蒸汽機在十八世紀就有了（蒸汽機憑什麼只能誕生在英國）
2023-04-25 23:18:39 1
原題為《蒸汽機為何只能誕生在英國？》
英國採礦業的急迫需求、前人的技術積累、專利保護觀念的深入人心、瓦特合作者博爾頓的商業頭腦等諸多先決條件，才奠定瓦特的成功。
蒸汽機是工業革命時代的標誌性裝置。提到蒸汽機，人們同樣會聯想到著名的英國發明家詹姆斯·瓦特。瓦特常被稱為「蒸汽機的發明者」，像華盛頓與櫻桃樹、牛頓與蘋果一樣，他也被杜撰了許多充滿戲劇性的經歷，比如，瓦特看到水壺蓋子被蒸汽衝飛後受到啟示，發明了蒸汽機。事實上，早在瓦特出生20年前，蒸汽機就已進入市場。
準確地說，瓦特並非「蒸汽機的發明者」，只是一位優秀的「蒸汽機改良者」。如果沒有英國採礦業的急迫需求、前人的技術積累、專利保護觀念的深入人心、瓦特合作者博爾頓的商業頭腦等諸多先決條件，瓦特基本沒有可能取得被後世所給予的榮耀。蒸汽機乃至工業革命之所以發生在英國，並不是一件巧合的事情。
一幅油畫，描繪詹姆斯·瓦特在他的實驗室裡研究蒸汽機，瓦特發明蒸汽機的故事在中國是家喻戶曉。
古希臘和古中國的蒸汽機
人類歷史上從來不缺能工巧匠。瓦特出生前1700多年，公元1世紀左右，古希臘數學家希羅就意識到了蒸汽的力量。他在位於尼羅河三角洲西部的亞歷山大博學園，發明了有文獻記錄以來第一部蒸汽機，這裡也是歐幾裡得和阿基米德曾經工作過的地方。
這臺蒸汽機名叫汽轉球，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，當其中的水被加熱到沸騰時，蒸汽進入空心球，然後從兩根管子排出，形成反作用力，進而推動空心球旋轉。
見過汽轉球的人，都將其視為一個奇蹟，但包括希羅在內，他們僅將其視為一個玩具而已。當時，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，發明家們只能取悅富人，這臺「蒸汽機」並沒有實際用處，只能算是利用蒸汽進行的一次好玩的嘗試。
奇妙的是，在一千多年後的中國，有人也進行了蒸汽試驗嘗試，原理與汽轉球有異曲同工之妙。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），他曾試製出一臺蒸汽動力模型車，將試驗手稿發表於1687年的德國《歐洲天文》雜誌。1940年代，學者劉先洲將此翻譯回國內，並發表在當時介紹先進思想的刊物《東方雜誌》上。
根據劉先洲的翻譯，南懷仁在這篇手稿中詳細介紹了試驗情況：「當餘試驗蒸汽之力時，曾用輕木製成一四輪小車。長二尺，且極易轉動。在車之中部，設一火爐。爐內滿裝以燃燒之煤。爐上則置一汽鍋。在後輪之軸上，固定一青銅製之齒輪。其齒橫出，與軸平行。此齒輪與另一立軸上之小齒輪相銜。故當立軸轉動時，車即被推而前進。在立軸之上，別裝一直徑一尺之大輪。輪之全周裝置若干葉片，向周圍伸出。當蒸汽在較高壓力之下，由汽鍋經一小管向外急劇噴射時，衝擊於輪葉之上，使輪及軸迅速旋轉，結果車遂前進。」
南懷仁的蒸汽機原理，是用高速蒸汽推動齒輪旋轉，帶動車子前行，這與汽轉球類似。更像汽轉球的是，南懷仁發明蒸汽機是為了取悅康熙，並向他展示西方的科學進展，所以這臺蒸汽機也僅是玩具而已，同樣沒有任何實用價值。
令煤礦主頭痛的問題
這臺首次出現在中國的蒸汽機，也並非南懷仁首創。早在1629年，義大利建築家布蘭卡就發明了一種雛形的衝動式汽輪，原理是向輪子四周葉片上噴射蒸汽流，帶動輪子轉動。有學者考證，南懷仁很可能在歐洲見過布蘭卡的著作並受到啟發。
