蒸汽機早就被發明出來，為什麼直到瓦特改良後才真正普及？
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對于18世紀的英國甚至世界而言，沒有什麼比蒸汽機的問世更具有劃時代意義。而蒸汽機的“發明者”，也一直被公認為是蘇格蘭人詹姆斯·瓦特（James Watt）。
詹姆斯·瓦特。來源/秒懂百科視頻截圖
事實上，瓦特或許是史上最被誤讀的發明家，其發明家的身份首先就需要打一個問号：與其說是瓦特發明蒸汽機，不如說是改良了蒸汽機。即便在蒸汽機的改進進程中，人們也隻看重其在技術上的貢獻，而忽視了他在吸引資本、完成技術轉化方面的貢獻。
可以說，蒸汽機得以在18世紀末問世，除了瓦特的天賦外，還離不開工廠主的傾囊相助，産業革命帶來的環境變化。蒸汽機的問世從最初的雛形到瓦特改良完畢，究竟是技術問題還是經濟問題？
瓦特改良的蒸汽機亮相。來源/節目《解碼科技史》截圖
蒸汽機的不斷改良過程
蒸汽機的發明并非一蹴而就，而是經曆了幾代人的共同努力，在一次次技術叠代後，最終形成了具有市場價值的蒸汽機。瓦特并非“發明者”，也非“終結者”，他的曆史貢獻在于極大地改良了蒸汽機，提升了蒸汽機的熱效率。這在蒸汽機的叠代升級過程中具有裡程碑意義。
一般認為，英國人薩弗裡（Thomas Savery）制成了世界上第一台實用的蒸汽提水機。這台機器形似雞蛋。它的運作原理是：先在其中充滿蒸汽，然後關閉進汽閥，在容器外噴淋冷水使容器内蒸汽冷凝而形成真空。打開進水閥，礦井底的水受大氣壓力作用經進水管吸入容器中；關閉進水閥，重開進汽閥，靠蒸汽壓力将容器中的水經排水閥壓出。待容器中的水被排空而充滿蒸汽時，關閉進汽閥和排水閥，重新噴水使蒸汽冷凝。如此反複循環，用兩個蛋形容器交替工作，可連續排水。薩弗裡的提水機依靠真空的吸力汲水，汲水深度不超過六米。為了從幾十米深的礦井汲水，須将提水機裝在礦井深處，用較高的蒸汽壓力才能将水壓到地面上，這在當時無疑是困難而又危險的。
18世紀初，托馬斯·紐康門(Thomas Newcomen)發明了一台大氣蒸汽機，主要用于在礦山中抽水。紐氏蒸汽機有一個汽缸和活塞。當蒸汽進入氣缸時，活塞向上運動；活塞到達氣缸頂部時，一個裝置用冷水對氣缸降溫，充滿蒸汽的汽缸冷卻後，蒸汽凝結，在氣缸内制造出真空，将活塞拉回底部，由此循環往複，通過一個杠杆拉動另外一側的抽水機。由于活塞每推動一次，氣缸裡的蒸汽都要先冷凝，拉回活塞後再加熱，進行下一次推動，從而使得蒸汽80%熱量都耗費在維持氣缸溫度上，使得這款蒸汽機的效率很低。
瓦特對于蒸汽機的最大貢獻在于提升了機器的熱效率，他敏銳地意識到，理想的蒸汽機必須具備兩個條件：一是始終保持氣缸恒熱；二是要将蒸汽完全冷凝到100℃以下，确保其釋放全部熱量。為了實現這一目标，他創造性地設計了分離式冷凝器，這一裝置最重要的突破就是将蒸汽的冷凝過程與氣缸分離，使蒸汽通過排氣管進入冷凝器冷凝，從而維持氣缸熱度。
瓦特與蒸汽機模型。來源/節目《解碼科技史》截圖
此外，瓦特還設計了一個封閉式氣缸，氣缸上配備了圓形的活塞，活塞杆下端通過填充料，可以有效防止蒸汽溢出。這種改良看似簡單，卻在紐氏蒸汽機問世半個世紀以來一直沒人想到過。瓦特對此也感到不可思議，他問自己：“這就可以了嗎？也太簡單了吧？怎麼一切看起來都是那麼順理成章？”卡内基在《瓦特傳》對此的評價是：現實就是這樣，沒有冷凝器，沒有封閉式氣缸，就沒有現代蒸汽機。[1]
比發明更難的經營推廣問題
