冰块改变地球：人类的制冰史

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冰块改变地球：人类的制冰史

2015年05月01日

来源：译言网 作者：Steven Johnson

人类通过降低温度，永久地改变了这颗星球。科技发展到今天，难以想像没有人工制冷技术，我们将如何生活。但是这一切均始于200年前一些巨大冰块。


1834年初夏，一艘名为“马达加斯加号”的三桅船驶入里约热内卢港口，船体内装有令人最不可思议的货物——冻结的新英格兰湖。
“马达加斯加号”及其船员隶属于一家公司，他们的老板是顽固的波士顿商人弗雷德里克·图德。
图德是一位年轻富有的波士顿人，他的家族长期从自家庄园的洛克伍德湖获取冰水，不仅因为它的美学价值，也因为它具有降温能力。
像很多北方富裕家族一样，在图德家的冰室里，贮藏着一块块冻结的湖水，每块重200镑（约合90千克），它们奇迹般地不会融化，直到炎热的夏季到来、新的仪式开始。这些冰块被切成碎片，制成新鲜的冷饮，做成冰淇淋，或者在热浪来袭时用于冲凉降温。
在17岁的时候，图德的父亲送他去航海，目的地是加勒比海。全副武装经过潮湿的热带地区时，一名19世纪的绅士向年轻的弗雷德里克·图德提出了一个非常激进的（有人甚至认为荒谬的）建议：
如果他能千方百计把冰块从天寒地冻的北部运到西印度群岛的话，将捕捉到巨大的商机。
1805年11月，图德派兄弟威廉去马提尼克打前哨，买了一条名为“至爱号”的双桅横帆船，开始收集冰块，筹备旅行。
次年2月，图德从波士顿港口启航，“至爱号”满载来自洛克伍德湖的冰块，驶向西印度群岛。
《波士顿公报》报道说：“这可不是开玩笑！”
“一艘满载80吨冰块的船从马提尼克岛港口启程出发。我们希望最终证明，这并非无稽之谈。”

事实证明，公报的嘲弄确有道理，虽然不同于人们可能预测到的那种原因。

尽管夏季姗姗来迟、冰块完好无缺，但还是出了问题，而这个问题是图德从未想到过的。
马提尼克岛居民对来自异国的冷冻恩惠没有兴趣。他们根本不知道该拿它怎么办。
人们对冰魔力莫不关系，让图德的兄弟威廉不用排队等待成为货物的专属买家。
更糟的是，威廉没能找到储存冰块的合适地点。
图德使出浑身解数，终于到达马提尼克，却发现人们并不需要在酷热中急速融化的产品。
此行是一次彻头彻尾的失败。
马提尼克岛航行的惨淡场面还将在几年后重演，并伴随着更多灾难性后果。
图德的新兴业务虽然存在需求和存储的问题，但也不乏优势。
船只往往空无一物地离开波士顿港口，远赴西印度群岛，用贵重货物来填满船体，这意味着他可以跟船东协商，利用空船、以更便宜的价格来运送他的冰。
此外，冰本身基本上是免费的。图德只需付钱让工人把冰块从冰冻的湖水中切割开来。
新英格兰的经济催生了另外一种同样毫无价值的产品——木屑，木材厂的主要废物。
经过多年的试验，图德发现木屑可成为冰的极好绝缘体。
上下叠放的冰块以木屑分隔后，存放的时间几乎是不受保护的冰的两倍。
图德的节俭天赋派上了用场。他利用了三种在市场售价实际为零的物品——冰、木屑和空船，成就了一桩蒸蒸日上的生意。
图德最初那次悲催的马提尼克之行已经清楚表明，他还需要在热带地区找到现场存储基地。
他修改了多个冰库的设计，最后选择了双壳结构，利用两面石头墙之间的空气来保持室内凉爽。
图德不懂分子化学结构，但木屑和双壳结构都遵循相同原理。

