热、功和光

我认为，人类历史上最重要的事件也许是1700年左右发生在西北欧的某个地方，由某个或某些法国人或英国人做出来的，但是我永远不知道到底是谁。为何如此含糊不清？因为当时没有人注意到或认识到它的重要性；无论如何，创新都是一个价值很小的事情。至于几个候选人中谁的贡献最大，人们也同样存在着困惑。这是一个循序渐进的、跌跌撞撞的变化，没有顿悟的时刻。这些特征都是创新的典型表现。

我所讨论的事件是，人类第一次通过控制热量的转换来做功。如果工业革命必然会出现的话，那么这就是让工业革命成为可能的关键突破口，因而也促进了现代世界的繁荣，以及今天各种技术的百花齐放。（在这里，我使用“做功”这个词更通俗的含义，只是把它看作受控的能量运动，而非物理学家在更广泛的意义上界定的那样。）在一列行驶的火车上，我在电灯的帮助下，把这些文字记入由电能维持运行的笔记本电脑里，同样，这列火车也是由电能驱动的。绝大多数电能都是由连接着发电站的电线传导过来的，在发电站中，燃烧天然气所产生的蒸汽或被核裂变所释放的热量加热的蒸汽驱动着巨大的涡轮高速旋转。发电站把燃烧产生的热量变成使水膨胀的压力，从而让水转化为蒸汽，然后推动涡轮机的叶片运动，在电磁铁内运动的这些叶片会在电线中产生电子的运动。这与汽车或飞机的发动机中发生的事情类似：燃烧产生引发运动的压力。实际上，让我们的生活得以实现的巨大能量都来自热的转换做功。

在1700年之前，人类使用热和功这两种主要能源。（光主要来自热。）人们依靠燃烧木头或煤炭来取暖和烹饪，他们还用自己的体力或马以及公牛的体力来移动物体，也就是做功，或者极偶尔地使用水车或风车。这两种能源是分开的：木头和煤炭不做机械功，风力、水力和公牛不产生取暖所需的热量。

数年后，虽然起初的规模很小，但是蒸汽开始把热转化成功，世界就再也不复从前的模样了。纽科门发动机是第一台可以做热–功转换的实用设备，所以在热–功转换的创新者名单中，托马斯·纽科门是本书第一个候选人，也是最有前景的候选人。注意，我并没有称他是一个发明家，创新者和发明家的区别是至关重要的。

我们没有纽科门的画像，他于1729年在伦敦北部的伊斯林顿（Islington）去世，并且葬在了伊斯林顿某个无名墓地之中。他的一个竞争对手并且可能是他的灵感来源的丹尼斯·帕潘（Denis Papin），也在距离那里不远的地方静静地躺在某个无名墓地之中，不过我们依然并不知道是哪里。1712年左右，帕潘在伦敦像一个叫花子一样从人们的视野中消失了。唯一算是得到善终的只有托马斯·萨弗里（Thomas Savery），他于1715年在威斯敏斯特附近去世。做了几年邻居并且几乎是同时代的这三个人（帕潘生于1647年，萨弗里可能生于1650年左右，纽科门生于1663年）在热–功转换中都发挥了关键作用。但是他们可能素未谋面。

当然，他们都不是注意到蒸汽具有移动物体能力的第一批人。在古希腊和古罗马，人们就利用这种原理制作过玩具，几个世纪以来，聪明的工程师们不时地搭建一些装置，利用蒸汽来驱动花园中的喷泉，或者一些类似的小伎俩。但是第一个梦想着可以将这种力量用于实际生产而非娱乐消遣的人是帕潘，把类似的梦想变成了机器的是萨弗里，尽管这台机器被证明是不切实际的，而纽科门则制造了一种实用的机器，真正发挥了作用。

或者这就是传统的叙事。挖得越深就越令人困惑。这两个大不列颠人是谁窃取了法国人帕潘的想法？还是说他们都有？萨弗里或者纽科门从对方那里窃取了帕潘的见解吗？帕潘也许是受到了萨弗里的启发，还是相反呢？纽科门是否甚至意识到了其他两个人的工作？

