第4章 瓦特的蒸汽机

富兰克林驯服了闪电，瓦特则驯服了蒸汽……现在还不知道蒸汽机沦落为电的附庸需要多长时间。

——安德鲁·卡内基（1913）【47】

如果说富兰克林通过电力的普遍生产与广泛应用为世界的发展奠定了第一块基石，那么我们也可以说，詹姆斯·瓦特在工业革命期间完善蒸汽机技术的行为为人类的进步铺设了第二块基石。

乍一看，电和蒸汽似乎毫无关系。可以说，科学与技术各自的舞步真的令人难以捉摸，只有纵览历史，才可以看出两者之间高度的契合性。这种契合性在两个方面表现得最为明显。一个方面是，在全世界的电力生产过程中，第一个步骤大多是通过燃烧煤炭、天然气等燃料或者利用核反应中产生的热量来制造蒸汽。然后，利用这些蒸汽驱动涡轮机，使磁体在线圈中旋转，进而产生电，也就是富兰克林“看到”的电子“流”（后来，迈克尔·法拉第证实富兰克林没有看错）。

另一个方面是，蒸汽机大量出现在工厂中，不可避免地将工厂与机械动力的应用紧密地联系在一起，也为电动机的应用提供了同样广阔的舞台。这一转变标志着工业革命的开始。如果制造商不热衷于蒸汽机的机械动力，电动机可能就不会有取代古老动力系统的机会，人类也将无法获得电动机带来的巨大经济效益。

更广泛地说，蒸汽发电是一项技术，为我们提供了技术变革的早期范本。由于技术变革是解决现代社会几乎所有问题的一个手段，因此我们有必要研究这个范本——一部由毅力、合作、专利和生产力共同演绎的蒸汽机技术发展史。

坚毅的匠人

在詹姆斯·瓦特去世多年之后，他的孙女婿詹姆斯·吉布森（James Gibson）博士给自己的岳父写了一封信，描述了瓦特早年沉迷于蒸汽研究的传奇故事。童年的瓦特体弱多病，为了让他变得健康，家人将他送到了农村。吉布森写道：“吃饭时，长辈们发现瓦特坐在客厅的壁炉旁，手里拿着一个盘子……他把盘子伸向从装着沸腾茶水的水壶嘴冒出的蒸汽，然后认真地观察蒸汽接触冷冰冰的盘子后冷凝成水时盘子与壶嘴之间的距离。”吉布森怀疑这可能是瓦特“第一次见识到蒸汽的力量和灵活性”。瓦特在自己的实验笔记里也记录了他如何利用茶壶来研究潜热背后的科学原理，并因此取得他人生的第一个重大科学发现。我们也许不能断言瓦特走上创新之路与他童年时期的这段经历有着不可分割的关系，但他天生的好奇心、耐心的观察，以及对精确测量的浓厚兴趣，对他的科学研究来说大有裨益。【48】

1736年，詹姆斯·瓦特出生于苏格兰的格里诺克，并在那里度过了无忧无虑的童年。他的父亲是一名成功的商人、造船工人和木匠，因能制造精密测量所需的机械仪器而在当地小有名气。瓦特最先表现出来的是他超常的数学能力，他的阅读面也非常广，还可以在工作台上制作水泵和滑轮等机械装置的模型。1753年，瓦特遭遇了两大困境，先是他的母亲去世了，之后他父亲的财富又大幅缩水。家庭的经济损失使得瓦特急需一份工作，于是他把目光投到了数学仪器制造这个生计上。第二年，瓦特搬到格拉斯哥，成为约翰·安德森（John Anderson）和罗伯特·迪克（Robert Dick）的学生。这两个人都是格拉斯哥大学的自然哲学教授。1755年，瓦特前往伦敦，寻找短期学徒工作。数学仪器制造商约翰·摩根（John Morgan）为他提供了一年的学徒期。1756年，20岁的瓦特回到格拉斯哥。因为他没有达到7年的学徒期，所以格拉斯哥的行业保护协会不同意他从事仪器制造工作，但是格拉斯哥大学允许他这样做。当时，这所大学大家云集，经济学家亚当·斯密和化学家约瑟夫·布莱克（Joseph Black）都在这里任职。格拉斯哥大学为瓦特提供了一个专门的工作室，让他从事仪器制造工作。从此，发明创造的大门向他敞开了。【49】

