蒸汽機(jī)為何誕生在英國？

邱銳

英國西南部維爾特郡的克羅夫頓抽水站，世界上最古老的蒸汽機(jī)仍在運(yùn)行。自1812年運(yùn)行以來，除1960年代個別時間，它一直不停地工作。英國作家查爾斯·狄更斯在名著《艱難時世》中將其形容為：“機(jī)器單調(diào)地上下擺動，像一只悲傷的大象瘋狂地晃動著頭顱?！?/p>

蒸汽機(jī)是工業(yè)革命時代的標(biāo)志性裝置。提到蒸汽機(jī)，人們同樣會聯(lián)想到著名的英國發(fā)明家詹姆斯·瓦特。上述蒸汽機(jī)正是由瓦特的公司制造、安裝的，標(biāo)號為42B——意為伯明翰博爾頓&瓦特制造廠生產(chǎn)的第二臺42英寸汽缸的蒸汽機(jī)。

準(zhǔn)確地說，瓦特并非“蒸汽機(jī)的發(fā)明者”，只是一位優(yōu)秀的“蒸汽機(jī)改良者”。如果沒有英國采礦業(yè)的急迫需求、前人的技術(shù)積累、專利保護(hù)觀念的深入人心、瓦特合作者博爾頓的商業(yè)頭腦等諸多先決條件，瓦特基本沒有可能取得被后世所給予的榮耀。蒸汽機(jī)乃至工業(yè)革命之所以發(fā)生在英國，并不是一件巧合的事情。

古希臘和古中國的蒸汽機(jī)

人類歷史上從來不缺能工巧匠。瓦特出生前1700多年，公元1世紀(jì)左右，古希臘數(shù)學(xué)家希羅就意識到了蒸汽的力量。他在位于尼羅河三角洲西部的亞歷山大博學(xué)園，發(fā)明了有文獻(xiàn)記錄以來第一部蒸汽機(jī)，這里也是歐幾里得和阿基米德曾經(jīng)工作過的地方。

這臺蒸汽機(jī)名叫汽轉(zhuǎn)球，由一個空心球，兩根附著其上、方向相反的肘形管子以及一個盛滿水的密閉鍋子組成。鍋子與空心球連通，當(dāng)其中的水被加熱到沸騰時，蒸汽進(jìn)入空心球，然后從兩根管子排出，形成反作用力，進(jìn)而推動空心球旋轉(zhuǎn)。

見過汽轉(zhuǎn)球的人，都將其視為一個奇跡，但包括希羅在內(nèi)，他們僅將其視為一個玩具而已。當(dāng)時，像希羅一樣從事研究的人只能依靠富人的資助，為了獲取資助，發(fā)明家們只能取悅富人，這臺“蒸汽機(jī)”并沒有實際用處，只能算是利用蒸汽進(jìn)行的一次好玩的嘗試。

奇妙的是，在一千多年后的中國，有人也進(jìn)行了蒸汽試驗嘗試，原理與汽轉(zhuǎn)球有異曲同工之妙。1658年，比利時傳教士南懷仁到中國傳教。約在康熙十七至十八年（1678-1679），他曾試制出一臺蒸汽動力模型車，將試驗手稿發(fā)表于1687年的德國《歐洲天文》雜志。1940年代，學(xué)者劉先洲將此翻譯回國內(nèi)，并發(fā)表在當(dāng)時介紹先進(jìn)思想的刊物《東方雜志》上。

南懷仁的蒸汽機(jī)原理，是用高速蒸汽推動齒輪旋轉(zhuǎn)，帶動車子前行，這與汽轉(zhuǎn)球類似。更像汽轉(zhuǎn)球的是，南懷仁發(fā)明蒸汽機(jī)是為了取悅康熙，并向他展示西方的科學(xué)進(jìn)展，所以這臺蒸汽機(jī)也僅是玩具而已，同樣沒有任何實用價值。

令煤礦主頭痛的問題

這臺首次出現(xiàn)在中國的蒸汽機(jī)，也并非南懷仁首創(chuàng)。早在1629年，意大利建筑家布蘭卡就發(fā)明了一種雛形的沖動式汽輪，原理是向輪子四周葉片上噴射蒸汽流，帶動輪子轉(zhuǎn)動。有學(xué)者考證，南懷仁很可能在歐洲見過布蘭卡的著作并受到啟發(fā)。

事實上，南懷仁和布蘭卡所處的17世紀(jì)，研究蒸汽、大氣壓與真空的關(guān)系正是當(dāng)時的“學(xué)術(shù)熱點”。1652年，德國物理學(xué)家奧托·格里克發(fā)明的“馬德格堡半球”。當(dāng)時，他用近似馬戲表演的方式，向包括德國皇室在內(nèi)的世人展示了即使三十多匹馬也無法戰(zhàn)勝真空的力量。

