蒸汽机一响,黄金万两

丁舟 2019-12-0823:24:21 评论 4,793 views

第四章  工业文明

蒸汽机一响,黄金万两

1829年英国工程师斯蒂芬森制造的火箭号蒸汽机车

系列《言必称希腊还是中国》之4.1

现在中国经济高速增长,对煤炭的需求量大增,由于各种原因,造成矿难频发;同时,部分矿工的贫困生活与部分煤老板的炫富行为形成强烈对比。矿难不断成为难隐的顽疾,贫富不均引发广泛的讨论。各种媒体对每次大事故均有连续报道,靓丽的生产总值抹上了一道血色。资源类财富分配不合理,也造成了新的社会问题。总有人拿现在的欧美作对比,其实欧美早年也是如此。

人类很早就发现煤炭的热值较高,但是上天容易入地难,煤炭大多深埋地下,开采不易,爆炸、透水、塌方都难以避免。受惠于古罗马的发明,欧洲的采矿技术一直保持较高水平。在暴利驱使下,人们对金银矿的热情很高,而对煤矿则态度一般。因为通过人力大规模换取煤炭的过程在经济上并不划算,煤炭作为燃料也不如木材实用方便。

英国的工商业发展至18世纪,对于规模化生产提出了更高的要求。由于传统手工作坊的生产方式难以满足海外市场的巨大需求,一系列技术进步和生产管理模式创新在纺织业率先展开。纺织业最早实现了规模化大生产,其中的关键是动力纺织机对传统纺织工具的逐步替代。不只是纺织业,更重要的还有冶金业,延伸至军工业。问题随之而来,能源开发及能量高效转化,成为摆在所有工程技术人员面前的难题。很多人都清楚,一旦成功,将前途无量。但木材的增量供应难度太大,水力经常是远水解不了近渴,石油还是将来的故事,所以储量丰富的煤炭成为了当时的首选。怎么才能提高煤炭产量呢?怎么才能解决复杂机械运动和持续能量供应的脱节问题呢?

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一款改进后的珍妮纺纱机(约1770年)。

当时欧洲对于气压的作用已经有了一定了解,各种小型设备如空气泵、蒸煮器(现代高压锅的前身)已经推广使用。制造一种大机器,利用气压变化,产生动力排水挖矿的想法开始付诸实践。要使气压变化,首先要给机器提供能量,这就要用到煤炭。烧煤是为了挖煤,只要挖出的煤炭价值大于消耗的煤炭价值及其他成本之和,就是一件有利可图的事情。经过多人试验后,1712年,英国铁器商人纽科门发明出第一台实用蒸汽机,用在采煤上。当然,为了便于蒸汽机快速冷却,煤矿附近必须要有充足的水源。纽科门式蒸汽机热效率很低,使用上受到诸多限制,如何改进的问题又留给了后人,工程师瓦特就是其中的佼佼者。

瓦特(1736~1819)是学徒出身,大半辈子只专注做一件事:改进蒸汽机,提高热效率。经过不懈努力,瓦特于1782年设计出双向汽缸外加冷凝器的蒸汽机,使热效率成倍提高,后来又做出多项技术改进。这是一种具有代表性的机型,它的诞生摆脱了此前蒸汽机必须靠近水源的限制,得到迅速推广,将工业革命推向高潮。从此,人力、畜力、风力、水力都可以被蒸汽机替代,大规模工业生产成为可能。采矿、冶金、纺织等行业的生产能力成倍增长,技术水平也相应提高。尤其是钢铁产量大增,影响深远。

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瓦特

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1785年,瓦特制造的一款具有外部冷凝器、齿轮联动、双向汽缸等多项专利的蒸汽机。齿轮联动装置,将活塞的往返直线运动转变为齿轮的旋转运动。

瓦特因为改进蒸汽机,不仅获得物质财富,还获得多种社会荣誉,受到世人尊重,死后更是声誉日隆。后来人们把常用的功率单位定为瓦特,以纪念这位伟大的发明家。

瓦特的故事如果孤立看待,不外乎用聪明、好学、刻苦等溢美之词来描述。他本人受教育程度不高,超不出技术工人的范畴,最多算是名工程师。就是这样一个从社会下层成长起来的小人物,成为引发工业革命的标志性人物。为什么是他,而不是国王、教皇、将军,或者思想家、艺术家、科学家呢?