一名仪器制造人员是如何成为世界知名的发明家和科学家的呢？要回答这个问题，先得从科学与瓦特终生从事的仪器制造工作之间的联系谈起。仪器制造人员是科学革命背后的“无名英雄”，所有领域的科学家都离不开这些“工匠”提供的工具。气象学家需要气压计，化学家需要实验分析工具，外科医生需要钳子和医疗设备。牛顿深入研究各种关系的测量和量化，并引发了科学革命，而仪器制造人员是测量数据精确度的重要保证。从本质上说，仪器制造人员提供的尖端设备是推动科学技术迅猛发展的重要因素。【50】

格拉斯哥大学有一个蒸汽机模型需要修复。这个模型非常珍贵，是早期发明家托马斯·纽科门（Thomas Newcomen）设计的。1764年，约翰·安德森教授请瓦特完成它的修复工作。这台蒸汽机的结构非常简单：蒸汽被注入汽缸之后，就会推动活塞向上运动；蒸汽冷却后，活塞就会下落。活塞上下运动时，活塞杆也会随之上下运动，完成做功冲程。这台蒸汽机的常规用途是从矿井中泵水，煤矿井和其他矿井的排水需要，对蒸汽机技术改进提出了要求。正是这些改善采矿技术以充分开采矿藏的努力，使得工业革命在英国爆发，随后又向世界各地蔓延。

瓦特发现，纽科门蒸汽机的效率非常低。想让活塞上下运动做功，需要燃烧大量的煤才能产生足够多的蒸汽。瓦特亲手做了一些实验，结果发现了约瑟夫·布莱克的潜热理论。布莱克和瓦特各自发现，刚开始给水加热时，热量会促使水的温度升高，我们每次烧水时也都可以观察到这个结果。然而，水温升高的情况与人们的预想并不相同。一旦温度达到212华氏度（100摄氏度），即水的沸点，水温就会保持不变。与此同时，水会变成蒸汽。作用于水并促使水温升高的那部分热量被称为“显热”，而将水以及其他液体转化为蒸汽等气态的那部分热量叫作“潜热”。布莱克之所以称其为“潜热”，是因为我们无法测量这些热量的温度。瓦特断定，纽科门蒸汽机汽缸里的蒸汽在每个冲程都会冷凝或者冷却，导致潜热流失，从而降低了蒸汽机的效率。【51】

瓦特设计了一个独立冷凝器，实现了重大突破。为了保持蒸汽机汽缸的温度，他打算把蒸汽抽到另一个独立容器中，让蒸汽在那里冷凝成水。瓦特在独立冷凝器中制造了一个真空环境，这样一来，蒸汽就会从汽缸涌进冷凝器，并在那里冷却，而汽缸的温度不会降低。1796年，约翰·罗比森（John Robison）教授在一次演讲中指出，瓦特之所以能够实现这个重大突破，是因为他综合运用了自己的多项天赋。罗比森说，在参观瓦特的仪器制造工作室时，“那些精致的仪器让我大开眼界……接下来，我看到瓦特变成了一名工匠，这没有出乎我的意料。但是之后，我却惊奇地发现，他还是一位哲学家。”罗比森接着说道，“他的双手把一切都变成了科学。”在瓦特眼中，科学本就是水到渠成的事情，但财富却难以掌控。【52】

改良蒸汽机

发明家往往需要找到外部投资者将他们的发明转化为商业上的成功。瓦特既不是第一个，也不是最后一个有这种需求的发明家。把蒸汽机模型变成可以真正从矿井中泵水的全尺寸发动机，还需要做大量的工作。瓦特的良师益友约瑟夫·布莱克再次向他伸出了援助之手。刚开始布莱克是自掏腰包，后来又把瓦特介绍给潜在的投资者约翰·罗巴克（John Roebuck），帮助瓦特的研究顺利地进入了下一个阶段。当时，罗巴克的煤矿遭遇了严重的井下积水问题，而纽科门蒸汽机的泵水效率十分低下，无法解决这个问题。【53】

