文/張九慶(中國科學技術發(fā)展戰(zhàn)略研究院)
關于技術進步的模式,存在著兩種不同的觀點。一種是技術革命論,技術進步來自于少數(shù)幾個發(fā)明家天才的重大發(fā)明。在技術的局部改善與原理性的重大突破中,革命性的技術更為重要,因此技術進步的歷史往往是少數(shù)幾個人的輝煌自傳史:瓦特發(fā)明了蒸汽機,愛迪生發(fā)明了電燈,貝爾發(fā)明了電話。另一種是技術進步的連續(xù)論,任何一項技術是是由多個小發(fā)明、小改進逐漸累積起來的,是一個從簡單到復雜、從單一到多樣、從量變到質變的過程,著名發(fā)明家不過是眾多發(fā)明家中的幾個突出代表。
我的觀點是,技術在不同領域和發(fā)展的不同階段表現(xiàn)是不同的,但只考察某一個時間點或者某個發(fā)明物最初形態(tài),會掩蓋許多事實。例如,近代技術的起點源于蒸汽機的發(fā)明。當人們談到蒸汽機發(fā)明時,往往只會把它與瓦特聯(lián)系起來。有一種神話般的傳說,夸大了瓦特(James Watt)在蒸汽機發(fā)明中的地位:年輕的瓦特在觀察到水蒸氣從茶壺蓋邊噴出的景象中突然得到了靈感,從而發(fā)明了蒸汽機,從此導致了工業(yè)革命的產(chǎn)生。
事實上,蒸汽機技術的發(fā)明和發(fā)展遠不是這樣簡單和神奇,到瓦特時代,技術發(fā)明家已經(jīng)在蒸汽機發(fā)明的這條道路上跋涉了很多年。瓦特之后二三十年,蒸汽機技術與瓦特時代相比也是大為不同了。
本文以蒸汽機技術的發(fā)展為例,來說明技術進步的過程。
一、瓦特以前的發(fā)明人:巴本、薩弗里、紐可門
瓦特之前的幾個重要發(fā)明家是巴本(DenisPapin)、薩弗里(Thomas Savery)、紐可門(Thomas Newcomen)。
巴本曾師從著名的荷蘭科學家惠更斯和英國科學家玻義耳學習物理學。他的第一個發(fā)明是現(xiàn)在在廚房普遍使用的壓力鍋,當時的名字是“骨頭消化器”,其原理是當水被加熱在一個封閉容器內(nèi)無法溢出時,容器內(nèi)壓力增加提高水的沸點,從而快速煮熟食品。巴本把這項發(fā)明作為邁向蒸汽機的第一步。由于政治氣候的變化,巴本不能回到法國做他的試驗,便接受了一個德國貴族的幫助,在馬伯格大學獲得一個席位。他在這里建造了一個實驗模型,對后來的蒸汽機的主要貢獻就是在設計中首次使用了活塞和氣缸。在實驗時,他先將汽缸的底部注入少量的水,再把汽缸放到火上加熱。當汽缸內(nèi)的水沸騰后,蒸汽即推動活塞慢慢上升;然后,又把火從汽缸下抽掉,汽缸內(nèi)的蒸汽即慢慢冷凝。由于蒸汽的冷凝,汽缸內(nèi)產(chǎn)生真空,在大氣壓力的推動之下,活塞又慢慢下降。通過這一實驗,使巴本認識到,利用蒸汽壓力、大氣壓力、真空的交互作用,完全可以推動汽缸內(nèi)的活塞及其活塞桿作往返的直線運動,而這種運動所產(chǎn)生的機械動力可以帶動其他機械的運動。在發(fā)明帶有活塞的蒸汽泵之后,考慮到蒸汽壓力大可能會使汽缸爆炸,巴本又發(fā)明了安全閥。1690年,巴本的發(fā)明印在一本小冊子上發(fā)表,希望更多的人來使用。但是很少人注意到他的發(fā)明,連他的贊助人也失去了興趣,他的這個實驗裝置最初用在面粉磨上,他把裝置用于輪船的設想沒有得到支持。
