九、成家立业：科学与工业革命

1.从真空泵到蒸汽机

前一章讲到18世纪科学文化的大众传播以及科学实验的普及与发展，而18世纪后半叶在英国发起的“工业革命”，可以说就是得益于这一时代背景。

很多人都同意工业革命得益于科学革命，但是其中一部分人把二者的关系想得太简单了。他人认为技术就是科学的“应用”，当科学发展之后，通过对科学理论的应用，就可以促进生产力的发展。

事实上科学与技术的关系并不简单，技术从来不是从属于科学的结果，而是有独立的发展脉络。在古代文明，科学的繁荣与技术的发达未必重合，例如古希腊的科学繁荣，但古罗马的大型工程技术更胜一筹（如公路、混凝土、引水渠等等）。

在古代，工程、技术、手艺等等领域，都有各自独立的传承，工匠往往是子承父业，或者师徒相传，以工程师、能工巧匠、建筑师等为代表的工匠传统，与数学家、天文学家、哲学家等为代表的学者传统，基本上是互不沟通的两个阶层。

直到文艺复兴时期，随着行会的发展和印刷术的助力，学者与工匠之间的壁垒被打开，不同领域之间加强了交流和互动。不过，各领域的交流是复杂的互动，并没有一方从属于另一方。

牛顿力学显示出对天界地界各种现象的强大的解释力，但是从具体的生产技术领域来说，牛顿力学最初还无法提供实用的指导。在很多领域，技术发明往往领先于相关的理论科学的发展，例如蒸汽机在18世纪流行起来，而对蒸汽机进行理论抽象的卡诺热机到1824年才被提出，整个热力学是在19世纪才逐渐发展起来的。

但这并不是说蒸汽机的发明和改进并没有受到科学革命的影响，事实上，蒸汽机的前身就是真空泵。

事实上，早在公元1世纪，亚历山大城的希罗就已经发明出靠蒸汽驱动旋转的气转球装置，以及其它许多火力、水力、风力、气动装置。传说中阿基米德也发明过蒸汽驱动的大炮。

但最后在工业革命时期流行的蒸汽机与希罗的设计没什么关系，它们并不是依赖于蒸汽喷出产生的推力，而是让灌满蒸汽的气缸冷却之后，依靠大气来提供压力。

用过高压锅的朋友应该很容易理解这个原理，锅被加热时，锅内被水蒸汽充满，空气被水蒸气挤出。如果加热完毕后没有马上揭盖，等水蒸气冷却，盖子就打不开了，必须先打开阀门注入空气才能打开锅盖，这就是因为锅内的水蒸气冷却之后变回了水，锅内出现真空，于是整个锅就像马德堡半球那样被大气压封住了。

高压锅是丹尼斯·帕潘在1681年发明的，他接替胡克，做过波意耳的助手，辅助进行真空泵等各种实验。有些实验会弄死一些小动物，为了方便处理尸骨，帕潘发明了“软化骨头的器具”，这就是最早的高压锅了。高压锅的关键技术环境是“安全阀”，能保证高压气体适当漏出。

或许在高压锅中吸取了灵感，帕潘随后发明了活塞式蒸汽机——在气缸中注入蒸汽后关闭阀门，蒸汽冷凝后形成的真空吸住了活塞，然后大气压推动活塞产生机械动力。

帕潘最初的蒸汽机还只是实验室模型，并未实用。而第一个商用的“蒸汽泵”是萨弗里发明的“矿工之友”，他在1698年取得了专利并向矿场出售。

严格来说，“矿工之友”不是一台机器，它并不输出机械动力，而是利用蒸汽冷凝之后产生的真空，把地下水吸上来。

顾名思义，“矿工之友”是给矿场用的。英国的木材资源较少，而随着城市化和各种手工业的发展，燃料的需求日益增加，于是英国人不断开采煤矿来缓解燃料需求。煤矿越挖越深，但地下煤矿往往伴随有地下水脉，开采过程中必须不断地排出地下水，否则矿洞就会被淹没。其它的矿场如铁矿也是同理，往地下开掘的矿洞往往都需要强大的排水装置。

利用人力、畜力或风力来排水毕竟低效，于是萨弗里的蒸汽泵在煤矿大有市场。事实上蒸汽泵的效率也不高，因为使用过程中需要反复加热缸体然后洒水降温，燃料消耗很大。不过在煤矿里倒是正好可以就地取材，直接燃烧煤矿石来产出水蒸汽，所以萨弗里的蒸汽泵在煤矿得到了推广。