罗巴克在苏格兰中部低地的沿海城镇拜罗斯托尼斯附近拥有一个名叫金尼尔的庄园，他允许瓦特在这个庄园里制造全尺寸蒸汽机。但到了最后关头，罗巴克却没有办法继续为瓦特提供经济支持。1766年，在前进道路上屡遭挫折的瓦特被迫出售了自己的仪器制造工作室，并开始从事测绘工作，来维持全家人的生计。在此期间，瓦特认识了马修·博尔顿（Matthew Boulton）。当时，博尔顿在英国伯明翰市郊的索霍区创办了第一家大型制造工厂，已经是一位赫赫有名的成功商人。在瓦特后来取得的成就中，博尔顿发挥了至关重要的作用。【54】

1769年，瓦特取得了第一项蒸汽机专利。与其他法律一样，专利法也有其优缺点。在当代社会，我们更有可能想到拥有专利权的好处：专利是发明者的权利保证，既是一种保护，也是一种激励。但在瓦特的时代，人们对专利的看法却往往是负面的，认为专利有可能导致垄断，因此专利的数量不多。博尔顿等人建议瓦特为他的发明申请一项范围宽泛的专利，以防止其他人通过略微改动他的创意去获取不正当利益。【55】

当时的专利法导致瓦特、博尔顿跟他们的对手苦苦纠缠了30年。有人说，这是因为他们的专利客体太模糊了，受保护的对象是一个原理，而不是这个原理的应用技术。这个问题相当复杂，再一次反映了科学与技术的“舞步”的确令人难以捉摸。潜热这个全新的科学发现（或者更宽泛地说就是热力学）是否可以证明瓦特基于原理申请的这项专利是合理的呢？或者说，瓦特和博尔顿应该针对独立冷凝器这项具体技术申请专利？专利申请是否必须具体描述这项技术？如果进行了具体描述，一旦专利过期，其他人就可以利用并改良这项技术。关于是否申请以及如何申请专利的问题，人们意见不一。这给瓦特带来了无穷烦恼，也曾让塞缪尔·摩尔斯头疼不已，直到今天仍然是一个不好决断的难题。2015年，《经济学人》杂志指出：“今天的专利制度名义上是为了推动进步，实际上却为创新设置了重重障碍。”【56】

在全尺寸发动机的研发工作于1769年启动并成功申请专利之后，一系列的挫折接踵而至。时隔4年，祸不单行的惨剧在瓦特身上重演，他在关键时刻接连遭遇了两次严重的挫折。先是他的投资人约翰·罗巴克破产，导致瓦特在经济上捉襟见肘；接着，他的妻子佩吉又离开了人世，这对瓦特而言是一个沉重的打击。佩吉于1764年与瓦特结婚，9年后去世。当时瓦特37岁，他们生养的6个孩子还没有全部长大成人。

1774年，在发明独立冷凝器后的第9个年头，瓦特将他的蒸汽机搬到了博尔顿建在索霍的工厂。伯明翰是白手起家的创业者的天堂，是一个以自由创业、跻身上流社会的捷径和宗教信仰自由闻名的地方（富兰克林以及其他英属北美殖民地居民就曾受到这种自由精神的激励）。历史学家阿诺德·汤因比（Arnold Toynbee）说，当“亚当·斯密猛烈抨击企业制度时，他脑海里想到的可能是格拉斯哥行业保护协会不同意瓦特从事仪器制造工作的具体例子”。伯明翰是一个“自由城市”，这里的自由有助于他的事业得到蓬勃发展。1775年，英国政府将瓦特的专利有效期延展了24年，这让瓦特与博尔顿有了喘息的机会。【57】

随后，瓦特和博尔顿着手制造蒸汽机。他们招募了一些人手，其中包括约翰·威尔金森。威尔金森之所以被人称作“钢铁大王”，是因为他认为所有人都可以而且应该使用他制造的铁器。瓦特使用的锡质汽缸一直存在质量问题，威尔金森有一项专利技术，那就是炮筒镗床。利用这项技术，再用铁代替锡，就可以解决蒸汽机汽缸的质量问题。此外，博尔顿还招募了威廉·默多克（William Murdoch）。后来，在康沃尔郡矿区（当时制造、使用蒸汽机的主要地区），默多克成了瓦特的得力助手。没过多久，瓦特宣称：“我在这里从事的工作大获成功，也就是说，我制造的蒸汽机已经可以运转了，而且比其他蒸汽机的效率高得多。”纵观电力发展史，从其他行业借鉴创意和技能是技术进步的一个关键途径，即使在今天也是这样。【58】