繼巴本之后,在近代蒸汽動力技術的發(fā)展中做出重要貢獻的是英國皇家工程部隊的機械工程師薩弗里。他把自己發(fā)明的蒸汽泵稱為“礦工之友”,其目的是幫助礦井提水。他對一個單獨的鍋爐加熱,并交替向兩個獨立的容器送入有壓力的蒸汽。當蒸汽通過汽管進入汽缸后使這部分蒸汽冷卻,而冷卻后造成的真空就把礦井中的水從吸水管中吸進來,此時再將蒸汽注入汽缸,這部分進入汽缸的蒸汽所產(chǎn)生的壓力就把水從排水管中排放出來。后來,薩弗里研究了巴本的蒸汽泵,在他的蒸汽泵中也采用了安全閥。1698年薩弗里取得了自己的發(fā)明專利。
紐可門研究了薩弗里的蒸汽泵,他認為薩弗里蒸汽泵存在著明顯的缺點。首先是熱效率太低,其次是缺乏自動性和足夠的壓力。為了避免蒸汽和水的直接接觸,紐可門在設計上作了重要革新:他不讓冷卻水直接進入汽缸,而是把冷卻水通過一個細小的龍頭向汽缸內(nèi)進行噴濺;他在薩弗里蒸汽泵中引入了巴本的活塞裝置,這樣蒸汽壓力、大氣壓力和真空即可在交互作用下推動活塞作往復式的機械運動。而這種機械運動一旦傳遞出去蒸汽泵也就成為了蒸汽機。1705年,紐可門和薩弗里合作,試制出了第一臺真正算得上是動力機的蒸汽機。這種機器的用途也是礦井排水,不過笨重、耗煤是仍它最大的缺陷。
二、瓦特的蒸汽機發(fā)明與資本
瓦特自1763年冬天開始改進紐可門蒸汽機的工作。當年格拉斯哥大學把修理一臺紐可門蒸汽機的任務交給了瓦特。在修理的過程中,瓦特深感它的不足,所以決心動手研制一種性能較好的蒸汽機。經(jīng)過一番努力,瓦特發(fā)現(xiàn)了紐可門蒸汽機效率低的原因與解決方法:既然蒸汽具有壓縮性,只要把汽缸和另一個容器相連接,讓蒸汽接入其中,就不需一再冷卻汽缸,浪費許多熱量了。瓦特緊接著設計了一個與汽缸分離的冷凝器,并在汽缸外面加了絕熱套,使汽缸保持在高溫工作狀態(tài)。1765年,一臺帶有獨立冷凝器、運作正常的蒸汽機終于誕生了。
1768年,瓦特提出了他的第一份專利申請。瓦特在新設計的蒸汽機上安裝曲軸、連桿等器件,使它更為自動化。這些重大的改進,使工廠和交通運輸?shù)确矫娑寄苁褂谜羝麢C。因此蒸汽動力的巨大潛能被逐漸地發(fā)掘了出來。
在缺乏資金的情況下,瓦特找到了第一個合伙人羅巴克。但由于瓦特精益求精,機器需要不斷地完善,不到一年里羅克經(jīng)濟狀況惡化,瓦特的發(fā)明研制暫時中斷。幸好瓦特及時得到企業(yè)家博爾頓的賞識,出資與他成立了博爾頓-瓦特公司,讓他在無后顧之憂的情況下,專心從事蒸汽機的實驗和生產(chǎn)。
瓦特天性懦弱、悲觀,在蒸汽機發(fā)明過程中經(jīng)常出現(xiàn)遲疑猶豫,甚至由于接連失敗而失去信心,這兩位投資人不僅給予經(jīng)濟上支持,而且給他熱情的鼓勵、激勵和安慰。瓦特不喜歡生意經(jīng),像很多發(fā)明人一樣只關心發(fā)明的最新改良和發(fā)展而不是發(fā)明的商業(yè)應用。正是他們對于蒸汽機的應用,對商業(yè)和工業(yè)的深邃認識,積極和自信平衡了瓦特悲觀、沮喪和膽怯性格,度過了一次次因為失敗帶來的資金困難,推動著蒸汽機的發(fā)明。博爾頓不僅幫助瓦特完成了專利,而且通過向議會游說并施加壓力,把瓦特1765年的那一份專利的有效期延長到了1800年,從中獲取了大量的專利稅。
