第一节
人类进步之“源”

从远古时期的智人点亮第一支火把，到尼罗河三角洲上古埃及人借助圆木推动沉重的巨石；从黄河平原上吱吱呀呀的水车，到伯明翰工厂中轰鸣的蒸汽机；从伦敦、巴黎、纽约、上海等大都市的街头被一盏盏白炽灯点亮，到现代化的电力系统将光明送入千家万户……人类已经将对能源的追求刻入了DNA中。

人类的每一次重大科技革命都离不开能源革命的推动。

蒸汽之歌
——第一次工业革命

在第一次工业革命前，人类主要利用自然界中最原始的能源来满足各种需求，包括畜力、风力、水力和木材等“纯天然”能源。

畜力是人类最早利用的一种能源，主要用于农业和交通运输。人们使用马、骡子和牛等动物来耕种土地、运送货物和人员。在城市中，马车是主要的交通方式。畜力在农业生产中的广泛应用，极大地提高了农业生产效率，也减轻了人类的劳动强度。在远古时期和中世纪早期，骆驼和马匹也是人类进行长途旅行和贸易的主要工具，它们可以承受较长时间的旅行和较大的负荷。

风力也被广泛利用，风车是人类最早的机械式能源转换设备之一。早期的风车通常是由木材或石头制成的，主要用于抽水、研磨谷物等。风车的广泛使用在欧洲可以追溯到12世纪左右，而在中国和中东地区，风车的使用也可以追溯到公元前。在海上，人们利用风帆来驱动船只进行贸易、探险和战争等活动。早期的帆船是由木头、纸莎草、芦苇等自然材料制成的，人们利用风的力量来推动帆船在水上航行。在中国古代，风帆船的使用已经可以追溯到汉代，而在欧洲，风帆船的使用则始于中世纪早期。

人类利用水力已有数千年的历史。早期，人们主要利用水流来磨面粉、打铁、轧棉花等。随着技术的发展，水力被用于驱动各种机器和工具，如织布机、纺纱机、锯木机等。水力主要通过水轮来实现。水轮可分为垂直轮和水平轮两种类型。垂直轮比较适合用于水流比较小的场合，如小溪或河流，而水平轮则适合用于水流比较大的场合，如大型河流或瀑布。水轮机被广泛运用在纺织工业和矿业中。通过水力驱动纺织机，可以大大提高纺织品的生产效率，从而降低成本并增加利润。同时，水力还被广泛用于提取煤矿和金属矿物等自然资源，推动了矿业的发展。

木材是另一种重要的生物质能源。在工业革命前的很长一段时间内，燃木炉是中国、欧洲最常见的加热设备，同时也用于烹饪食物。在工业生产方面，木材被用于生产木炭，木炭具有较高的热值和可燃性，被应用于冶炼、铸造和烧制陶瓷等工业生产中。

除了这些被广泛使用的“能源”之外，当时的人们还利用了一些化石资源，如煤炭、石油和天然气等。在第一次工业革命之前，这些化石能源并没有得到大范围使用。

早期对于煤炭的开采和使用方法非常原始和简单。人们使用手工工具和畜力来开采煤炭。最初，煤炭主要用于加热和烹饪。然而，随着工业的发展，煤炭逐渐被应用于工业生产，如钢铁生产、纺织、玻璃制造、化工等行业。

石油和天然气在第一次工业革命之前并没有得到广泛利用，它们只是被一些特定地区的人们所认识。例如，古代中国和中东地区已经开始将石油用于照明和医疗。北宋时期，沈括在他的科学著作《梦溪笔谈》中曾记录： “鄜、延境内石油，旧说‘高奴县出脂水’，即此也……此物必大行于世，自予始为之。盖石油之多，生于地中无穷，不若松木有时而竭。” 石油和天然气在工业中的应用直到19世纪后期才开始出现。

第一次工业革命是人类历史上最重要的变革之一。詹姆斯·哈格里夫斯（James Hargreaves）从被自己撞翻的纺织机中获得灵感，发明了带有纺轮的纺纱机，并以女儿的名字“珍妮”来命名。珍妮纺纱机（Spinning Jenny）的发明拉开了第一次工业革命的序幕，更高的工作效率推动着手工制造向机器制造转型，推动了工业化和城市化的发展。