事實上，南懷仁和布蘭卡所處的17世紀，研究蒸汽、大氣壓與真空的關係正是當時的「學術熱點」。自從義大利物理學家託裡拆利在水銀管中發現了「真空」，打破了亞里斯多德後流傳千年的「真理」——「自然界厭惡真空」，痴迷於研究相關現象的學者越來越多。影響最大的，莫過於在1652年，德國物理學家奧託·格裡克發明的「馬德格堡半球」。當時，他用近似馬戲表演的方式，向包括德國皇室在內的世人展示了即使三十多匹馬也無法戰勝真空的力量。
很快，人們發現真空能夠吸水，或許能解決令當時採礦業者非常頭痛的問題。那時的英國，幾乎人人都能聞到濃濃的煤煙味。14世紀，英國國王愛德華一世甚至下令，採暖和冶鍊金屬時禁止燃燒發煙嚴重的海運煤。也有些煤炭的汙染相對較小，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，就越容易產生積水，解決的辦法有兩種，費巨資挖掘排水隧道，或使用水車帶動的排水泵。兩種方法都受到地勢的嚴重限制，比如河流的走向必須與礦山的位置一致，當時礦主亟須一種不受地形限制的排水方法。
最新的科學發現，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誕生了。是年6月14日，一臺巨大的機器出現在英國皇家學會格雷沙姆學院，機器由一個盛滿水的氣缸和與之相連的鍋爐組成。鍋爐製造出水蒸氣，進入汽缸，當充滿蒸汽的汽缸被噴灑上冷水之後，水蒸氣迅速凝結，在汽缸內部產生真空，從而把水從外部吸進來。此後，操作員轉動不同的閥門，讓蒸汽進入汽缸，將汽缸內抽上來的水通過一個管道擠出去，準備下一輪抽水。
機器的發明者名叫託馬斯·薩弗裡（Thomas Savery），他將這臺蒸汽抽水機命名為「礦工之友」，意為幫助礦工排水。當時，英國皇家學會如此報導這次展示活動：「薩弗裡先生……以火為燃料，通過水蒸氣的收縮來真空抽水。他向學會會員展示了真空泵的運轉過程。試驗非常成功，也令會員們非常滿意。」
這臺機器獲得了英國皇家學會的認可，卻沒有得到礦主的認可。機器沒有安全閥，且汽缸焊接處的熔解溫度十分接近高壓蒸汽溫度，這讓機器存在巨大的爆炸隱患；更糟糕的是，標準大氣壓環境中，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。
1923年11月，倫敦蓓爾美爾，一輛以蒸汽機作為發動機的汽車拋錨了。一直到20世紀初，蒸汽機汽車依然風頭正健，但它逐漸敗給內燃機汽車。
開啟蒸汽機革命的大門
薩弗裡曾在英國達特茅斯僱傭工匠，為他的蒸汽機製造模型和零件。當地一位名叫託馬斯·紐科門（Thomas Newcomen）的五金商，或許受到了他的啟發，從1700年開始，紐科門開始和助手研究改進薩弗裡蒸汽抽水機的缺陷。經十多年的研究試驗，紐科門創造性引入了活塞和橫梁兩個部件，部分解決了薩弗裡蒸汽抽水機遇到的難題。
當時，有關蒸汽機的研究存在兩種不同思路，一種是薩弗裡利用真空抽水的方法，另一種則是試圖用蒸汽推動活塞，將熱能轉化為機械運動。後者的代表人物是出生於法國的物理學家丹尼斯·帕潘（Denis Papin）。1690年，帕潘在德國萊比錫市《教師學報》公布了他的發現：蒸汽冷凝之後會產生真空，汽缸外的大氣壓會使汽缸內部出現某種機械運動。隨後，他發明了對後來的蒸汽機至關重要的一個部件——活塞。
帕潘並沒有真正發明出蒸汽機，而紐科門不僅巧妙地利用了帕潘的發明，還設計了另一個對後來蒸汽機至關重要的部件——橫梁。橫梁類似一個能夠上下擺動的蹺蹺板，一面連接活塞，一面連接汽缸。當汽缸充滿蒸汽時，橫梁翹起，讓負責吸水的活塞處在最低端。蒸汽凝結為水後，汽缸體積縮小，在橫梁的帶動下，活塞上升吸水。這就是紐科門發明的蒸汽機的原理。
