聖索菲亞的抗震奧秘 (2)

聖索菲亞的抗震奧秘 (2)
知識通訊評論第46期

羅馬萬神殿。

龜裂奇想

聖索菲亞大教堂的圓頂有四十片窗戶，在用以支撐直徑長達三十一公尺的圓頂，由磚塊與灰泥組成的每根骨架之間都有一片。在馬克於一九八○年代後期，為萬神殿的圓頂弄出電腦模型之前，大多數的歷史學家相信那些窗戶只是為了好看才添加上去的；然而馬克的研究結果卻指出，添加這些窗戶是為了避免龜裂。

馬克解釋說，設計師看過了萬神殿之後，就知道由窗戶形成的那條軸線所在區域，一定會產生龜裂；既然如此，乾脆就用窗戶自己先行製造這些龜裂。在地震頻繁的君士坦丁堡（伊斯坦堡當時的名字），這樣做很有助益。

聖索菲亞大教堂在歷經十幾次的大型地震後依然屹立不倒，只有部分受到損壞，這有一部份要歸功於拱門與穹隅，在建築物受到搖晃時，會將圓頂的重量平均分攤到下面四根樑柱。不過大教堂本身所用的磚塊與灰泥，對於減低地震損害也有幫助。

現代抗震建築物為了要承受搖晃，必須要輕、要具有彈性；聖索菲亞大教堂兩者兼具，遠遠超越當時的工藝技術。它所使用的磚塊，比起拜占廷帝國當時在其他各處所用的磚塊更輕、更具滲透性。卡克馬克的研究指出，這些磚塊烘烤的溫度相對較低，不到攝氏七百五十度，才能在沙子與石灰之間取得恰到好處的化學反應；他說如果溫度偏高了，沙子就會變得玻璃化、稠密化。

除此之外，當年的建築師還採用一種特別的灰泥。卡克馬克與他在希臘雅典國立科技大學的同事共同研究，發現這種灰泥裡面含有一種鈣矽化合物，成分類似今日的波特蘭水泥 (Portland cement) ；這種高張力的混成物，可讓聖索菲亞大教堂吸收大型地震的震動。該團隊在二○○二年報告說，在一千五百年後的今天，灰泥中的鈣跟矽還能產生反應，令人訝異；卡克馬克解釋說，灰泥會自我修復，每次地震搖晃後總會留下一些微小龜裂，但隨著時間就會自己癒合。經常不同意卡克馬克見解的馬克則爭論說，大教堂各處的灰泥黏稠度可能有所不同，因此這不能解釋一切。

聖索菲亞大教堂所用磚塊與灰泥的比例，可能對其抗震強度也有所貢獻。為了儘快落成，泥瓦匠使用極厚的灰泥進行接合，接合層經常比磚塊本身還要厚。卡克馬克說，這些厚厚的接合層讓建材「更像是強化混凝土」；也只有使用這麼強韌的灰泥，這種技法才有可能用上。

那麼當年的建築師們，是否刻意將這些抗震特性納入聖索菲亞大教堂？卡克馬克表示，在此之前建築師若要建築物抗震，就會把建築物造得很重，如此而已；但是安瑟米爾斯對抗震主題很有興趣，據說他甚至建造了自己的地震模擬機。卡克馬克說，安瑟米爾斯知道在力學系統裡，力的大小與質量成正比，所以他會使用較輕的磚塊跟較有彈性的灰泥取代石頭素材，這說得過去。

馬克再一次不同意他朋友的見解，跟大多數的建築歷史學家站在同一邊。他說卡克馬克認為安瑟米爾斯等人具備一些先進的知識，但他可不這麼認為。

卡克馬克

把這些爭吵暫擱一旁，許多人在猜想下一次大地震來臨時，聖索菲亞大教堂會發生什麼事。一般認為伊斯坦堡南方的區域，在幾十年內會發生兩次規模跟伊茲米特大地震相同，甚至規模更大的地震。一組由土耳其跟美國研究員組成的研究團隊，一九九一年在聖索菲亞大教堂安裝了幾個震動感測器；卡克馬克利用這些感測器在微小地震時收集到的資料，創造出三度空間的電腦模擬，用以預測這棟建築物在大型地震時會如何的移動。模型顯示在芮氏規模七點五的大地震侵襲下，聖索菲亞大教堂的外牆會劇烈地前後搖晃，拱門頂部會承受最多壓力；不過圓頂絲毫未損，大教堂安然無恙。

那假如碰上比芮氏規模七點五級更強烈的大地震呢？卡克馬克說，要是真碰上了，也只能聽天由命。的確，假若最糟的地震預測成真，不管聖索菲亞大教堂是否會倒塌，大概也不會有人有那個閒情逸致去管它了。