها را داشت: موتور بخار و درهای اتوماتیک!

ما روم باستان را با لژیونرها، جاده‌های سنگ‌فرش و کولوسئوم می‌شناسیم، اما این تنها نیمی از داستان است. در پس آن نمای نظامی قدرتمند، مهندسانی حضور داشتند که با فیزیک و مکانیک، دست به اقداماتی «علمی‌تخیلی» می‌زدند؛ فناوری‌هایی که جهان برای درک مجدد آن‌ها، می‌بایست بیش از هزار سال منتظر می‌ماند.

مرکز این نبوغ، شهر اسکندریه و مردی به نام «هیرو» بود که می‌توان او را «تونی استارک» قرن اول میلادی نامید. هیرو دستگاه‌هایی می‌ساخت که گویی جادویی بودند. به عنوان مثال، درهای سنگین معبد که با روشن شدن آتش محراب، به‌طور خودکار و بدون دخالت دست باز می‌شدند! او حتی اولین موتور بخار تاریخ را نیز ساخت؛ اما از آنجا که در آن زمان نیروی کار بردگان ارزان و فراوان بود، این اختراع بزرگ تنها به‌عنوان یک «اسباب‌بازی جالب» باقی ماند و انقلاب صنعتی ۱۷۰۰ سال به تعویق افتاد.

علاوه‌بر این، رومی‌ها بتنی ساخته بودند که خود را ترمیم می‌کرد!‌ آن‌ها همچنین ساعت‌های آبی پیچیده‌ای داشتند که مانند یک کامپیوتر آنالوگ، خود را با فصول سال تنظیم می‌کردند و حتی دستگاه فروش خودکار نیز اختراع کرده بودند.

این‌ها تنها چند نمونه از فناوری‌های گمشده‌ی رومیان بودند. تصور می‌کنید اگر تنها یکی از این اختراعات، مانند همان موتور بخار، جدی گرفته می‌شد، امروز دنیای ما دقیقاً چه شکلی بود؟

در قرن اول میلادی درحالی‌که روم بر مدیترانه حکمرانی می‌کرد، شهر اسکندریه در مصر که اکنون بخشی از امپراتوری بود، همچنان مرکز و قطب فکری جهان محسوب می‌شد. این شهر با کتابخانه‌ی افسانه‌ای خود دانش یونانی، مصری و رومی در گرد هم می‌آورد. در این کانون علمی، مردی یونانی‌الاصل به نام هیرو اهل اسکندریه (Hero of Alexandria) زندگی و تدریس می‌کرد.

هیرو مخترع، ریاضیدان و مهندس بود و برخلاف بسیاری از فلاسفه‌ی پیش از خود که به تئوری محض می‌پرداختند، به «کاربرد» علم اهمیت بیشتری می‌داد. او می‌خواست ببیند فیزیک چگونه می‌تواند کار کند. هیرو کتاب‌های راهنمای متعددی نوشت، از جمله «پنوماتیکا» (درباره‌ی فشار هوا و بخار) و «مکانیکا»، که در آن‌ها طرح‌های دقیقی از ده‌ها دستگاه شگفت‌انگیز را ثبت کرد.

این صحنه را در ذهنتان تصور کنید: یک کشیش رومی به ورودی معبد بزرگ نزدیک می‌شود. در مقابلش، دو درِ برنزی عظیم و سنگین قرار دارد که معمولاً برای باز شدن به نیروی چندین مرد قوی نیاز دارند. کشیش به محراب کوچکی که در کنار درها قرار دارد نزدیک می‌شود و آتشی برمی‌افروزد.

چند لحظه می‌گذرد. سپس با صدایی که گویی نفس خدایان است، درهای سنگین، به‌آرامی و بدون دخالت هیچ دستی، به روی زائران باز می‌شوند. البته این اتفاق ربطی به جادو با نیروهای ماوراءالطبیعه‌ی کشیش نداشت: سیستم به لطف نبوغ هیرو کار می‌کرد.