当然，这种水泵无法超过大气压的极限，也就是说，它不可能把水抽到10米以上的地方。实际使用时可能有效高度只有6、7米。随着英国煤矿的不断开发，煤矿越挖越深，远远超过10米的矿井比比皆是，这就需要在不同深度布置多台蒸汽泵，接力运作。不过萨弗里蒸汽泵也有好处，相比之后的钮可门蒸汽机或瓦特蒸汽机，萨弗里蒸汽机体积更小，容易搬动，适合灵活布置。因此在18世纪后半叶仍有一定市场。

另外值得一提的是，萨弗里取得了蒸汽机的专利，当时也正好是英国的专利制度趋于健全的时期。1624年英国《反垄断法》确立了专利权，但一开始管辖范围还比较模糊，主要是针对商品的专营权。而到了1690年，洛克在《政府论》中提出“知识产权”的概念，把知识本身也明确纳入了保护。萨弗里的蒸汽泵就得到了专利保护，之后钮可门在世的时候一直都要给萨弗里交专利费。专利制度限制了技术的复制，保证发明家赚到第一桶金，激励了更多人积极投入发明创新之中，整个18世纪，发明家们前赴后继地对蒸汽机发起改进。

钮可门在1712年综合了帕潘和萨弗里的技术，发明了钮可门蒸汽机。充满蒸汽的汽缸冷却后并不是直接用于抽水，而是去抽拉活塞，再让活塞连接机械装置去驱动机械抽水机。另外，通过阀门控制，钮可门蒸汽机通过向汽缸内部（而非外壁）喷洒冷水来让蒸汽冷凝，从而节省了一定的热量消耗。

钮可门蒸汽机的商业化也比较成功，在1733年已经有大约125台蒸汽机在矿场运作。这些布置在矿场的蒸汽机都非常庞大，但钮可门蒸汽机还有许多供教学和实验使用的模型机，这些实验器具的流行给瓦特的改进创造了机会。

【管道还需修正】

2.瓦特改良蒸汽机

詹姆斯·瓦特（1736-1819）是工业革命的代表人物，他出生于一个工匠家庭，他的祖父和父亲都从事造船业，包括航海仪器维修，在自家后院开设了工坊。

但到了这个时代，“工匠家庭”早已不再意味着“社会底层”，事实上，瓦特的祖父声望颇高，做了当地的市政官和参议员。瓦特的母亲则出身于传统的书香门第。可以说瓦特出身于富裕和优渥的家庭环境。

瓦特有几个哥哥姐姐，但都夭折了，幸存的小瓦特备受呵护。瓦特小时候也体弱多病，因此没有被送去正规学校，而是被送到母亲娘家去接受教育，受到了良好的数学和文法训练。稍大一些后，瓦特也去上过文法学校，但他更喜欢数学和做手工。他经常在父亲的工坊里玩耍和学习。相比做学问，瓦特显然更喜欢摆弄仪器。

到瓦特18岁时，母亲去世了，父亲的健康也每况愈下，他尝试自力更生，只身前往伦敦，学了一年仪器制造。

文艺复兴以来，工匠行会形成了一整套培养机制，年轻的工匠需要做够一定时期的“学徒”才能出师，才能被行会允许经营自己的工坊。而瓦特主要靠自学成才，学徒资历不够，所以在伦敦四处碰壁、创业未果。

最后瓦特回到了家乡格拉斯哥谋生，此时恰巧遇到了一场机缘。当时格拉斯哥大学受到了一批捐赠，包含许多天文仪器，但其中不少仪器有损坏，格拉斯哥大学无法修理，通常它们需要被运送到其它大城市找专业的工匠修理，一来一回大费周章。但有人提议不妨让本地的瓦特先试试看，大不了修不好再运出去。而瓦特也非常争气，完美完成了维修任务。因此受到了格拉斯哥大学若干知名教授（包括化学家布莱克、经济学家亚当·斯密）的举荐，被允许在格拉斯哥大学开设一间仪器维修工坊（1757年）。

如此，瓦特获得了一份不错的工作，不过他并没有安于现状，而是借助他常驻大学校内的条件，在大学里广交朋友。

瓦特与父亲的通信证明了瓦特的交友热情，他的父亲希望他胜任维修工坊的工作，于是把自家工坊的许多工具都邮寄给瓦特。瓦特回信说：不要再寄工具了，请寄给我“六个中国下午茶茶杯，一个石制茶壶，一个不要太小的糖盒和一个便盆，越快越好”。显然，整套茶具和大号糖盒都是用于招待客人。

瓦特的朋友罗比森后来回忆：爱好科学的年轻人经常去瓦特的客厅聚集，交流各自的难题，而瓦特总能给出帮助。

瓦特的交际也不限于讨论科学，他还尝试创业，在1759年，他开始和克雷格合伙经营乐器和玩具，直至1765年克雷格去世。

在格拉斯哥大学里，当年的引荐人之一，布莱克教授，成了瓦特的良师益友。布莱克钻研化学，化学也成为瓦特毕生的兴趣。瓦特特别关注“水的组成”，在当时，化学与物理学的界限其实并不清晰，水的气化和水蒸气的冷凝，在今天看来当然属于物理现象，不过在当时也被认作是化学的课题。瓦特认为“热”也是一种物质，热这种物质与水之间的化合与分离，导致了水的气化和冷凝。