蒸汽机的发明看似纯粹出于生产目的,而且就是为了挖煤,但它并非闭门造车的产物。它从诞生到成熟不仅与生产实践紧密相连,同时受到市场的检验和全社会的眷顾。以瓦特为例,凭他本人和家庭的财力,根本无法维持前期十几年高昂的制造和试验费用。瓦特的祖父、父亲都是技术工人,瓦特受家庭熏陶练就过硬的技能,并凭借聪明勤奋,吸引了多位比较富有的企业家和制造商先后投资,以期成功后通过制造销售蒸汽机能分得巨大利润。而当时的英国有全欧洲最完备的专利保护制度,可以在一定年限内保障发明人的权利,同时也保障投资人的权利。另外,政府很多部门,尤其是军队,也经常公开重金悬赏解决各种难题的方案,鼓励民间技术创新。

仅有需求和投资还不够,搞发明必须要有一些灵感。除了经验上的厚积薄发,瓦特的灵感一部分来源于科学知识。瓦特曾在一所大学里开设商店,出售自制的数学仪器,因此结识了科学家布莱克,并向他学习了很多热力学知识。布莱克鼓励瓦特对纽科门式蒸汽机进行改进,并为他提供贷款。瓦特还在投资人博尔顿的介绍下参加当地的科学社团,经常与科学家、工程师、学者以及科学爱好者交流,汲取营养,实现了技术与科学的结合。蒸汽机的发明过程中,英国皇家学会的大背景作用值得一提。

英国皇家学会于1660年正式成立,由多个小型学会合并而成,初期主要成员由清教徒同情者和培根的信徒组成。它是一个高度自治、独立的社会团体,并得到王室支持。在制定章程、吸纳会员时,不需要受制于任何部门。后来,学会与政府的关系也非常密切,政府为之提供财政资助。皇家学会推崇科学精神,注重言论自由,其宣言是“不随他人之言(Nullius in verba,拉丁文)”,牛顿、哈雷等人都曾是会员。当时的会员没有薪金,会员身份也很复杂,并不全是科学家,有时能够入选也是一种荣誉的象征。后来皇家学会慢慢转变成纯粹的学术机构,还有一些下属和分支机构,对各种科学发现和问题进行宣布、讨论、评议。瓦特因改进蒸汽机的重大贡献,于1785被选为会员。获得荣誉是一种肯定,但其中的关系是皇家学会的科学精英们为蒸汽机等新发明提供思想动力,蒸汽机才能为社会生产提供机械动力,尽管这种关联在初期看上去并不显著。

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表现19世纪英国皇家学会举行会议的版画。

随着英国影响力的扩大,很多英属殖民地国家也陆续建立了类似英国皇家学会的组织,其中就有后来的科学强国美国。不过就像法律体系有英美法系和大陆法系、度量衡有英制和公制一样,科学机构还有另一种形式。17世纪时,科学研究是一种社会新时尚。这种能够为国争光的智力游戏也得到很多欧洲大陆开明专制君主的青睐和支持。国家拨发专款建立各种科学组织,最高权威就是各国的科学院,院士享有津贴。与松散的英国皇家学会有很多不同,这些欧洲大陆国家更偏重于集中力量搞科研,甚至在名义上,就是为国王服务的。同文学家、思想家把作品献给国王一样,科学家也把成果献给国王。新的发现会在上流社会引起轰动,大科学家备受推崇。尽管各国的政治关系经常不睦,两类科学机构也有不同,但科学的魅力却促使各国的科学家组成松散的科学共同体,保持交流,互通有无,共同进步。