این اختراع که در کتاب «پنوماتیکا» شرح داده شد، شاهکار مکانیک سیالات و ترمودینامیک پایه به‌حساب می‌آمد. سیستم کاملاً در زیر زمین و دور از چشم همه پنهان بود. بیایید ببینیم چطور کار می‌کرد:

در قدم اول، آتشی که کشیش بر روی محراب روشن می‌کرد، هوای محبوس در یک محفظه‌ی مهروموم‌شده در زیر محراب را گرم می‌کرد. هیرو می‌دانست که هوا وقتی گرم می‌شود، جای بیشتری می‌خواهد، یعنی منبسط می‌شود. هوای منبسط‌شده به دنبال راه فرار می‌گشت و فشار ایجاد می‌کرد.

سپس نوبت به گرانش می‌رسید: با پر شدن سطل از آب، وزن آن به طور پیوسته افزایش می‌یافت. این سطل سنگین از طریق مجموعه‌ای از طناب‌ها و قرقره‌ها به دو محور عمودی (پین) متصل بود که درهای معبد بر روی آن‌ها می‌چرخیدند.

هنگامی که وزن سطل به حد کافی می‌رسید، سطل به‌خاطر نیروی گرانش به سمت پایین کشیده می‌شد. این حرکت، طناب‌ها را می‌کشید و طناب‌ها نیز محورها را می‌چرخاندند و در نتیجه، درهای عظیم برنزی به‌آرامی باز می‌شدند. اما کار سیستم به همین‌جا ختم نمی‌شد؛ فرایند بسته‌شدن نیز خودکار بود:

در پایان مراسم وقتی آتش روی محراب را خاموش می‌کردند، هوای داخل محفظه‌ی زیر محراب سرد می‌شد. هوای سرد منقبض می‌شود و خلأ نسبی یا فشار منفی ایجاد می‌کند. این فشار منفی، آبی را که به داخل سطل وزنه رانده شده بود، از طریق یک لوله‌ی سیفون‌مانند، به مخزن اصلی بازمی‌گرداند.

با خالی‌شدن سطل، وزن آن کاهش می‌یافت و درها که احتمالاً با یک وزنه‌ی تعادل دیگر تنظیم شده بودند، به‌آرامی به حالت اولیه‌ی خود بازمی‌گشتند و بسته می‌شدند.

سپس کل سیستم خودش را برای مراسم بعدی «ریست» می‌کرد. این دستگاه قرن‌ها جلوتر از زمان خود بود، گرچه آن را نه با هدف راحتی، بلکه برای ایجاد «شگفتی» و «ترس» مذهبی ساختند؛ نمایشی فیزیکی از قدرت نامرئی خدایان.

 اگر درهای خودکار را کاربرد هوشمندانه‌ی فیزیک بدانیم، اختراع بعدی هیرو چیزی بود که می‌توانست مسیر تاریخ بشر را تغییر دهد. این دستگاه، آیولیپایل (Aeolipile) نام داشت، به معنی «توپ بادی» یا «توپ آئولوس» (خدای بادها). آیولیپایل اولین موتور بخار یا دقیق‌تر بگوییم، اولین توربین بخار واکنشی ثبت‌شده در تاریخ بود.

زیر دیگ آب آتش روشن می‌کردند. آب می‌جوشید و بخار تولید می‌کرد. بخار، که راهی برای فرار نداشت، از طریق لوله‌های محوری به سمت بالا و به داخل کره‌ی توخالی رانده می‌شد. سپس، بخار فشرده با فشار زیاد از دو نازل خمیده خارج (یا شلیک) می‌شد.

و اینجای کار، نبوغ هیرو خودش را نشان می‌دهد. بر اساس همان قانونی که قرن‌ها بعد نیوتن آن را فرمول‌بندی کرد (قانون سوم: عمل و عکس‌العمل)، وقتی بخار با فشار ازیک‌طرف به بیرون می‌رفت، نیرویی مساوی در جهت مخالف به کره وارد می‌کرد.