虽然死得过于默默无闻，但是终其一生，从智慧和声誉方面来说，丹尼斯·帕潘都是一个明星。他与那个时代很多伟大的科学家都共事过。于卢瓦尔河畔的布卢瓦出生的帕潘在大学学习的是医学。1672年，荷兰伟大的自然哲学家，同时也是巴黎科学院院长的克里斯蒂安·惠更斯（Christiaan Huygens）聘请帕潘做自己的助手，与另外一个注定日后会拥有更大名声的聪明的年轻人戈特弗里德·莱布尼茨（Gottfried Leibniz）一起工作。3年后，为逃脱法国国王路易十四（Louis XIV）的反新教迫害，帕潘流亡伦敦。

在伦敦，或许是由于惠更斯的引荐，帕潘成为罗伯特·波义耳（Robert Boyle）的助手，致力于空气泵的研究工作。在动身前往威尼斯之前，罗伯特·胡克（Robert Hooke）短暂地聘用了他一段时间，随后帕潘在威尼斯的一个科学学会做了3年的管理者，1684年，帕潘返回伦敦，继续在英国皇家学会从事同样的工作。在这个过程中，他发明了让骨头变软的压力锅。到1688年，他已经是马尔堡大学的数学教授了，1695年，帕潘移居卡塞尔（Cassel）。这给人的感觉是，他要么总是居无定所、颠沛流离，要么就是没有人长久地支持他的事业。

惠更斯聘请帕潘来探讨一个想法，用气缸中火药爆炸所产生的真空来驱动机器（从时间上看，这个想法是内燃机的祖先），但是帕潘很快就意识到蒸汽冷凝可能会更有效。他甚至在1690～1695年的某个时刻，自己建造了一个简易活塞和气缸，蒸汽在冷却时冷凝从而使得活塞突然前冲或下降，并借此利用滑轮提起一定的重物。他发现了气体发动机的原理，一旦在活塞下制造出了真空，这个发动机中空气的重量就会做功。这是一个通过吸入气体而非吹出气体来发挥作用的机器。

1698年夏，莱布尼茨同帕潘通了信，就发动机的后一种设计方式进行了交流，发动机可以通过对火的使用来排水。因为矿井是畜力难以发挥作用且燃料十分丰富的地方。潮湿的矿井失火的风险较低，所以它要比干燥的更加安全。矿工们却一直饱受矿井渗水之苦，所以从矿井中抽水是需要解决的首要问题。

然而，帕潘已经在梦想着用蒸汽来为船提供动力了：“我相信，除了排水之外，这个发明可以用于很多其他的事情，”他在给莱布尼茨的信中写道：“至于水上交通，我自以为如果能够找到足够的支持，我会很快地实现这个目标。”这其中的想法是，锅炉产生的蒸汽可以让活塞通过一个管道把水喷入桨轮之中。然后，新的供水重新进入活塞的空腔并使得蒸汽冷凝，从而使活塞归位。1707年，帕潘实际上已经建造了一艘有桨轮的船，虽然他似乎没能用蒸汽来让它运行起来，而是由人力替代的，不过这展示了桨轮比船桨所具有的优越性。在去英格兰的路上，他坐在船上沿着威悉河漂流。就好像卢德运动中的卢德分子一样 ，职业船夫们对他们面临着的这种竞争感到不悦，并且摧毁了这艘船。

历史学家L.T.C.罗尔特（L.T.C.Rolt）认为，帕潘能做之事要比他所做之事多很多。“令人焦心的是，就在非常接近实际成功的边缘时，才华横溢的帕潘却转身离开了。”当莱布尼茨告诉帕潘说托马斯·萨弗里申请了用火排水的专利后，帕潘又回到了对蒸汽的利用上，萨弗里在1698年的某一天获得了这项专利，也正是在这一天，帕潘向莱布尼茨吹嘘说他知道如何制造这样的机器。然后帕潘建造了一个不同的蒸汽机，从他画的草图看，这显然是萨弗里蒸汽机的修正版。不过，肯定有可能的是，萨弗里从帕潘与皇家学会前同事的各种通信中听说了帕潘的设计，虽然萨弗里的机器与帕潘的截然不同。到底是谁抄袭了谁的设计呢？