如此一来，规模更大的厂房、效率更高的机器、蜂拥而入的产业工人，使得18世纪末的英国各行各业呈现一片欣欣向荣的景象。然而当时使用的蒸汽机普遍存在着燃烧不充分、能效低下等问题，动力成为制约生产力发展的“瓶颈”。

推动动力革新的任务，悄然落在一位苏格兰工程师的身上。

詹姆斯·瓦特（James Watt）是一位善于观察并且心思细腻的人，他认为可以通过改进蒸汽机的结构来提高其效率。于是，从1757年到格拉斯哥大学（University of Glasgow）开始，经过8年的设计研究，他终于在1765年申请了一项新型蒸汽机的专利，并在1776年制造出第一台有实用价值的蒸汽机。

瓦特改进了原有的单作用蒸汽机，引入双作用设计。这种蒸汽机能够利用蒸汽的双向作用来驱动活塞，从而实现更加高效的动力输出。此外，瓦特还引入了减少热量损失的机制，如在汽缸中增加隔热层等。这些改进大大提高了蒸汽机的效率，使其成为当时最先进的能源转换装置，也是当时工业革命中最重要的发明之一。

小小的蒸汽机被称为“万能原动机”，它使人类不再依赖于人力、畜力和风力等传统能源，极大地推动了工业生产的发展，让大规模机械化生产成为可能。从此，人类对能源的掌控实现了一次巨大飞跃。

蒸汽机车奔驰在英伦三岛，喷吐的白烟像是雄浑的交响。工厂烟囱高耸，繁华都市的风貌因其而改变。它们骄傲地向世人宣告：“蒸汽时代”到来了！

随着瓦特蒸汽机的推广，工业生产得到了极大的提升，掌控了那个时代“新能源”的英国也成为世界上第一个工业化国家，一步一步登上“世界霸主”的位置。事实上，瓦特开启的蒸汽机改进不仅仅是一项技术创新，更是一种革命性的思维方式。人们意识到，找到新的能源并改进能源利用方式，将会迸发出令人难以置信的力量。这对后来的工业革命和科技创新都产生了深远的影响。

电力之光
——第二次工业革命

第二次工业革命是人类历史上又一次伟大的技术革新和能源革命。内燃机和电力的大规模使用，使人类能够将能源生产转换场所（发电站）与能源动力使用场所（用户）分离，从而更方便地利用能源。最终，工业化进程得到了加速，技术水平和生产力大幅提高，人类社会进入了一个新的发展阶段。

我们通常所说的内燃机是指活塞式内燃机，这种机械将燃料和空气混合，在其汽缸内燃烧而产生高温高压的燃气，推动活塞做功，再通过一些机构将动能传递出来。德国工程师尼古拉斯·奥托（Nikolaus Otto）在1862年发明了第一个四冲程往复式内燃机，被誉为“现代内燃机之父”。尼古拉斯·奥托在年轻时是一名铸造工人，他在一家铸造厂工作期间对机器和工业化过程产生了浓厚的兴趣，对所在公司制造的火花点火式蒸汽发动机感到失望，因为它们非常笨重，效率低下且不可靠。这促使他开始探索其他类型的发动机设计，并思考如何将蒸汽机的原理应用于燃油的燃烧过程中。直到1861年，他与尤金·兰根（Eugen Langen）成立了他们的第一家公司，开始专门研究燃油引擎。这种内燃机的工作原理是在燃油和空气混合物中点火爆炸，从而驱动活塞上下运动，实现能量转化和机械动力输出，进而比当时流行的蒸汽机更加高效、轻便，也更加适合于移动式机械设备和交通工具。

尼古拉斯·奥托的内燃机发明推动了现代工业化和交通领域的发展。它为汽车、飞机、船舶和发电机等领域提供了高效、可靠的动力系统，也促进了石油和天然气等化石能源的开发和使用。

第二次工业革命王冠上的“明珠”除了内燃机之外，恐怕就是“电力”了。在电力领域，许多科学家和工程师都做出了重要贡献，包括托马斯·阿尔瓦·爱迪生（Thomas Alva Edison）和尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla），尽管两人的观点和发明有着明显的分歧。