اما ازآنجاکه این اتفاق هم‌زمان از دو نازل در دو جهت مخالف رخ می‌داد، نتیجه نیروی گشتاوری بود که با باعث می‌شد کره با سرعت زیاد حول محور خود بچرخد.

هیرو اهل اسکندریه، در قرن اول میلادی، نیروی بخار را مهار کرده بود. پس چرا این اختراع جهان را تغییر نداد؟ چرا انقلاب صنعتی ۱۷۰۰ سال دیگر به تعویق افتاد؟ اینجا می‌بینیم که همیشه صرف «اختراع‌کردن» کافی نیست، بلکه «زمانه» هم باید آماده باشد.

نخست اینکه در آن دوران این دستگاه را اسباب‌بازی می‌دانستند، یک «وسیله‌ی جالب» (Wonder) برای سرگرم‌کردن مهمانان ثروتمند یا نمایش در معابد. هیچ‌کس آن را به چشم «نیروی محرکه» یا «موتور» یا نمی‌دید؛ یعنی وسیله‌ای که بتواند کارهای سخت مثل چرخاندن سنگ آسیاب یا پمپاژ آب را انجام دهد.

سوم، آیولیپایل دستگاه کم‌فشاری بود و قدرت زیادی تولید نمی‌کرد. برای ساختن موتورهای بخار قدرتمندی که در انقلاب صنعتی ظهور کردند (مانند موتور نیوکامن در ۱۷۱۲)، به دیگ‌های بخار پرفشار و سیلندرهای دقیقی نیاز بود که بتوانند آن فشار را تحمل کنند، چیزی که فناوری ریخته‌گری رومی هنوز با آن فاصله‌ی زیادی داشت.

و به‌این‌ترتیب، بزرگ‌ترین فرصت ازدست‌رفته‌ی فناوری در تاریخ بشر رقم خورد. رومی‌ها در آستانه‌ی عصر ماشین ایستاده بودند، به آن نگاه کردند، آن را «جالب» نامیدند و از کنارش گذشتند.

درحالی‌که اختراعات هیرو عمدتاً نادیده گرفته شدند، یک فناوری رومی دیگر وجود داشت که همه‌جا استفاده می‌شد، اما راز آن برای ۲۰۰۰ سال مخفی ماند: بتن رومی.

ساختمان‌های مدرن بتنی گاهی تنها پس از چند دهه شروع می‌کنند به شروع می‌کنند به ترک‌خوردن، فرسوده‌شدن و ریختن. بااین‌حال، سازه‌های رومی مانند پانتئون در رم با گنبد عظیمش که هنوز هم بزرگ‌ترین گنبد بتنی غیرمسلح در تمام دنیاست، یا اسکله‌ها و آبراه‌هایی که ۲۰ قرن در برابر آب شور و فرسایش مقاومت کرده‌اند، همچنان پابرجا هستند.

چطور چنین چیزی ممکن است؟ بتن آن‌ها چه خاصیتی داشت که بتن ما ندارد؟

راز واقعی در چیزی نهفته بود که مورخان و مهندسان مدرن آن را یک «نقص» یا «اختلاط بی‌کیفیت» می‌پنداشتند. در تمام نمونه‌های بتن رومی، تکه‌های کوچک و سفیدرنگی از آهک دیده می‌شود که به «کلوخه‌های آهک» (Lime Clasts) معروف‌اند. همه فکر می‌کردند این‌ها یعنی رومی‌ها موادشان را خوب هم نزده‌اند!

اما در سال ۲۰۲۳، تیمی از محققان مؤسسه‌ی فناوری ماساچوست (MIT) نکته‌ی شگفت‌انگیزی را کشف کردند: این کلوخه‌ها نه‌تنها نقص محسوب نمی‌شدند، بلکه کلید طول عمر باورنکردنی بتن رومی بودند.