时间上的巧合很奇怪，但这也正是创新者的特征。历史上一次又一次地出现了标志着技术进步的同步发明，就好像有什么东西在那个时刻都成熟了一样。这并不表明存在着剽窃。上面这个例子中，更好的金属加工技术、对采矿的更大兴趣以及在科学上对真空的痴迷这三者的组合一起出现在西北欧，从而使得初级蒸汽机的出现几乎成为必然。

“上校”萨弗里或许是一名军事工程师，或者这也可能只是一个荣誉军衔，但是几乎和纽科门一样，他也是一个充满神秘感的人物，我们没有他的画像，他的出生年份不详。他和纽科门一样来自德文郡（Devon）。我们确切知道的是，1698年7月25日，也就是帕潘写信给莱布尼茨讨论他的蒸汽船设计的那一天，萨弗里在“利用火产生的推力来排水”上获得了为期14年的专利。接下来的一年，也就是1699年，这项专利又被延长了21年，也就是截至1733年。结果表明，对于萨弗里不够格的继承人来说，这是一个丰厚的馈赠。

萨弗里的机器工作原理如下：置于火上的一个铜管炉把蒸汽送入一个称为接收器的注满水的罐子里，进入罐子的蒸汽通过一个逆止阀把水排入铜管。一旦接收器充满了蒸汽，来自铜管炉的蒸汽供给便会被切断，并且接收器被喷洒上冷水，接收器内的蒸汽开始坍缩，并产生出真空。铜管炉通过另外一个管子从下面吸入水，然后再次开始上述循环。1699年，萨弗里在皇家学会用两个接收器做了展示，在某种程度上，他似乎实现了组合阀机制的部分自动化，也就是可以填满任意一个接收器，所以这个设备可以持续地做功。

1702年的一个广告说，可以“在老剧场（Old Playhouse）前面，位于伦敦索尔兹伯里法院（Salisbury Court）的济贫院”观看萨弗里蒸汽机的展示模型，“每周三和周六的下午3点到6点可以在那里看到这台机器工作”。他显然把几台机器卖给了名流们，他还在约克大厦（York Buildings）安装了一台，现在位于斯特兰德大街的右侧，不过当时是在泰晤士河沿岸，伦敦想从泰晤士河引水，但是最终失败了。矿主们对这种机器不感兴趣。它只能做到短距离地排水，需要更多的煤炭来做燃料，并且水会从接缝的地方渗漏出来，还容易爆炸。在创新中，失败通常是成功之母。

到1708年，身处伦敦的帕潘希望能够为建造蒸汽船获得支持，他可能是借助一个传统的帆船而非他自己有桨轮的船跨越了英吉利海峡；我们并不知道他是否见过萨弗里。他期望在英格兰被看成是蒸汽领域的天才的梦想很快就落空了。艾萨克·牛顿爵士（Sir Isaac Newton）在皇家学会的秘书汉斯·斯隆（Hans Sloane）对帕潘日益绝望的来信充耳不闻。即便他是莱布尼茨的朋友也无济于事。牛顿与莱布尼茨在到底是谁先发明了微积分的旷日持久的斗争中正处于顶峰时期，实际上他们两个都发明了微积分，只不过莱布尼茨的版本更加简洁一些。毫无疑问，穷困潦倒的帕潘因为与莱布尼茨的连带关系而在皇家学会声誉受损。“我至少有六篇论文在皇家学会的会议上被诵读，但始终被学会拒之门外。阁下，显然我是一个可悲的例子。”帕潘在1712年给斯隆的信中如此写道。