連接活塞和橫梁的拉杆可以長達幾十米，紐科門蒸汽機可以安裝在礦井頂部，負責吸水的活塞則可深入井底，解決了薩弗裡蒸汽機安裝高度的難題。為提高效率，紐科門還對蒸汽抽水機做了一系列改進。比如，薩弗裡讓蒸汽冷凝的方法是在汽缸外噴灑冷水，而紐科門則在汽缸內部安裝噴射閥，將冷水直接注入汽缸，使得裡面蒸汽能夠迅速凝結，進而產生強力真空效果。
1712年的一天，紐科門在英國西部一個名為科尼格裡（Conygree）的煤礦安裝了他的蒸汽機。這個煤礦經過200多年的開採，已經深達50多米。當天，蒸汽機活塞每運動一次就能抽出10加侖的水。不久之後，《倫敦公報》報導了這臺機器：「它能夠將任何低處的水抽到高處，並且比迄今為止所使用的各種抽水方法都要更為經濟和便捷，為礦山和公司成功解決了排水問題。」
紐科門的蒸汽機獲得了市場認可。短短3年間，英國各地使用了100多臺紐科門蒸汽機承擔抽水任務，使得這位五金商賺得盆滿缽滿。美國科技史學者威廉·羅森，在著作《世界上最強大的思想——蒸汽機、產業革命和創新的故事》中評價紐科門是「開啟了蒸汽機革命的大門」。
第一部專利保護法
表面上看，17、18世紀的英國人無論是薩弗裡，還是紐科門，之所以能發明出蒸汽機，是因為看到了採礦業的需求。但當時所有國家的採礦業都面臨排水難題；此外，僅從對真空和蒸汽研究的學術角度來說，英國也並未走到其他歐洲國家的前列，早在1606年，義大利工程師詹巴蒂斯塔·德拉·波爾塔製造了一臺利用蒸汽從一個密閉容器內抽水的裝置。為何只有英國人發明出具有實用價值的蒸汽機？
原因在於，世界上第一部現代意義的專利保護法，於同一時期在英國誕生，正是這部法律激發了英國人在工業革命時熱衷於沉浸在發明創造的熱潮裡。從13世紀開始，英國以專利特許證（Letters Patent）的形式，將某種獨佔經營權授予工匠、商人，獎勵在技術上有創新或者為英國帶來利益的人。授予專利的權力完全掌握在國王手中，所以受益者多為封建貴族、王室的寵臣。比如，一位叫達西的近臣於1598年被伊莉莎白一世授予了製造和販賣撲克牌的壟斷權，這意味著此前生產銷售撲克牌的廠商都不得繼續經營。
這件專利引起了英國民眾的不滿，將官司打到了法院。法官裁定，國王不可以授予某個人對某項生意的獨佔權，除非這個人能證明他更擅長經營這個領域。1624年，繼承了上述精神的法律獲得通過。這部名為《反壟斷法》的法規旨在限制王室隨意授予特權，對壟斷和專利權進行了規定：只有「首個申請了法律專利並且為真正的發明者」才能獲得國王的特許加獎狀。這是世界上第一部具有現代意義的專利法。
不過，《反壟斷法》的出臺並未引發英國專利申請數量的井噴，直到哲學家洛克在1690年讓英國人有了「智慧財產權」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權。同時，法學家們的努力讓英國人對財產權有了與以往不同的理解。此前，人們知道可以從黃金、土地等有形財產中獲取收益，而現在竟然也能從腦力勞動中獲取收益。觀念上的改變，激發了英國平民大眾發明創造、申請專利的熱情。
1698年7月25日，《反壟斷法》出臺後75年，託馬斯·薩弗裡的「以火力推動汲水並為各式各樣工廠提供動力的新發明」獲得專利。該項專利也讓後續發明者紐科門連續數年必須將其收益的四分之三給予薩弗裡。這一情形在當時的大多數國家都是不可想像的。
記者/邱銳 編輯/陳祥
新媒體編輯/豐澤 馬茹均
本文節選自《蒸汽機為何只能誕生在英國》，原文刊載於《鳳凰周刊》2017年第9期，總第610期。
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