این فرایند شیمیایی گرمازای شدید، نه‌تنها ترکیبات منحصربه‌فردی ایجاد می‌کرد، بلکه باعث می‌شد تکه‌های کوچک آهک به‌عنوان منبع واکنشی در ساختار بتن باقی بمانند. اینجا بود که جادوی خودترمیمی رخ می‌داد:

با گذشت زمان، ترک کوچکی در بتن ایجاد می‌شد؛ مثلاً در اثر نشست زمین یا زلزله یا صرفاً فرسایش و طبیعتاً آب باران یا رطوبت به داخل این ترک نفوذ می‌کرد.

به‌محض اینکه آب به یکی از این «کپسول‌های آهکی» می‌رسید، آن را فعال می‌کرد: آهک در آب حل می‌شد و محلولی غنی از کلسیم ایجاد می‌کرد. بعد محلول به داخل ترک جریان می‌یافت و آنجا به‌سرعت دوباره متبلور می‌شد، یعنی کربنات کلسیم (سنگ‌آهک) تشکیل می‌داد.

این فرایند، ترک را از داخل «چسب می‌زد» و ساختار را ترمیم می‌کرد. انگار که بتن، سیستم ایمنی بدن خودش را داشت و زخم‌هایش را درمان می‌کرد.

محققان MIT این بتن را بازسازی کردند؛ آن را شکستند، به آن آب افزودند و به تماشا نشستند: ترک‌ها در عرض تنها دو هفته به طور کامل بهبود یافتند. رومی‌ها «بتن هوشمند» ساخته بودند، همین فناوری به آن‌ها اجازه داد تا گنبد پانتئون را بسازند و آبراه‌هایی به طول بیش از ۴۰۰ کیلومتر را در زمین‌های پیچیده احداث کنند.

برای امپراتوری‌ای که به برنامه‌ریزی دقیق نظامی و اداری متکی بود، سنجش زمان اهمیت فوق‌العاده‌ای داشت. در آن ولی ساعت‌های آفتابی رایج در آن دوران، مشکلی اساسی داشتند: در روزهای ابری یا در طول شب کاملاً بی‌مصرف و بی‌فایده می‌شدند.

پیش از اینکه رومی‌ها اسنکدریه را فتح کنند، مخترع یونانی دیگری به نام تیسیبیوس (Ctesibius) در قرن سوم پیش از میلاد راه‌حل این مشکل را یافت، ولی اما رومی‌ها این فناوری را به کمال رساندند و در سطح وسیع‌تری از آن استفاده کردند. این دستگاه، ساعت آبی یا کلپسیدرا (Clepsydra) نام داشت.

ساعت او مثل سیستمی خودکار و دقیق عمل می‌کرد:

جریان ثابت: او از دو مخزن استفاده کرد. مخزن اول (بالایی) همیشه تا لبه پر نگه داشته می‌شد و آب اضافی از آن سرریز می‌کرد. این تضمین می‌کرد که آبی که از سوراخ آن به مخزن دوم (مخزن اندازه‌گیری) می‌چکد، همیشه فشار ثابت و در نتیجه جریان ثابتی داشته باشد.

اندازه‌گیری: در مخزن دوم، آب به‌آرامی جمع می‌شد. داخل این مخزن دوم، یک «شناور» (چیزی شبیه شناور کولر) قرار داشت که همراه با سطح آب بالا می‌آمد.

نمایش زمان: شناور به یک عقربه یا گاهی یک مجسمه‌ی کوچک متصل بود که روی یک ستون یا صفحه‌ی مدرج حرکت می‌کرد و ساعت را نشان می‌داد.