三、蒸汽機的發(fā)展與機械加工技術
在發(fā)生第一次技術革命的英國,機床作為加工機械的主要工具,對蒸汽機、紡織機械和其他各類機械設備的發(fā)展具有巨大的推動作用。
機床技術的發(fā)展史在很大程度上依賴于少數(shù)幾位具有非凡技術能力的技師,對科學的依賴則很少。這些偉大的技師中最突出的有鏜床的發(fā)明者威爾金森(John wilkinson)、制造了生產(chǎn)防盜鎖的專用機床的布拉默(Braman)、最有才華的機床制造者莫茲利(Maudslay)、刨床制造者羅伯茨(Richard Roberts)、蒸汽錘的發(fā)明者內(nèi)史密斯(Nasmyth)和精密機床的制造者惠特沃斯(White Worth)。
威爾金森1728年出生,他的父親是一名鑄工,發(fā)明過用砂子做鑄型的工藝,也經(jīng)營過金屬加工廠,但一直未能成功。在父親的熏陶下,威爾金森成為了一名機械技師。1774年,威爾金森取得了制造鑄鐵大炮和在大炮上鉆孔新工藝的專利。威爾金森以前的鏜床是英國人斯米頓設計了為蒸汽機汽缸鏜孔的水力機械,但因加工工程中長軸容易彎曲而精度不夠,導致加工的汽缸內(nèi)孔變形為不規(guī)則的圓。1775年,威爾金森制造了一臺臥式鏜床。這種新式鏜床在與加工工件無關系的支承兩端的一根軸上裝有刀具,刀具轉動進行鏜削加工。該軸可貫通汽缸的內(nèi)部,鏜削其內(nèi)圓。通過解決了長軸變形的難題,威爾金森使得汽缸加工精細,使活塞與汽缸能嚴密合縫,明顯提高了瓦特蒸汽機的熱效率。威爾金森還提出了在鏜孔內(nèi)刻來福線的新方法。1789年,他取得了在槍膛內(nèi)刻有來福線步槍的專利,1790年又取得了在鉛管上刻線條方法的專利。
布拉默1749年出生于約克郡,學習過木工,29歲獲得了自己的第一個水洗便器的專利,從制造安全鎖開始踏上了真正的發(fā)明之路。為了改進當時的鐵鎖,他絞盡腦汁,設計并制作出一種當時任何地方都沒有使用過的性能優(yōu)異的最新式的鎖——圓形暗鎖,并在1784年取得了這種安全鎖的專利。布拉默的鎖非常暢銷,便雇用有熟練技術的機械工,18歲的機械工亨利·莫茲利來到了布拉默的工廠。
莫茲利1771年出生在考文垂,12歲開始做工,做過木工和鍛工。由于布拉默技術超群,要求嚴格,并言傳身教,使莫茲利很快就成為一名優(yōu)秀的技師,被譽為布拉默工廠里最有才能的機械工。
莫茲利對機械技術的新事物具有十分正確、敏銳的眼光。在制鎖時,莫茲利就注意到了,為了滿足需要量,如果再采用手工制鎖方式的話,其產(chǎn)量就滿足不了需要,只有借助機械,才能進行大批量生產(chǎn)。因此,他認為需要改進過去已有的機床。按照這一設想,莫茲利開始了車床的研制。1794年,他制作了刀具的自動進給裝置——進給箱。不過這時的車床是安裝在桌子上的小型車床。