瓦特是一位孜孜不倦的科学家和发明家，从未停下改进蒸汽机的步伐。作为商人，博尔顿则不停地申请专利。专利是当时政府推动技术进步的一个主要手段，这与今天政府直接为发明活动提供资金支持与税收补贴的做法明显不同。尽管如此，至少有一位投资人（博尔顿）为这项即将普及的技术提供了资金支持，推动它的发展进程。博尔顿提供给瓦特的不仅仅是经济上的支持，他的信心与远见也让瓦特受益匪浅。当罗巴克与瓦特第一次找他商讨在三个郡合作销售蒸汽机的事宜时，博尔顿没有同意，反而提出了一个非常大胆的想法：“我们要面向全世界出售各种型号的发动机。”【59】

经济影响力

瓦特的蒸汽机对工业产生了前所未有的巨大影响。1913年，在瓦特获得第一项专利的144年之后，著名的钢铁大亨安德鲁·卡内基出版了詹姆斯·瓦特的传记。卡内基最初拒绝了出版商的请求，但他后来又改变了主意。他说：“蒸汽机帮助我赚取了巨额财富，我为什么不用手中的笔，把这位蒸汽机制造者的生平记录下来呢？”鉴于这句话出自一位杰出的美国实业家之口，我们可以想见瓦特的蒸汽机对世界工业发展产生了何其深远的影响。【60】

历史学家埃里克·罗宾逊（Eric Robinson）强调说：“别忘了，人们普遍认为瓦特的蒸汽机是工业革命的关键发明。”这项发明对工业的影响范围之广同样令人吃惊，不仅促使铜矿业发生了革命性的变化，从根本上改变了棉花行业的状况，对钢铁行业也大有裨益。蒸汽机彻底消除了工厂在选址方面的局限性（例如，工厂不再需要依水而建），使规模经济得以实现。在做了进一步的改进之后，蒸汽机还被应用于火车和轮船，从而使交通状况也发生了翻天覆地的变化。【61】

卡内基在他写作的《瓦特传》中粗略计算了瓦特的经济影响力，用以说明蒸汽机对世界工业生产力的提升作用。卡内基认为，到1905年，世界上所有蒸汽机的有效功率大约为1.5亿马力，这个数字可能包括工厂和交通运输领域中的所有蒸汽机。最后，卡内基通过计算告诉我们，由于每马力相当于24个人的工作效率，因此1905年全世界的蒸汽机实现了36亿人（当时世界上成年男性人口的10倍）的工作效率。【62】

卡内基通过考虑这项发明对生产力的影响（也就是考虑一个人借助蒸汽机可以完成多少人的工作），来判断其经济影响力的做法是正确的。现代经济史学家也采用类似方法，分析并量化蒸汽机对生产力的影响，不过他们的精确度更高。此外，他们还会进一步估算生产力增长对经济增长的促进作用。在这种计算方法中，增加人口数量和机器数量会促使经济产生线性增长：如果使用相同工具的工人数量增加2%，经济产出也将增长2%。只有通过发明提高生产力，才能使一个国家居于领先地位。只有生产力增长（广义）才能让经济增速超过人口增速，从而增加人均收入，提高人们的生活水平。

尽管现代经济史学家在数据分析方面更加勤勉，但他们与卡内基观点一致，都认为瓦特的发明产生了颠覆性影响。这种影响至少可以通过两种方法来评估。第一种方法是评估它的直接影响：蒸汽机大幅降低了动力成本，蒸汽动力的使用率迅猛提高。据记载，在瓦特取得这项重大突破后的100年里，动力成本下降了近80%，蒸汽动力在美国所有动力应用中的占比高达90%，远远超过水能、风能等。【63】