此后，就再也没有关于帕潘的消息了。他就这样消失了，历史学家认为他一定是在那一年过世的，他太穷了，以致没有留下什么遗嘱或者埋葬记录。萨弗里也在3年后离世，虽然不那么籍籍无名，但也很难算是一个大英雄。他留下了一笔重要的遗产：用火排水的专利，这迫使纽科门不得不与萨弗里的继承人们在接下来的多年里合伙。

于是，这两位戴着长长的假发与贵族们交往的科学家都没能改变世界。这一壮举留给了一个来自德文郡达特茅斯的卑微的铁匠——托马斯·纽科门。纽科门是一个铁器商，这在当时更像是一个工程师或铁匠，1685年，他与玻璃工或管道工约翰·卡利（John Calley）合伙做生意。除此之外，纽科门是如何在1712年，也就是帕潘过世的那一年实现了对蒸汽机完全成熟的设计的，我们对此几乎一无所知。

几个世纪以来，很多历史学家都不愿意相信，一个卑微的铁匠居然能在智力超群的教授们失败的事情上取得成功。他们假设帕潘和萨弗里的想法可能会在某些方面影响纽科门，包括在法国一度很流行的一种阴谋论，有人给纽科门提供了帕潘写给斯隆的一些信件。也有人猜测，纽科门在康沃尔（Cornish）的一个锡矿中看到过萨弗里的机器，但是这些都经不起仔细的推敲，也有可能他对伦敦著名科学家的工作一无所知。事实上，一位消息人士坚称，纽科门在1698年萨弗里获得专利和帕潘给莱布尼茨通信之前就开始了他第一次设计工作。

那个消息人士是一个叫马丁·特里弗德（Mårten Triewald）的瑞典人，他是唯一真正了解纽科门的人。他与纽科门和卡利一起合作过，在把这种技术带回瑞典之前，他们在纽卡斯尔建造了好几个早期的蒸汽机。他描述说，在制造出一个可行的机器之前，纽科门就对蒸汽开展了长时间的试验，并且当冷水注入气缸中时，他发现了一个意外的突破：

在连续十年的时间里，纽科门先生一直致力于研究这个从未显示出预期效果的火力机器，除非万能的“上帝”安排一件幸运的事情发生（让它奏效）。在最后一次尝试让这台机器工作时，随后的奇怪事件突然导致了远远超过预期的效果。冷水流入包裹着气缸的铅制壳体，刺穿了机器上一个用锡焊料修补的缺口。蒸汽产生的热量导致锡焊料熔化，因而给冷水开辟了一条通路，它涌入了气缸之中并且迅速地让蒸汽冷凝，因而产生了真空，真空让附加在小梁上的重量，也就是水泵里水的重量显得微不足道，结果空气对活塞施加了巨大的压力，居然让活塞链都断裂了，活塞撞坏了气缸的底部和小锅炉的盖子，热水流得到处都是。所有旁观者都确信，他们发现了一种迄今为止在本质上完全不为人所知的无比强大的力量。

纽科门的设计是通过喷射冷水使蒸汽在气缸中坍缩，然后通过活塞和横梁杠杆将大气坍缩下的真空能量传递给泵，这种机制要比萨弗里的设计更加安全，也更强劲。可能在距离纽科门工作不远的康沃尔锡矿建造过一些原尺寸的机器，但是并没有确切的证据表明如此。我们确实知道的是，世界上第一台真正工作的纽科门发动机是于1712年在沃里克郡（Warwickshire）达德利城堡（Dudley Castle）附近制造的。据特里弗德说，它每分钟可以抽水12次，每次10加仑 ，因而从煤矿中抽水的高度可以达到150英尺。1719年，托马斯·巴尼（Thomas Barney）给这个机器绘制了一幅版画，展现出了它精美的复杂性，罗尔特认为，这与“萨弗里粗糙的抽水机或帕潘的科学玩具”存在着本质的差别。他接着写道：“一项如此重要的发明被一个人如此迅速地开发成如此完善的形式，这在技术史上是很罕见的。”