تنظیم مجدد خودکار: نبوغ واقعی در پایان روز رخ می‌داد. هنگامی که آب به بالای مخزن دوم می‌رسید، وارد یک لوله‌ی سیفون می‌شد. این سیفون به طور ناگهانی و کامل، تمام آب مخزن را تخلیه می‌کرد و شناور به پایین می‌افتاد و ساعت برای روز بعد «ریست» می‌شد.

پس برای این جریان هم راه‌حل شگفت‌انگیزی درنظر گرفتند: آبی که از سیفون تخلیه می‌شد، روی چرخ آبی کوچکی می‌ریخت. این چرخ آبی از طریق مجموعه‌ای از چرخ‌دنده‌های دقیق، صفحه‌ی مدرج زمان را به‌آرامی می‌چرخاند.

چرخش صفحه به‌گونه‌ای تنظیم شده بود که در طول یک سال کامل، ۳۶۵ روز، یک دور کامل می‌زد و به طور خودکار مقیاس ساعت‌ها را با فصل جدید تطبیق می‌داد. این دستگاه در واقع یک کامپیوتر آنالوگ بود که تنها با نیروی گرانش و جریان آب کار می‌کرد.

ذهنیت مهندسی روم تنها به دستگاه‌های دقیق یا مواد جادویی محدود نمی‌شد؛ بلکه به «مقیاس» نیز می‌اندیشید. تغذیه‌ی شهرهای عظیمی مانند رم، که نزدیک به یک میلیون نفر جمعیت داشت، مستلزم تولید انبوه مواد غذایی بود.

در جنوب فرانسه، نزدیک شهر «آرل» امروزی، باستان‌شناسان بقایای مجموعه‌ای به نام آسیاب‌های باربِگال (Barbegal) را کشف کردند. این مجموعه، که قدمت آن به قرن دوم میلادی بازمی‌گردد، چیزی نبود جز یک کارخانه‌ی صنعتی تولید آرد، ۱۵۰۰ سال قبل از اینکه کلمه‌ی «کارخانه» حتی وجود داشته باشد.

سیستم چطور کار می‌کرد؟ آب به چرخ اول می‌رسید و آن را می‌چرخاند. بعد، همان آب از پایین چرخ اول، وارد کانالی می‌شد که آن را دقیقاً به بالای چرخ دوم می‌رساند. چرخ دوم را هم می‌چرخاند و می‌رفت سراغ چرخ سوم و همین‌طور تا چرخ هشتم در انتهای سراشیبی.

هر یک از این ۱۶ چرخ آبی، از طریق محورها و چرخ‌دنده‌های چوبی، مستقیماً به یک سنگ آسیاب سنگین در ساختمان کناری متصل بود. کارگرها فقط گندم را در ۱۶ آسیاب می‌ریختند و سیستم، گندم را تبدیل به آرد می‌کرد.

این سازوکار اولین خط تولید مکانیزه‌ی شناخته‌شده در تاریخ بود. برآوردها نشان می‌دهد که این کارخانه می‌توانست روزانه تا ۲۵ تُن آرد تولید کند، که برای تغذیه‌ی ده‌ها هزار نفر کفایت می‌کرد. جالب‌تر اینکه اداره‌ی کل این مجموعه‌ی عظیم صنعتی هم فقط به حدود ۳۰ کارگر نیاز داشت.

سال ۲۰۲۳، یک باستان‌شناس آماتور در مزرعه‌ای در آلمان، قطعه‌ی فلزی کوچک و درخشانی را در میان خاک پیدا کرد. مشخص شد که این شیء، یک قفل رومی است که حدود ۱۶۰۰ سال قدمت دارد، اما نه قفلی معمولی: جنسش طلای خالص بود و سایزش حیرت‌انگیز: اندازه‌ی قفل، نصف در یک نوشابه‌ی معمولی بود.