当时，美国的电力行业正处于快速发展期，人们意识到了电力的重要性，但如何将电力输送到人们的生活和工作中却成为一个难题。爱迪生主张采用直流电来传输电力，而特斯拉则认为采用交流电更加有效。

爱迪生发明了直流电发电机和配电系统，在美国成立电力公司，建立了第一个商业输电系统，把电力从实验室带到了日常生活中。爱迪生的直流电系统由发电机、输电线路和灯泡组成。他使用直流电系统在纽约、伦敦和巴黎等城市建立了发电站，为城市提供了照明和动力等服务。

但爱迪生的直流电系统存在一些不足，其中最大的问题是输电距离受限。由于直流电的电压不能太高，因此电力必须在不到一英里的距离内传输，这限制了直流电的应用范围，因为城市的规模和范围在不断扩大，需要更长的输电距离和更高的电压来满足需求。此外，直流电系统的成本也很高，不利于大规模应用。

1887年，特斯拉来到了爱迪生的公司，希望能够向他介绍自己的交流电理论。但是，爱迪生却不认为交流电有用，因为当时交流电的技术还不够成熟。特斯拉相信交流电有许多优势，于是，他离开了爱迪生的公司，开始自己的电力研究。同一年，他设计了一种交流电发电机，并与商人乔治·威斯汀豪斯（George Westinghouse，Jr.）合作成立了公司来推广这种技术。他们所建立的交流电系统在输电时可以使用变压器来改变电压，从而减少能量损失，而且可以更容易地将电能传输到远处。

特斯拉在1891年发明了特斯拉线圈并进行了多次改进。该装置由一个高压变压器和一个电容器组成，能够产生高电压、高频率的交流电。特斯拉线圈的发明对于电力传输、通信、无线电技术等方面产生了深远的影响。

特斯拉的成功也重新吸引了爱迪生的关注，两位科学家在电力方面的分歧引发了一场著名的“电力之战”。在这场争论中，爱迪生和特斯拉互相攻击对方的技术，并为自己的发明进行宣传。

爱迪生发起了一场反对交流电的运动。他认为交流电对人体有害，还在纽约市进行了一次公开的施虐实验，用交流电电死了一只大象，试图证明交流电是危险的。然而，在1893年芝加哥世界博览会（为了纪念哥伦布发现新大陆400周年，此次世博会又称“世界哥伦布博览会”），特斯拉和威斯汀豪斯展示了他们的交流电输送系统的高效性和安全性。爱迪生的直流电输送系统则在比赛中表现不佳，这使得他的市场地位开始衰落。

最终，可以更加高效实现远距离输电的交流电系统获得了胜利，特斯拉赢得了他与爱迪生之间的电力之战。彼时的他还不知道，他的名字将会被一位名为埃隆·马斯克（Elon Musk）的青年用来命名自己的公司。而这家名为特斯拉的公司将会改变全球的新能源和电动车市场，为人类的电气化出行以及交通能源转型带来一场新的革命。

与此同时，由乔治·威斯汀豪斯所创建的西屋公司，也将成为下一个时代能源革命的重要先驱，引领一时风潮。

原子之心
——第三次科技革命

随着社会的进步与科学技术的发展，人类开始意识到传统化石燃料能源的有限性和对环境的负面影响，并开始寻求更加清洁、高效、可持续的能源形式。在这一变革中，核能起到了重要的作用。

发电是核能重要的利用方式之一，其原理是利用核反应释放出的能量来产生蒸汽，推动涡轮发电机发电。核反应产生的能量非常强大，而且不受天气、时间等因素的影响，具有非常稳定的发电能力。此外，相比燃烧化石燃料所产生的废气、废水等污染物，核能在发电的过程中不会产生二氧化碳和氮氧化物等大气污染物的排放。

因此，核能被认为是一种相对清洁的能源形式。

1942年，来自芝加哥大学的科学家成功地在实验室里实现了第一个核反应堆的启动。随着人类对于核能研究的深入，各国开始大力发展核能技术，并建造核反应堆进行核能发电，核电站的数量迅速增加。

了解核能，我们要将目光移向那小小的原子核当中。