不过，起初它只是一个异常低效的设备。按照今天的标准，纽科门蒸汽机是一个庞然大物。它有一间小屋子那么大，冒着黑烟，叮叮当当地响个不停，还发出笨重的嘶嘶声，燃煤所产生的能量大约99%都被浪费掉了。还要再等数十年的时间，詹姆斯·瓦特（James Watt）的分离式冷凝器、飞轮和传动轴，以及其他改进才会出现，从而使它的应用领域不再局限于燃料便宜的煤矿开采。

这个故事牵扯着我的一些个人情愫。我的祖先，尼古拉斯·里德利（Nicholas Ridley）大约在17世纪末左右开始从事采矿业。离开位于诺森伯兰郡（Northumberland）南泰恩河谷（South Tyne Valley）的农场后，他成为铅矿开采企业的合伙人，并且试图从铅矿石冶炼中提取银。他后来前往纽卡斯尔，并且通过某种方式进入采煤业。到1711年去世的时候，他已经是泰恩河北岸一个富裕的煤炭商人和矿主了，并且成为当时英格兰第三大城镇的镇长。他的儿子理查德经营煤矿的方式十分大胆，因大动干戈和打破价格垄断的卡特尔而获得了一个美誉，“煤炭贸易的麻烦制造者”，他甚至一度试图谋杀自己的一个对手，而他的二儿子尼古拉斯似乎大部分时间都住在伦敦，大概从事接收和销售煤炭的工作。早在1700年他的煤炭供应就占到了英格兰能源的一半。

可能在1715年或1716年左右，年轻的尼古拉斯雇用了纽科门合作伙伴约翰·卡利的儿子——十几岁的山姆·卡利（Sam Calley），让他北上并在拜克（Byker）制造蒸汽机，目的是排空让前两个所有者破产的矿井中的渗水。如果工程师约翰·斯密顿（John Smeaton）的说法可信的话，那么这台机器可能是世界上的第三台或第四台。为获得使用这种设计的许可，里德利家族每年向萨弗里的继承人支付400英镑的巨款作为专利使用费，并且在制造第一台蒸汽机上花费了大约1000英镑。

我们之所以知道这些，是因为（年资尚浅的）尼古拉斯说服了纽科门的朋友马丁·特里弗德北上并且监督年轻的卡利。这个瑞典人把他的一个交易账户留给了里德利兄弟。随着第一台蒸汽机建造成功，里德利家族订购了更多的蒸汽机，到1733年，也就是萨弗里的专利到期的时候，拜克已经有了两台，希顿（Heaton）有三台，杰斯蒙德（Jesmond）和南戈斯福斯（South Gosforth）各有一台。我相信理查德·里德利和尼古拉斯·里德利一定见过纽科门。

纽科门蒸汽机是现代世界之母，它开创了一个新的时代，技术开始拓展人类的工作，并释放出巨大的生产力，从枯燥繁重的耕作、盥洗和济贫院的苦差中解放了越来越多的劳动力。这是一项关键的创新。然而它出现的方式有些神秘莫测、令人费解。它的出现是因为丹尼斯·帕潘展示出来的英国和法国的科学进步吗？也许有一点，但是纽科门显然对这种进步一无所知。它的出现是因为在17世纪末冶金技术的进步使得当时可以制造出大型黄铜气缸和活塞吗？部分原因是这样的。它的出现是因为英国森林面积锐减而导致木材价格上涨，进而导致煤矿开采业大幅度扩张，以及随之而来的对抽水设备的需求吗？在某种程度上是的。它的出现是因为由荷兰人开始的西北欧贸易扩张导致了资本、投资和企业家的产生吗？在某种程度上肯定是的。但是为何这些条件没有一起出现在中国、意大利的威尼斯、埃及、孟加拉国、荷兰的阿姆斯特丹，或一些其他的贸易中心？并且为何是出现在1712年，而非1612年或1812年？回过头来看，创新似乎是显而易见的，但是在当时却是难以预测的。 hbKl7cSwJhtxJk77Rx3aJLz/1E3inI51g06c2n+bRmACKEqz0xD4lJXmcd1T29yq