莫茲利26歲的時候,因為結婚后家庭成員的增加,要求布拉默增加工資,但遭到拒絕。于是他離開了工作8年之久的布拉默工廠,自己開辦了一個新工廠。莫茲利的工廠接受了第一批訂貨,他小心謹慎地制作了尺寸正確的優(yōu)質產(chǎn)品。而且,取得了信譽,接著訂貨接踵而來。由于他技藝高強,小廠很快興旺起來,后來雇工達80名,廠越辦越大。
1797年莫茲利制造了全金屬大型車床,其目的在于用它車制尺寸準確的螺絲。這種機床通過進給箱和安裝在車床上的絲杠相嚙合而自動進給,可以加工出十分精確的螺紋。用幾個齒輪把主軸與絲桿連接起來,機器起動后,齒輪的轉動帶動了絲桿轉動,只更換大小不同的齒輪,便可改變絲桿的轉速,這樣就能自動加工出不同螺距的螺絲。因采用了齒輪的組合體,這種螺紋加工機可以多級改變絲杠的轉速,加工不同螺距的螺紋。莫茲利的高明之處在于,他發(fā)明了刀架。刀架是機床的核心,后來相繼出現(xiàn)的刨床、鉆床、鏜床等各種機床,都離不開刀架。所以,人們稱莫茲利為“車床之父”。
莫茲利不僅是一位優(yōu)秀的機械技師,還培養(yǎng)了幾位優(yōu)秀的機械技師,羅伯茨、內(nèi)思密斯、惠特沃斯等人就是他的優(yōu)秀弟子。這些人對英國機械工業(yè)的發(fā)展做出了貢獻。
四、蒸汽機技術的眾多競爭者:霍恩布洛爾、布爾、特利維西克和瓦特
瓦特的蒸汽機自然形成了壟斷,這是當時的礦主們不情愿看到的,他們鼓勵與瓦特同時代的發(fā)明家制造出新的蒸汽機。
霍恩布洛爾1778年制造了有兩個閉式氣缸的蒸汽機,第一個氣缸接受直接來自鍋爐的蒸汽,第二個氣缸容量比第一個大一倍,接受第一個氣缸排出的蒸汽?;舳鞑悸鍫柅@得了這種復式蒸汽機的專利,1781年投入實際使用。布爾設計了可以直接提升活塞桿的泵用蒸汽機,也投入了使用。不過因為這些裝備都應用了瓦特的單獨凝汽器,用戶們不得不付給瓦特專利稅。
為了擺脫瓦特的專利稅(特里維西克和布爾制造的蒸汽機,受到博爾頓的指控,一直逃稅),特里維西克把注意力轉向高壓鍋爐,發(fā)展出高壓蒸汽機??紤]到高壓的安全性,瓦特不去提升蒸汽壓力。1802年,特里維西克取得了高壓蒸汽機的專利權。1815年,特里維西克取得了柱塞桿蒸汽機的發(fā)明專利。這種蒸汽機把功率和效率都提高了很多。
與此同時,伊文思在美國,開始設計出和特里維西克類似的高壓蒸汽機。1801年伊文思在美國獲得高壓蒸汽機的發(fā)明專利。
五、科學對蒸汽機技術的作用
在蒸汽機技術的進化過程中,研究氣體的歐洲科學家已經(jīng)走在了前面。當時的科學家有托里拆利、波義耳、蓋呂薩克、居里克和惠更斯等。例如,托里拆利測定了大氣壓力,波義耳、蓋呂薩克考察了大氣壓力和體積、溫度與體積的關系,居里克和惠更斯研究了大氣壓力可以用來做功的問題。
雖然瓦特沒有上過正規(guī)的大學,但他得到了不少大學教師和朋友的幫助。進入格拉斯哥大學以后,瓦特結識了不少學者,接觸了不少科學的儀器,他的知識領域大大豐富,他的眼界也大大開拓了。當他分析紐可門蒸汽機缺陷的時候,求教于格拉斯哥大學的布萊克教授。