很快，人們發(fā)現(xiàn)真空能夠吸水，或許能解決令當(dāng)時采礦業(yè)者非常頭痛的問題。那時的英國，幾乎人人都能聞到濃濃的煤煙味。14世紀(jì)，英國國王愛德華一世甚至下令，采暖和冶煉金屬時禁止燃燒發(fā)煙嚴(yán)重的海運(yùn)煤。也有些煤炭的污染相對較小，那就是無煙煤或硬煤。但這種煤炭多儲藏在地下很深的地方。煤礦越深，就越容易產(chǎn)生積水，解決的辦法有兩種，費(fèi)巨資挖掘排水隧道，或使用水車帶動的排水泵。兩種方法都受到地勢的嚴(yán)重限制，比如河流的走向必須與礦山的位置一致，當(dāng)時礦主亟須一種不受地形限制的排水方法。

最新的科學(xué)發(fā)現(xiàn)，讓人們意識到了利用真空為礦井排水的可能性。1699年，世界上第一臺具有實用價值的蒸汽抽水機(jī)誕生了。機(jī)器的發(fā)明者名叫托馬斯·薩弗里，他將這臺蒸汽抽水機(jī)命名為“礦工之友”，意為幫助礦工排水。當(dāng)時，英國皇家學(xué)會如此報道這次展示活動：“薩弗里先生……以火為燃料，通過水蒸氣的收縮來真空抽水。他向?qū)W會會員展示了真空泵的運(yùn)轉(zhuǎn)過程。試驗非常成功，也令會員們非常滿意?！?/p>

這臺機(jī)器獲得了英國皇家學(xué)會的認(rèn)可，卻沒有得到礦主的認(rèn)可。機(jī)器沒有安全閥，且汽缸焊接處的熔解溫度十分接近高壓蒸汽溫度，這讓機(jī)器存在巨大的爆炸隱患；更糟糕的是，標(biāo)準(zhǔn)大氣壓環(huán)境中，水被抽取的極限高度為10米左右，故它不能安裝在礦井頂端，最多只能安裝在離礦井底部不超過25英尺，也就是7米左右的位置。

薩弗里曾在英國達(dá)特茅斯雇傭工匠，為他的蒸汽機(jī)制造模型和零件。當(dāng)?shù)匾晃幻型旭R斯·紐科門的五金商，或許受到了他的啟發(fā)，從1700年開始，紐科門開始和助手研究改進(jìn)薩弗里蒸汽抽水機(jī)的缺陷。經(jīng)十多年的研究試驗，紐科門創(chuàng)造性引入了活塞和橫梁兩個部件，部分解決了薩弗里蒸汽抽水機(jī)遇到的難題。

1712年的一天，紐科門在英國西部一個名為科尼格里的煤礦安裝了他的蒸汽機(jī)。這個煤礦經(jīng)過200多年的開采，已經(jīng)深達(dá)50多米。當(dāng)天，蒸汽機(jī)活塞每運(yùn)動一次就能抽出10加侖的水。不久之后，《倫敦公報》報道了這臺機(jī)器：“它能夠?qū)⑷魏蔚吞幍乃榈礁咛?，并且比迄今為止所使用的各種抽水方法都要更為經(jīng)濟(jì)和便捷，為礦山和公司成功解決了排水問題。”

紐科門的蒸汽機(jī)獲得了市場認(rèn)可。短短3年間，英國各地使用了100多臺紐科門蒸汽機(jī)承擔(dān)抽水任務(wù)，使得這位五金商賺得盆滿缽滿。美國科技史學(xué)者威廉·羅森，在著作《世界上最強(qiáng)大的思想——蒸汽機(jī)、產(chǎn)業(yè)革命和創(chuàng)新的故事》中評價紐科門是“開啟了蒸汽機(jī)革命的大門”。

第一部專利保護(hù)法

表面上看，17、18世紀(jì)的英國人無論是薩弗里，還是紐科門，之所以能發(fā)明出蒸汽機(jī)，是因為看到了采礦業(yè)的需求。但當(dāng)時所有國家的采礦業(yè)都面臨排水難題；此外，僅從對真空和蒸汽研究的學(xué)術(shù)角度來說，英國也并未走到其他歐洲國家的前列，早在1606年，意大利工程師詹巴蒂斯塔·德拉·波爾塔制造了一臺利用蒸汽從一個密閉容器內(nèi)抽水的裝置。為何只有英國人發(fā)明出具有實用價值的蒸汽機(jī)？

原因在于，世界上第一部現(xiàn)代意義的專利保護(hù)法，于同一時期在英國誕生，正是這部法律激發(fā)了英國人在工業(yè)革命時熱衷于沉浸在發(fā)明創(chuàng)造的熱潮里。1624年，一部名為《反壟斷法》的法規(guī)旨在限制王室隨意授予特權(quán)，對壟斷和專利權(quán)進(jìn)行了規(guī)定：只有“首個申請了法律專利并且為真正的發(fā)明者”才能獲得國王的特許加獎狀。這是世界上第一部具有現(xiàn)代意義的專利法。