蒸汽机可以视为证明英国社会升级的标志物,反映出当时英国众多方面,包括生产、技术、军事、商业、金融、政治、法律、教育、科学等等均有一定优势。这首先要归功于英国独特的地理优势——由于安全成本支出较少,令社会投入可以更多地涌向工商业;而对外军事行动获益又较大,所以比欧洲大陆国家更能占得先机。最终,多种优势共同作用,毕其功于一役,创造出一项石破天惊的技术发明。当这个靠化石能源连续运转的家伙一登上人类舞台,立刻就展现出非凡的力量。

由于蒸汽机无可比拟的性能,更多的人开始思考和尝试拓展它的使用范围,除了生产,主要用于交通。美国人富尔顿(1765~1815)于1807年8月在哈得孙河上试航了蒸汽机轮船克莱蒙特号,取得成功后于9月开通纽约与奥尔巴尼之间的定期航线。英国人斯蒂芬森(1781~1848)制造的火箭号机车在1829年的一场比赛中胜出,并于次年被用于利物浦至曼彻斯特的商业运营。轮船和火车的出现是交通史上的重要里程碑。用时减少,等同于距离缩短,从此具有悠久历史的帆船和马车再也无法摆脱被淘汰的命运了。

瓦特、富尔顿、斯蒂芬森并不孤单,他们都是一个庞大群体中的突出贡献者。他们都不是所在领域技术的最早发明者,但都是重要的改进者。一项新技术成功的关键是能否进入商业领域,或者在生产和军事中得到广泛应用。新技术必须从雏形技术进步到成熟技术,否则只能在试验场里自娱自乐,耗费财物。

新技术带来新动力的同时,也颠覆了很多旧观念、旧产业。对此不了解的人百态丛生:先是嘲笑,继而恐慌,进而造谣、反对。富尔顿因为经常试验失败,他的汽船曾被称为“富尔顿的蠢物”。火车经过之处,就有谣言说奶牛不产奶、母鸡不下蛋。但事实胜于争辩,高效必然取代低效。汽船劈波踏浪,能溯流而上;火车多拉快跑,能风雨无阻。这些优点对于商人而言就是利益,对于国家而言就是实力。

由蒸汽机引发的工业革命,不单是机器代替人工这么简单。在大幅提高劳动生产率的同时,必然会促进各项社会变革。很多人摆脱了重体力劳动,人类的另一半妇女也开始争取新权利。这种人的解放,只有将农业文明和工业文明进行对比,才能看到。英国社会的面貌因此焕然一新,政治成果得到巩固,没有重蹈古希腊雅典等城邦的覆辙。

工业文明在欧洲出现后,充满力量的同时不可能温文尔雅,对内血腥,对外更血腥,强势横扫全球,其他地区再也没有机会证明自己能否独立孕育出工业文明。与农业文明表现出的多地起源不同,工业文明只有一个源头。至于为什么会这样,仁者见仁,智者见智。考虑到科学与工业文明的紧密关系,不难发现二者的诞生过程也有高度的相似性。牛顿不可能独自实现科学革命,英国也不可能在孤立状态下催生工业文明。所以如果放宽视野,把它们都看做是全人类长期发展、共同努力的结果也无不可,就像最初某种生物的孕育只能诞生于一点,不可能遍地开花一样。不过由于欧亚大陆、欧洲、英国对工业文明的贡献逐级增大,所以贡献度的差异决定了早期的利益分配格局。当欧洲浓烟滚滚、机声隆隆的时候,其他地区依然生活在低污染、低噪音、慢节奏的农业社会里,只是宁静即将结束。

1842年6月,犹豫再三的维多利亚女王,终于决定不乘马车,第一次乘火车去旅行。中国有句俗话:要想跑得快,全凭车头带,女王的示范作用为新技术推广扫清了障碍。而英国作为工业革命的火车头,为便于扩张和掠夺,获取更大的利益,也要扫清它自认的各种障碍。同年8月,因鸦片战争,英中签订《南京条约》,这只是一个开始。因为工业文明的触角一旦进入军事领域,先行一步的地区富国强兵的美梦就能成真,必然成为落后地区挥之不去的阶段性噩梦。当大航海时代来临的时候,中国还可以闭关自守,而当工业文明来临的时候,中国已经无处躲藏。

丁舟

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