布萊克教授在當時最著名的發(fā)現(xiàn)是“潛熱”理論,而對瓦特思想難題最大的理論啟發(fā),也正是來自潛熱理論。潛熱理論指出:當物質從一種狀態(tài)轉到另一種狀態(tài)的過程中,需要吸收或放出熱量。比如說,當100℃水轉變?yōu)?00℃的蒸汽,雖然同是100℃的溫度,但100℃的水必需再吸收足夠的熱量才能轉變?yōu)?00℃的蒸汽,而當100℃的蒸汽重新冷凝為100℃的水時,又需要將在汽化時所吸收的熱重新釋放出去,為了使蒸汽放熱就需要在汽缸外面澆潑很多的冷水。水變成蒸汽所需吸收的熱和蒸汽冷凝所需釋放的熱,都被稱作“潛熱”。
布萊克和瓦特用潛熱的理論找出了紐可門蒸汽機費燃料多而做功少的根本的原因,提高紐可門蒸汽機的熱效率就是設計減少潛熱消耗的具體方法和設備。這就導致了瓦特蒸汽機的核心突破——獨立冷凝器的發(fā)明。
1824年,卡諾提出了著名的卡諾原理:蒸汽機的效率取決于工作介質和汽缸與冷凝器之間的溫差??茖W理論開始在蒸汽機技術改造中發(fā)揮更大的作用。
六、結語:蒸汽機技術進步的綜合因素
對于蒸汽機技術發(fā)明為什么產(chǎn)生于英國,更一般地,為什么近代工業(yè)革命產(chǎn)生于英國,許多學者都做過研究。各種觀點理論五花八門,除了分析技術發(fā)明本身以外,考察集中在特定的社會結構、法律制度、產(chǎn)權觀念、科技水平、傳統(tǒng)文化等一些外在的共生因素?,F(xiàn)在多數(shù)學者的結論是,蒸汽機技術進步是多種要素綜合作用的結果。
勞動力要素。英國早期經(jīng)濟的發(fā)展,提高了高收入的人群數(shù)量。這個高收入人群通過投入教育,增加了有知識的勞動力儲備,這些勞動力對工資有著較高的期待,使得企業(yè)勞動力成本增高,會迫使企業(yè)業(yè)主渴望新機器取代勞動力;同時這些接受過教育的人也能發(fā)明出更多新工藝新產(chǎn)品。
能源要素。英國煤炭資源的發(fā)現(xiàn)和大幅度開采,產(chǎn)生了低廉的能源,使得企業(yè)能在早期蒸汽機燃燒效率不高的情況也能夠消耗得起煤炭,在支付勞動力成本后仍然有利可圖。
科技要素。經(jīng)過文藝復興后近200年的發(fā)展,英國在基礎科學、關鍵領域技術發(fā)明(紡織機、水力機、風力機和煤炭開采技術)、共性技術(如機械加工)發(fā)明等方面,為蒸汽機技術的發(fā)展奠定了堅實的科技基礎??茖W家和發(fā)明家群體的貢獻進一步完善和發(fā)展了蒸汽機技術。
制度要素。從宗教束縛中解脫之后,英國公民變得更加世俗,發(fā)財、賺錢等已是人們的口頭禪,個人對財富的渴望也得到了專利制度、產(chǎn)權制度等的保障。
市場要素。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件改善、紡織業(yè)集中、貿(mào)易和商業(yè)活動頻繁使得英國城市化發(fā)展迅猛,商品和人員流通大幅度增加,導致以蒸汽機為動力的火車、輪船把蒸汽機技術推上了發(fā)展巔峰。
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