相比較對于蒸汽機的改良，過往的論者往往忽略了其對于蒸汽機的推廣和經營。就筆者看來，他對蒸汽機産業化的貢獻，絲毫不亞于改良蒸汽機本身。對于這兩者的關系，保爾·芒圖(Paul Mantoux)說得很清楚：“發明是一回事，會經營利用發明物卻是另一回事。”[2]幸運的是，在這方面瓦特遇到了多位貴人相助。
瓦特的第一位貴人是物理學家與化學家約瑟夫·布萊克（Joseph Black）。瓦特和布萊克的友情始于格拉斯哥大學工作期間，瓦特曾為布萊克制作過一台風琴，布萊克對瓦特的幫助則猶如“及時雨”，正如前文所述，他不僅給瓦特講授了“潛熱”理論，每當瓦特在遭遇瓶頸或是走投無路時，他總是給予最慷慨和無私的幫助。
格拉斯哥大學。
瓦特的第二位貴人是企業家約翰·羅巴克（John Roebuck）。1765年，經格拉斯哥大學教授布萊克的介紹，瓦特結識了羅巴克。那時的瓦特幾乎一文不名。由于負擔不起蒸汽機昂貴的研制費用，他幾乎放棄了對蒸汽機的改良，改行在卡爾多尼亞運河工地當一名測量員。在這一過程中，他結識了羅巴克，後者當時剛剛取得了福斯河右岸博羅斯托内斯煤礦的開采權。正如前文所說，當時蒸汽機最主要的用途就是在煤礦抽水。羅巴克敏銳地嗅到了蒸汽機未來的市場前景，他與瓦特簽訂了一份合同，羅巴克負責向瓦特的債權人償付1000英鎊債務。作為交換，瓦特将未來蒸汽機利潤的三分之二交給羅巴克。保爾·芒圖稱，“這份合同在蒸汽史上創造了一個時代，蒸汽機正是從那個時候走進了實驗室”。這位《十八世紀産業革命》的作者稱，瓦特總是遲疑、猶豫、不滿意自己，他需要一個人去鼓勵、鞭策他前進，羅巴克以無比的熱情扮演了這個角色。
瓦特的第三位貴人是馬修·博爾頓（Matthew Boulton）。就像布萊克将瓦特介紹給羅巴克一樣，瓦特是通過羅巴克結識了博爾頓。相比羅巴克，博爾頓此時已經是英格蘭頗為顯赫的實業家。當他通過羅巴克獲悉了瓦特正在改良蒸汽機時，很快對這個項目産生了濃厚的興趣。彼時，博爾頓也在為如何提升蒸汽機在礦山中的效率發愁，先後請教過本傑明·富蘭克林和伊拉茲馬斯·達爾文博士，但都未能如願。
馬修·博爾頓畫像。來源/紀錄片《大國崛起》截圖
1767年，瓦特路過伯明翰時，參觀了博爾頓在索霍的工場，對當地的冶金工業印象深刻，兩人一拍即合。而陷入經營困難瀕臨破産的羅巴克也願意成人之美，在羅巴克的見證下，博爾頓成為了瓦特此前專利技術的受讓人。對于蒸汽機的發展前景，博爾頓看得更長遠，他說：“我的意見是在我的運河邊上建立一個工廠，在那裡我想安置制造機器所必需的全套設備，而且這個工廠可以提供給世人各種大小的機器……僅僅為是哪個郡制造，那就不值得費事了。值得費事的，是為全世界制造。”而瓦特一如既往地癡迷于改良蒸汽機，就像他之前在寫給朋友的信中所說：“我的全部精力都集中在這台蒸汽機上，對其他事情毫無興趣。”[3]當一個癡迷于設計的“發明家”與一個堅信其市場前景的實業家相結合，兩者的合力是巨大的，無怪乎50英鎊背面将二位并列，分别引用了兩人的一句名言，瓦特：“除了這台機器，我别無所思”。博爾頓：“先生們，我在這裡出售的是全世界都渴望得到的——動力。”
50英鎊背面将二位并列。攝
不是煤炭，而是經濟
有趣的是，經曆了瓦特的改良後，蒸汽機并沒有如想象中那樣迅速在英國和歐洲世界鋪開，而是經曆了近半個世紀的踟蹰，最終在19世紀中期才逐漸取代原先的動力模式，成為英國工業革命的引擎。
之所以蒸汽機不受當時英國人待見，也不難理解，因為蒸汽機的效率太低，比不上18世紀英國普遍使用的水能動力，但耗費又非常高昂。舉例而言，在瓦特改良蒸汽機之前，蒸汽機每産生1馬力需要消耗30磅煤，在瓦特改良蒸汽機後，這一數字下降到12.5磅，渦輪蒸汽機則進一步減少到5磅。對于資本家來說，産出與成本的比例是生命線。瓦特蒸汽機産生1馬力的成本達到33英鎊，經過30年改進下降到20英鎊，而渦輪蒸汽機隻有4英鎊，終于超越了水能等其他動力來源。