冰的融化需要从周围环境中吸热，才能破坏形成冰晶的氢原子四面体结构。

（从周围大气中提取热量，使冰有一种让我们凉爽下来的神奇能力。）
热交换唯一可能发生的地方是冰的表面，这就是为什么大冰块能够长时间保存的原因——所有内部氢键完全与外部温度相隔离。
灵光乍现15年后，图德的冰块贸易开始盈利了。
到了19世纪20年代，图德的冰库已遍布美国南部，里面堆满了来自新英格兰的冷冻水。
到了19世纪30年代，他的商船远行至里约和孟买。（最终证明，印度是图德最有利可图的市场。）
至1864年去世，图德已积累了一大笔财富，价值超过今天的2亿美元。纽约三分之二的家庭每天订购冰块。
在不到一个世纪的时间里，冰块经历了从罕见珍品到奢侈品、再到必需品的过程。
用冰块制冷的做法改变了美国的版图，变化最大的地方非芝加哥莫属。
优越的地理位置使这座城市成为交通枢纽，富饶平原地区的小麦从这里转运到东北部人口中心。
但在运送途中，无法避免肉类腐败变质。
经过一个世纪的发展，物资匮乏的东北部和富产牲畜的中西部之间出现了严重的供需失衡。
19世纪40、50年代，外来移民促使纽约和费城的人口暴增，当地的牛肉供应无法满足不断上升的需求。
同时，美国对大平原的开垦使得牧场主拥有庞大的牛群，却没有相应数量的消费人群。
是冰块为人们找到了出路，最终打破僵局。
1878年，古斯塔夫斯·富兰克林·斯威夫特聘用一名工程师来建造一种先进的冷藏车。
人们将冰块放入箱中，置于肉类上面，到达沿途的停靠站时，工人会在上面换上新的冰块，下面的肉保持不动。
唐纳德·米勒在《19世纪的芝加哥》中写道，“就是这种基本的物理降温方式，使得古老的牛肉屠宰业从本土贸易发展为一种国际业务。冷藏车自然而然地发展为冷藏船，将芝加哥的牛肉运送至四大洲。”

给南部大地降降温

这个故事始于昆虫在佛罗里达州阿巴拉契科拉镇的大量繁衍，这里是亚热带气候，人们毗邻沼泽而居，而沼泽为蚊子提供了完美的滋生环境。
1842年蚊子大量出现，意味着患疟疾的风险增加，这一点是不可避免的。
在当地简陋的医院，面对几十位发烧病人，一名名叫约翰·格利的医生束手无策地坐在那里。
格利急需找到一种方法为病人退烧，他试着将冰块悬挂在医院的天花板上。这个做法经证实非常有效：冰块冷却了空气，空气使病人感到凉爽。
高烧退去，他的一些病人终于活下来了，但随后发生的一系列沉船事件使得新英格兰的冰块延迟靠港，格利的常规供应中断了。
所以，这位年轻医生开始考虑更为激进的解决方式——自己制冰。
戈里是幸运的，他在最恰当的时间想到了这个办法。
几千年来，对于人类文明来说，人造制冷的想法几乎是不可思议的。我们发展了农业，建设了城市，开凿了水渠，发明了印刷术，但制冷却遥不可及。
然而不知为何，到19世纪中叶，人工制冰已成为可能。
借用复杂性理论家斯图尔特·考夫曼的精彩语句——在那个时期，制冷已经“近乎于变为现实”。
我们该如何解释这一突破呢？
它不仅是那些独来独往、比任何人都聪明的天才们灵光乍现。
而基本上是从其他众多想法中衍生出来的。
我们采用当前时期的工具、隐喻、理念和科学理解，将其重新组合，生成一些新东西。
但如果没有合适的构建材料，就不可能有所突破，即使你是旷世之才。
世界上最睿智的人也没能在17世纪中叶发明出电冰箱，这只是因为当时条件尚不成熟。
但是到了1850年，一些零星想法统统冒了出来。
对今天的人们来说，第一件必然发生的事似乎很好笑。我们必须找出空气的精确成分，物体之间并非空空如也。
17世纪，几位非科班出身的科学家发现了一种奇怪的现象——真空。空气中似乎确实什么都没有，但真空的作用却不同于一般的空气。
火焰会在真空中熄灭。真空密封力量强大，两队马匹都拉不开。
1659年英国科学家罗伯特·博伊尔把一只鸟放进广口瓶中，并用真空泵吸出瓶里的空气。鸟死了，正如博伊尔怀疑的那样，不过，蹊跷得是它还被冻僵了。