不過，《反壟斷法》的出臺并未引發(fā)英國專利申請數(shù)量的井噴，直到哲學(xué)家洛克在1690年讓英國人有了“知識產(chǎn)權(quán)”概念。他在《政府論》中主張，任何自然的東西，只要加入了人類勞動，無論是體力勞動還是腦力勞動，就不再是自然物，人們也就可以宣稱對它擁有產(chǎn)權(quán)。同時，法學(xué)家們的努力讓英國人對財產(chǎn)權(quán)有了與以往不同的理解。此前，人們知道可以從黃金、土地等有形財產(chǎn)中獲取收益，而現(xiàn)在竟然也能從腦力勞動中獲取收益。觀念上的改變，激發(fā)了英國平民大眾發(fā)明創(chuàng)造、申請專利的熱情。

1698年7月25日，《反壟斷法》出臺后75年，托馬斯·薩弗里的“以火力推動汲水并為各式各樣工廠提供動力的新發(fā)明”獲得專利。該項專利也讓后續(xù)發(fā)明者紐科門連續(xù)數(shù)年必須將其收益的四分之三給予薩弗里。這一情形在當(dāng)時的大多數(shù)國家都是不可想象的。

“為全世界生產(chǎn)蒸汽機(jī)”

紐科門蒸汽機(jī)遠(yuǎn)非完美，一個缺陷，蒸汽機(jī)抽水時需要消耗大量煤炭，只能被用于煤礦附近。政府對專利的嚴(yán)格保護(hù)，激勵著人們希望通過改進(jìn)蒸汽機(jī)，取得專利來謀取利潤。瓦特就是這群人中的杰出代表。

第一臺由瓦特制造的蒸汽機(jī)，于1775年在伯明翰附近的布魯姆斯?fàn)柕旅旱V安裝成功?！恫骱矆蟆樊?dāng)時報道稱：“眾多從事科學(xué)研究工作的紳士，受到好奇心驅(qū)使，爭相去觀看如此奇特、如此有力量的機(jī)器的首次運(yùn)行盛況。機(jī)器的卓越表現(xiàn)讓他們徹底地心滿意足?！蓖咛夭⒉簧朴谏虡I(yè)活動，他說：“我寧可對著裝滿彈藥的大炮，也不愿去結(jié)算賬目或討價還價做交易?！弊屨羝麢C(jī)聲名遠(yuǎn)揚(yáng)的，則是比瓦特大8歲的英國伯明翰制造商馬修·博爾頓?？吹搅送咛卣羝麢C(jī)的潛力，博爾頓在1774年左右購買了瓦特專利的所有權(quán)，二人隨后聯(lián)合成立“博爾頓&瓦特制造廠”。

博爾頓的目標(biāo)是將蒸汽機(jī)引入各個產(chǎn)業(yè)，他放出豪言：“為全世界生產(chǎn)蒸汽機(jī)?！?783年，在博爾頓推動下，英國第一家大規(guī)模利用蒸汽動力的工廠——阿爾比恩磨坊開工，此舉被后世喻為“開創(chuàng)了蒸汽動力工廠的時代”。不久后，英國的紡織業(yè)開始由蒸汽機(jī)帶動。

專利保護(hù)制度的不斷健全，讓瓦特之后的工程師在拓展蒸汽機(jī)用途的道路上繼續(xù)前進(jìn)。1814年，英國工程師史蒂芬森集成了前任數(shù)十種專利技術(shù)，成功設(shè)計出第一臺實用的蒸汽機(jī)車，他修筑的第一條鐵路于1825年舉行了通車典禮，標(biāo)志著鐵路時代的到來。至此，蒸汽機(jī)成為了采礦、交通、紡織等幾乎所有重要產(chǎn)業(yè)的動力，英國工業(yè)革命由此展開。

值得一提的是，1792年，英國東印度公司購買了一批科學(xué)儀器，作為即將訪問中華帝國的馬戛爾尼使團(tuán)送給乾隆皇帝的禮品，其中就有從博爾頓&瓦特制造廠購買的蒸汽機(jī)模型。由于擔(dān)心被侵權(quán)，瓦特對此非常謹(jǐn)慎，猶豫很久才同意把蒸汽機(jī)模型賣給訪華使團(tuán)。他明顯想多了，這些模型機(jī)最終沒有展示給乾隆皇帝。當(dāng)時世界上最偉大的技術(shù)發(fā)明，就這樣與中國人擦肩而過，如同南懷仁試驗的蒸汽動力模型車一樣，這臺蒸汽機(jī)在中國幾乎沒有留下什么痕跡。