第二种方法是评估它的间接影响。间接影响通常被称为“溢出效应”，其比直接影响更大，也更令人吃惊。溢出效应是指某项发明所引发的除了发明本身之外的其他变化。例如，蒸汽机制造商可以利用他们的蒸汽机技术，制造出效率更高的新型蒸汽机。斯坦福大学的经济史学家内森·罗森伯格（Nathan Rosenberg）和特拉维夫大学的曼纽尔·特杰腾伯格（Manuel Trajtenberg）指出，纺织行业就有过这样的案例。19世纪中期，乔治·柯利斯（George Corliss）对蒸汽机进行了关键的改进，使其能够精确控制动力输出，确保动力输出的均匀性。柯利斯在他的专利申请中引用了一个匹兹堡纺织品制造商出具的报告，声称“换用新型蒸汽机后，机器不会因为不规则运动而导致断线的问题，因此节省的费用与机器节省的燃煤费用差不多”。也就是说，蒸汽机不仅帮纺织品制造商节省了燃煤，还帮他们节省了线。此外，由于均匀的动力输出可以大幅降低浪费原材料的风险，因此在客户需求量有保证的前提下，一些纺织品制造商可以转而生产质量更高的纺织产品。【64】

然而，蒸汽机最引人注目的溢出效应是它彻底解决了水能利用的严重地理局限性问题。如果某个行业需要使用水能，工厂就必须靠近河流，这是一条铁律。但如果使用的是蒸汽动力，尤其是瓦特的发明大幅降低了燃煤用量，工厂选址就再也不会受到地理条件的限制了。这种新的自由还带来了其他好处，例如，在更接近用户或者技术工人密集的地区建厂。今天，历史学家认为，帮助工厂摆脱地理条件的限制将蒸汽机的发明与城市化进程联系在一起。从更宽泛的角度来看，它彰显了通用技术与经济增长之间的某种联系。【65】

瓦特留给世人的遗产

最能彰显瓦特在电学领域重要地位的东西莫过于我们每个月的电费账单。电费账单上会写明用电量，它以千瓦时（kWh）为单位。其中的大写字母W代表瓦特，它是功率的单位。

即使到了今天，蒸汽也是世界上大部分电力生产的基本原材料。这是瓦特留给我们的最显而易见的遗产。此外，瓦特还给我们留下了一个技术变革的范本。它告诉我们，把一个想法（通常是科学方面的）变成一个可应用于规模生产的成功技术，需要坚持不懈的精神。博尔顿有钱有权，这显然对瓦特的发明非常有利，但这并不是他和瓦特建立合伙关系的最主要原因。除了政治关系网和稳定的经济支持以外，博尔顿还提供了企业家所具备的前瞻性和自信心。

詹姆斯·瓦特于1819年8月19日去世，享年83岁。卡内基写道，瓦特就“安眠”在他的投资人、合伙人兼好友马修·博尔顿身旁。【66】2011年3月，当英国央行把詹姆斯·瓦特和马修·博尔顿的肖像印在新版50英镑纸钞上，并配以瓦特的蒸汽机和博尔顿在索霍的工厂图片时，英国人并不吃惊。【67】

我们知道，专利、律师和法庭都是早期科研与发明活动必须关注的重要问题。与专利有关的诉讼不是现代特有的痼疾，而是从一开始就很普遍。博尔顿和瓦特称，1698—1793年，除了瓦特本人拥有的专利以外，他们还成功地申请了与蒸汽机有关的34项专利。后来，他们说自己还拥有其他十几项专利。当有人问他们为什么拥有这么多专利时，瓦特直言不讳地回答道：“在这个雄心勃勃的时代，我想我们肯定会遭遇（专利方面的）麻烦。一个想法刚刚被提出来，就会遭到剽窃。大自然似乎对垄断十分反感，为了防止垄断，它往往会把同样的想法同时注入多个人的大脑。”在依赖蒸汽动力的工业蓬勃发展的时代，痴迷于蒸汽机的不只是瓦特一个人。【68】

在评价电力科技进步的影响力时，我们绝不能把电力成本的变化作为唯一的考量依据，还应该综合考虑各种经济手段因此发生的革命性变化。瓦特既是他那个时代的弄潮儿，又是未来时代的引领者，因为他的蒸汽机对工业生产力产生了巨大的影响。瓦特是他那个时代的弄潮儿，因为他对蒸汽机的成功改进引发了工业革命。瓦特又是未来时代的引领者，因为他的蒸汽机被广泛采用，为100多年后电动机的迅速普及创造了条件。虽然瓦特没有预见到电动机的发明，但是发明、改进电动机的迈克尔·法拉第和尼古拉·特斯拉都是瓦特科学精神的继承人。