这种观点在现在看来当然是错误的，不过这些研究促使瓦特对气化与冷凝过程中热的损耗问题特别关注，而这一关注点也成为瓦特随后改良蒸汽机的切入点。

瓦特早就听说过蒸汽机，但一直没有见到实物，直到1763年格拉斯哥大学收到了一台有待维修的纽可门蒸汽机教学模型，终于给了瓦特近距离研究考察的机会。

瓦特注意到纽可门蒸汽机的运转伴随着大量“热”的损耗，他相信减少无谓的热损耗可以增加机器的效率，于是就针对蒸汽的冷凝过程进行改良。他增加了独立的冷凝器，只要开启阀门让冷凝汽缸与充满蒸汽的动力汽缸打通，就可以让蒸汽冷凝。但在阀门关闭时，冷凝器相对独立，这样就不需要让汽缸壁被反复加热和冷却，而是可以保持连接活塞的动力汽缸始终是热的，而冷凝汽缸始终是冷的，大大减少了能量损耗。他在1765年取得了这一关键突破，并在1769年取得了专利。

现在看来，瓦特对“热”的理解是错误的，他更没有任何“热力学”方面的理论储备，他对蒸汽机的改良显然并非“科学的应用”。但是，必须承认瓦特的工作与“科学”确实有着千丝万缕的联系。首先，一个工匠能够获得良好的数学和文化教育，受到学者的认同与接纳，与科学家和大学生平等交流，这样的文化氛围本身就是科学革命的成果之一；其次，实验科学的普及带来仪器产业繁荣，也给了瓦特立身的基础；最后，瓦特的改良并非碰巧成功，而是经过了许多实验，定量计算出损耗和效率，这种实验方法和计算观念也是科学革命的成果。

瓦特的贡献并不是从零发明蒸汽机，而是在现有蒸汽机的基础上改良其“功率”，这一事实反而更加凸显他作为工业革命标志人物的象征意义。因为这种由定量实验科学指导下的有计划的对效率的改良，是古代工匠传统中极为罕见的。当我们说“提升效率”的时候，我们就需要精确定义某些“量”，然后设计精确实验加以测量，借助数学算式加以衡量和对比，才能够明确地朝向“提升效率”而努力。

古代人也有力量（Power）的概念，但缺乏精确测量和计算它的方法，而瓦特的成就在于用数学和实验来提升机器的力量。后世科学家以“瓦特”作为功率（Power）的单位，以示纪念。

3.月光社

好的创意不一定总能变成成功的商品，瓦特在小型模型机上验证了自己的发明，但生产大尺寸的实用蒸汽机并不容易。瓦特取得专利之后，找到了在化学工业小有成就的罗巴克合伙成立公司，生产蒸汽机。但因为活塞和汽缸的加工工艺不到位，生产遇到挫折，最终导致公司破产。

瓦特和罗巴克破产之后，瓦特的专利被用于清偿债务，有些债主选择拿现金补偿，但有一位大债主博尔顿选择了拿专利抵债。本来瓦特的专利将于1775年到期，而博尔顿游说议会，把专利延期到1800年，

当时博尔顿已和瓦特结识，他更看重瓦特的才能，所以不但取得专利，还和瓦特合伙成立了“博尔顿—瓦特公司”。让瓦特在博尔顿支持下进一步改良蒸汽机，

博尔顿也引入了先进的制造工艺，成功投产，扩大销售。

博尔顿的销售策略也十分高明——当时钮可门蒸汽机早已在矿场流行，在庞大的机器能够正常使用的情况下，很难说服一个矿场主推倒重来，更换一台尚不知究竟的全新机器。所以博尔顿—瓦特公司最初的销售策略是“免费”改装。针对已经布置了钮可门蒸汽机的矿场，公司提供免费的上门服务，现场改装，增加独立的冷凝器，然后矿场主只需要从未来节省下来的煤炭按照一定比例分期支付利润即可。这样一来，立刻就打消了矿场主的顾虑，不装白不装，于是瓦特蒸汽机就迅速打开局面，名利双收了。

博尔顿是一个成功的企业家，在当时靠制造金属小工艺品发家。更重要的是，他交际面非常广，和政界、商界和学界人士都有交情。作为业余的科学爱好者，他发起并主持了当时最重要的科学社团——月光社。