如果真空和空气有那么大的区别——生物不能存活于真空中，这就意味着空气是由一些看不见的物质组成的。

这也表明空气容量或气压的改变可带来周围温度的改变。
18世纪，我们的知识不断延伸，当蒸汽机驱动引擎时，人类认识到热力与能量可以相互转化，一整套热力科学诞生了。
更精准的温度和重量测量工具被发明出来，随着而来的是摄氏、华氏等标准刻度。一旦测量精度有了跨越式发展，新的可能性便应运而生，这一点被科学和创新的历史一再证实。
戈里在脑子里把上述建筑材料翻阅了一遍，开始制造一台制冷器。
其原理是利用泵的能量来压缩空气，使空气升温。机器随后让压缩空气通过已用水冷却的管道中，从而将空气冷却下来。
空气膨胀时，会吸收周遭热量，就像四面体型氢键融于液态水一样，在吸收热量的同时降低四周温度。
这种方法甚至可以用来制冰。
令人惊叹的是，戈里的机器奏效了。他再也不用依赖几千英里远海运来的冰块，而是直接在家自制冷气，降低病人的高温。
尽管戈里成功发明了这种机器，他却没有成为商人。但这种人造制冷的想法却没有偃旗息鼓。
突然间制冷器遍地开花，不是人们偷窃了戈里的想法，而是他们靠自己敲开了同一座建筑的基座。
在众多发明者中，法国工程师费迪南德·卡雷设计了一台制冷器，基本原理与戈里如出一辙。
1861年美国南北战争爆发后，联邦军队封锁了南方各州，如此一来，冰块的运输被阻断了。一时间南方各州闷热难当，人们发现自己极度渴求人造冷气。
很快，基于卡雷设计原理的制冰机突破封锁，走私进入南方。
这些新型设备利用氨作为制冷剂，每小时可制出冰块400磅（约合181千克）的冰块。从法国到乔治亚州、路易安娜州，再到德克萨斯州，人们纷纷走私购入卡雷的机器。
截至1870年，南方诸州所制造的人造冰块数量居世界首位。
就19世纪而言，几乎所有与制冰有关的活动都在蒸蒸日上、雄心勃勃。
但接下来，人造制冷技术的革新恰恰将背道而驰，冰块要缩小了。
冷冻食物
1916年冬，一位性情古怪的博物学家兼企业家举家搬迁至偏远的拉布拉多冻土地带。
他曾独自一人在那儿生活过几年，创办了一家皮毛公司，养过一些狐狸。有时也会海运一些动物，向美国生物研究所报告情况。
但食物质量非常不理想。
拉布拉多气候阴冷，这就是说，冬天食用的的东西要么是腌制的，要么是冷冻的。没保存好就会被冰冻。一旦解冻，就会变得一团糊状，索然无味。
只有鱼尝起来还比较新鲜。
这位博物学家和当地一些因纽特人一起在冰上钓鱼。他们在冻湖里挖了几个洞，抛下鱼线钓鲑鱼。
此时的温度远低于零度，湖里的鱼一上岸，几秒钟就会冻实。