這其中最生動的案例莫過于在紡織領域蒸汽機對于水能的替代。
1765年，詹姆斯·哈格裡夫斯（James Hargreaves）發明了多軸紡紗機（即珍妮紡紗機），并很快在英格蘭北部流傳開來。在技術革新的刺激下，英國的紡織業完成了從小作坊生産向大工廠生産的轉型。但無論是小作坊還是大工廠，紡織機的運轉都離不開驅動力，這種動力必須能驅動數台、數十台，乃至數百台的紡織機同時工作，在18世紀中期，瓦特改良的蒸汽機尚不成熟，主要的動力來源仍是水力。
位于瓦特家鄉蘇格蘭低地的拉納克恰好蘊藏着豐沛的水力資源，克萊德河從拉納克南邊流過，上遊處有幾處落差頗大的瀑布，河水順流而下，為拉納克提供了豐沛的水能資源。
在18世紀末，歐洲三大空想社會主義者羅伯特·歐文決定建設新拉納克的時候，水力仍是紡織機最主要的動力來源，但這時，“蒸汽機”已經開始進入到了他的視野。一開始，蒸汽機隻是水力機的輔助工具。1780年左右，理查德·阿克萊特在他曼徹斯特的工廠内開始使用紐康門的抽水機。兩年後，一些英格蘭的紗廠主請求瓦特給他們提供一批蒸汽機。當時瓦特對待這批訂貨相當冷淡。他在寫給博爾頓的信中寫道：“這些人寫給我的信以及他們派到這裡的人，使我懷疑他們的能力。如果你經過曼徹斯特回來，請你不要尋找紗廠的訂貨，我聽說那麼多的工廠設在北部水流的岸邊，這項工業不久就一定會過多了。我們會有徒勞無獲的風險。”但僅僅兩年後，瓦特就不得不承認：“當工廠能對燃料的消費量和成本做出抵償時，蒸汽機就一定能用于紗廠”。[4]到了19世紀初期，蒸汽機不僅在經濟發達的英格蘭大行其道，就連在蘇格蘭也漸趨流行。這樣一來，僅憑水能為動力的新拉納克棉紡廠在蒸汽機驅動的工廠面前變得毫無優勢，從此一蹶不振。
新拉納克。
從這個案例中我們不難發現，無論是蒸汽機的改良還是後期的推廣，其核心問題并不是技術問題，而是經濟學問題：發明蒸汽機固然不是一件容易的事，但在18世紀中後期，限制其發展的所有技術瓶頸其實都已經解決。制約蒸汽機改良和推廣的，已經不再單純是技術因素，而是成本與産出的關系。
當外部的經濟環境發生改變，新技術在經濟上的應用價值對傳統經濟結構造成沖擊時，新技術和新設備推廣的臨界點就已經到來。這就像一顆火星一樣，點燃了技術革命的引擎，從而帶動了蒸汽機時代的到來。
因此，蒸汽機的問世，與其說是一個技術問題，不如說是一個經濟學問題。從這個角度看，推動蒸汽機發展的“燃料”不是煤炭，而是資本。
來源/節目《解碼科技史》
參考文獻： 1.[美]安德魯·卡内基：《瓦特傳：工業革命的旗手》，南昌：江西教育出版社，2012年 2.[英]歐内斯特·莫斯納、伊恩·辛普森·羅斯編：《亞當·斯密通信集》，林國夫、吳良健等譯,北京：商務印書館，2012年 3.[法]保爾·芒圖：《十八世紀産業革命》，北京：商務印書館，2016年版 4.金志霖：《英國行會史》，上海社會科學出版社，1996年版
注釋： [1][美]安德魯·卡内基：《瓦特傳：工業革命的旗手》，第41頁。 [2][法]保爾·芒圖：《十八世紀産業革命》，第287頁。 [3][美]安德魯·卡内基：《瓦特傳：工業革命的旗手》，第45頁。 [4][法]保爾·芒圖：《十八世紀産業革命 》，第298-299頁。
END 作者丨趙博 編輯 |詹茜卉 校對 |彥文
*本文系“國家人文曆史”獨家稿件，歡迎讀者轉發朋友圈。
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