月光社因每逢满月聚会而得名，成员包括博尔顿、伊拉斯谟·达尔文（写《物种起源》的查尔斯·达尔文的祖父，作家，博物学家）、维特赫斯特（机械发明家）、富兰克林（美国国父，电学家）、威廉·斯莫尔（医生，曾教导过杰斐逊）、韦奇伍德（瓷器大亨，与达尔文家多次联姻，查尔斯·达尔文是其外孙兼孙女婿）、埃奇沃思（机械发明家）、托马斯·戴（作家，废奴主义者）、普里斯特利（化学家）、斯多克斯（药学家、植物收藏家）等等。

月光社最初起源于博尔顿和达尔文的“朋友圈”，他们两个经常聚在一起高谈阔论，有时也邀请其他学者加入。1765年斯莫尔加入了这个圈子，并引介了更多朋友，从此月光社固定每月聚会。

聚会通常就在达尔文的家中，家中会准备丰富的美酒佳肴，畅饮畅谈，有时会去车间摆弄各种仪器，一般是从中午到晚上，聊到兴起时干脆在达尔文家过夜。

瓦特取得蒸汽机冷凝器专利之后，就通过朋友罗比森和斯莫尔等人的介绍参与过月光社聚会，受到了达尔文和博尔顿的赏识。1767年，达尔文写信给瓦特，指出他的蒸汽机事业可能存在“执行上的困难”，邀请瓦特再去聚会，多一些交流和讨论。博尔顿也给瓦特提供了一些赞助，不过没有倾力相助，直到瓦特碰壁，才招揽瓦特重启事业。

1775年，斯莫尔英年早逝，再加上同年爆发的美国独立战争在朋友之间凸显出针锋相对的政治立场，朋友圈濒临崩溃，这时候博尔顿等人把这个朋友圈正规化，变成一个章程明确的社团，从而保证了聚会的延续，吸引更多不同行业和不同政治立场的人参与进来，瓦特在后期也是月光社的骨干。直到博尔顿去世，月光社失去了主心骨，虽然还维持了一段时期，但逐渐衰落，最后解散了。

月光社及其朋友圈为瓦特蒸汽机的成功生产提供了直接帮助，除了博尔顿带来资金和工匠团队之外，用以计量燃煤消耗以便收取提成的仪表最早由月光社的元老维特赫斯特开发，生产汽缸的镗床由威尔金森在1775年改良，威尔金森是普里斯特利的大舅子，他们都参与月光社的活动。

月光社把“商人与学者平等交流”视为立社宗旨之一，重视开发科学成果的商业效益，这体现出那个时代科学、技术、政治与商业的密切关系，不同领域的杰出人士汇聚在一起，擦出的火花最终点燃了新的时代。

塑造“工业革命”的重要发明当然远不止蒸汽机，纺织机、铁路、化学工业等等，都是工业革命的主题。不过瓦特确实是时代的缩影，这几节的内容都是围绕瓦特，但也能够反映出工业革命时代的新面貌。

小结 合作

上一章我们就说过，离群索居、孤独怪癖并不是科学家的常态，科学家们也会走进社会，闪耀光彩。科学与社会的关系也并不止是科学单向地照亮社会，在另一方面，技术、政治和商业等领域也会反过来影响科学。在工业革命前后，科学、技术、政治、商业等不同社会角色形成了良性互动的氛围，来自不同背景的人交流合作，产生了一加一大于二的效果。

许多科普作品之所以更喜欢渲染科学家孤军奋战、遗世独立的形象，可能是潜意识里觉得科学家与别人“拉帮结派”、“勾勾搭搭”是坏事。但事实上，孤军奋战的科学家固然伟大，但如果他能够交到更多朋友，难道不是更美好的事情吗？

当然，朋友有好有坏，孔子说过：“益者三友，损者三友。友直，友谅，友多闻，益矣。友便辟，友善柔，友便佞，损矣。”什么意思呢？就是说和正直的人、诚信的人、博学的人交朋友，是有益的；而和阿谀奉承爱拍马屁的人、表面一套背后一套的人、花言巧语爱忽悠的人交朋友，是有害的。

同样是科学、技术与政治、商业的联合，如果各方都不够正直、不讲诚信，只想钻空子走邪道，那么就可能变成官商勾结、权钱交易，搞出许多黑幕。这种“合作”当然是有害的。

在良性的互动关系中，不同背景的参与者是平等的，他们互相尊重，没有谁需要巴结和讨好别人，没有谁单方面居高临下地去指导别人，当然也不是毫无主见地随波逐流。每个人都闪耀个性，在朋友间发光发热。朋友之间共同合作可以是为了追求真理，当然也可以是为了创业致富，这并没有什么丢人的，只要大家都保持正直和诚信，那么合作总是能有益于各方，乃至有益于世界的。