在拉布拉多，坐下和家人用餐的时候，年轻的博物学家不经意间想到一项有力的科学实验。

他们把一条冰钓时获得的鲑鱼解冻后，发现吃起来的口感比通常的食物要鲜得多。
差异如此之大，令人痴迷，他想弄清原因。
于是克拉伦斯·伯宰开始了一项研究，并最终让他的名字出现在了世界各地超市的冻豌豆、冻鱼条的包装上。
他开始实验，最后对口味迥异作出了合理解释，秘密在于冷冻的速度。
缓慢冷冻让冰的氢键有机会形成较大的冰晶，然而，发生在数秒内的冻结——我们现在称之为“速冻”——产生的冰晶要小很多，对食物本身的伤害更小。
因纽特渔民不曾考虑过冰晶和分子，但是，通过把活鱼从水中拖到寒冷骇人的空气里，数世纪来他们一直享受着速冻的好处。
博物学家脑袋里生成了一个想法：随着人工制冷是益普遍，假如可以解决质量问题，冷冻食品会有巨大的市场。
在20世纪最初几十年里，冷冻食品行业被认为已走入穷途末路。（冷冻食品实在是太糟糕了，甚至达不到犯人的伙食标准，被纽约州立狱拒之门外。）
一个关键性问题是冷冻食物的温度相对较高，通常只在零下几度。
然而，科学的进步让人工制冷温度有可能媲美拉布拉多的冰天雪地。到18世纪20年代初，伯宰已经利用成箱成箱温度在摄氏-40C的冻鱼，发明了一种速冻工艺。
他发现只要用这种方法来冷冻，任何东西——水果，肉，蔬菜）解冻后都会特别新鲜。
冷冻食物还要再过十几年才能成为美国人的主要食品。（这需要大量冷冻库，用于超市和家庭厨房，直到战后才完全得以实现。）
但是伯宰的实验太有前景了， 就在1929年黑色星期五股灾爆发几个月前，他的大众海鲜公司就被波斯塔姆谷物公司收购了。
冰钓之旅让他成了千万富翁。
在我们这个倡导当地出产、当地加工食物的时代，冷冻的“电视大餐”已经不合口胃。但在问世之初，冷冻食物对身体健康带来了有益影响，丰富了美国人的饮食营养。
速冻食品使食品网络在时间和空间上得到延伸。
夏季收获的农产品数月后还能食用；丹佛和达拉斯的人们可以吃到在北大西洋捕获的鱼；在一月吃冷冻青豆好过等五个月后吃新鲜青豆。
转向空气
到20世纪50年代，美国人的生活方式已经深受人造制冷的影响。他们从当地超市的制冷货架上购买冷冻晚餐，放入新款福瑞吉戴尔冰箱的冷冻室储存，使用最新制冰技术。
在20世纪50年代典型的美国家庭中，最现代的制冷装置不是用于储存供晚餐食用的鱼肉，也不是用于制造放进马丁尼酒的冰块。
而是用来给整栋房子降温（和除湿）的。
第一台“空气处理装置”是1902年由一个名叫威利斯·卡里尔的年轻工程师构想出来的。
当时，他受聘于纽约布鲁克林的一家印刷公司，要设计一种装置，避免油墨在潮湿的夏季晕开。
他的发明不仅清除了印刷室的湿气，还给空气降了温。
卡里尔注意到大家突然都想在印刷机附近就餐。于是他开始着手设计一种奇妙的装置，以调节室内空间的湿度和温度。
第一次世所瞩目的空调试验发生在1925年阵亡将士纪念日那个周末，当时，卡里尔首次在曼哈顿派拉蒙电影公司最大的新式瑞福利电影院展现了他的试验性空调系统。
他甚至说服了派拉蒙的传奇式当家人物阿道夫·祖克尔，使其相信，在剧院投资安装中央空调系统能够带来利润。祖克尔亲自参加了阵亡战士纪念日的周末测试。
卡里尔和他的试验小组在启动和运行空调时遇到了一些技术问题。在电影放映前，满屋子人都在使劲扇扇子。卡里尔后来回忆道：
“剧院里一下子挤满了人，而在大热天里使空气降温需要时间，但慢慢地，人们几乎毫无察觉地把扇子放到了膝盖上，因为他们越来越明显地感受到了空调系统的效果。之后我们去大厅等祖克尔。他看到我们时简短地说了一句，‘没错，人们会喜欢的。’”

1925-1950年，大多数美国人只能在电影院、百货公司、酒店或写字楼等大型商业场所感受空调。

卡里尔知道空调要迈进普通家庭，但这种机器对中产阶级家庭来说太大太贵。
到了40年代后期，随着第一台便携系统面市，空调终于迈入了家庭。
五年内，美国人每年安装空调超过100万台。那些炎热潮湿得无法忍受的地方，突然待得住人了。
到1964年，内战后人们从南到北的历史性迁徙已被逆转。
伴随寒冷地区新移民的到来，南部阳光地带扩大了，这要归功于家用空调，是它的出现使人们可以忍耐炎热潮湿或炽热的沙漠气候。
在短短10年时间里，图森的人口从4.5万激增至21万，同期休斯顿人口从60万增至94万。卡里尔的发明不止造成了氧气分子和水分子的循环，还加快了人口的流动。
但是，美国阳光地带的崛起只是全球性趋势的预演。
就全世界而言，人口增长最快的大都市主要集中在亚热带地区：金奈、曼谷、马尼拉、雅加达、卡拉奇、拉各斯、迪拜、里约热内卢。
人口统计学家预测，到2025年这些热点城市将有超过10亿新居民。
人造的真相
迎来寒冷革命的梦想家和发明家没有灵光乍现，他们的奇思妙想难以立刻改变世界。
不过，图多尔和伯兹艾发明的冷冻技术可不止是把冻鱼条普及到世界那么简单。

由于人类精液、卵子和胚胎可被迅速冷冻，它也促进了地球人的蓬勃兴盛。数百万人的繁衍生息都要归功于人工制冷技术。

当有了突破性的想法时，我们往往受到原始发明的规模所限。
我们琢磨出一个人工制冷技术的方法，假设它会使我们的房间变得比较凉快，或者不断为我们的苏打水供应冰块。
这一点是很容易理解。但是，如果你用那种方法谈论制冷，就会错过它改写历史的一面。
在过去两个世纪，它的影响一直令人难以置信。
从改变大平原的图景到冷冻胚胎带来全新的生命和生活方式，一路向前发展，直到把沙漠变成繁华大都市