باوجود سایز بسیار کوچک و قرن‌ها مدفون بودن زیر خاک، بازهم مکانیزم قفل تا حد زیادی سالم به‌نظر می‌رسید. این قفل دقیقاً مانند یک قفل آویز مدرن کار می‌کرد: یک کلید مینیاتوری وارد سوراخ می‌شد، می‌چرخید و مکانیزم داخلی، زنجیر یا حلقه‌ای را آزاد می‌کرد.

این قفل کوچک طلایی، که احتمالاً برای یک جعبه جواهرات خیلی گران‌قیمت یا یک صندوقچه‌ی شخصی کوچک استفاده می‌شده، به ما نشان می‌دهد که صنعتگران رومی نه‌تنها در ساخت قنات‌های غول‌پیکر، بلکه در هنر مینیاتوری و مهندسی دقیق نیز استاد بودند.

و در نهایت، به اختراع فردی بازمی‌گردیم که این سفر را آغاز کرد؛ دستگاهی که شاید مدرن‌ترین اختراع هیرو اهل اسکندریه باشد: اولین دستگاه فروش خودکار (Vending Machine).

این دستگاه هم، مثل درهای اتوماتیک، احتمالاً در ورودی معابد استفاده می‌شد. اما این بار هدفش ایجاد ترس و ابهت نبود و احتمالاً برای مقاصد تجاری استفاده می‌شد: فروش «آب مقدس» (یا شاید شراب) به زائران، بدون اینکه نیازی به یک فروشنده‌ی تمام‌وقت باشد.

این دستگاه در ظاهر به یک کوزه‌ی گلی یا ظرف فلزی معمولی شباهت داشت، اما بیایید به سازوکار داخلی‌اش نگاه کنیم.

انتهای دیگر اهرم به دریچه‌ای مخروطی شکل متصل بود که مسیر خروج مایع را مسدود می‌کرد. با کج‌شدن اهرم، دریچه برای لحظه‌ای باز می‌شد و مقدار دقیقی از آب مقدس یا شراب از لوله خارج می‌شد و در فنجان زائر می‌ریخت.

در همین زمان با کج‌شدن کامل اهرم، سکه از روی کفه به داخل صندوقچه‌ی پول در پایین دستگاه می‌لغزید. بلافاصله پس از افتادن سکه، کفه (که اکنون سبک شده بود) به حالت اولیه‌ی خود بازمی‌گشت و دریچه را می‌بست و جریان مایع را قطع می‌کرد.

فرایند فوق، معامله‌ای کامل، خودکار و سنجیده را پیش می‌برد. هیرو دستگاهی ساخته بود که یک ورودی (سکه) را می‌پذیرفت، آن را پردازش می‌کرد و یک خروجی مشخص (مقدار معینی مایع) تحویل می‌داد. این ایده آن‌قدر جلوتر از زمان خود بود که پس از سقوط روم، به طور کامل ناپدید شد.

جهان تقریباً ۱۸۰۰ سال صبر کرد تا این مفهوم در قرن نوزدهم، ابتدا برای فروش روزنامه و سپس آدامس و نوشابه، «دوباره اختراع» شود.

از درهای معبدی که با آتش باز می‌شدند تا بتنی که خود را شفا می‌داد، از موتور بخاری که نادیده گرفته شد تا دستگاهی که سکه می‌پذیرفت؛ فناوری رومی بسیار فراتر از جاده‌ها و طاق‌ها بود.

شاید بزرگ‌ترین تراژدی سقوط روم، نه فروپاشی ساختمان‌ها و جاده‌هایش، بلکه ازدست‌رفتن بلکه ذهنیت مهندسی باشد که بر پایه‌ی مشاهدات دقیق، آزمایشگری جسورانه و درک عمیق اصول فیزیکی بنا شده بود. دانشی که هیرو و تیسیبیوس مستندش کردند، در گردوغبار کتابخانه‌های فراموش‌شده مدفون شد و جهان قرن‌ها بعد، در دوران رنسانس و سپس انقلاب صنعتی، این اصول را به‌تنهایی و از نو کشف کرد.