发明的时代：空气科学的重要性

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从更广的视角来谈技术的变革、人类生活方式的形成和未来趋势等，对激发研究灵感很有帮助。

撰文｜Anton Howes（发明史学家）选题 | 吴建峰 
翻译 | 江默柔审译 | 王梓诚

来源：Rutherford, John. View on the Midland Railway. c. 1845. Getty Images,

www.gettyimages.com.au/detail/news-photo/coloured-lithograph-by-john-rutherford-steam-locomotives-news-photo/90747463.

为什么蒸汽机发明于英国？有太多事情都与这个问题有关。因为要回答这个问题，往往要从更广的角度去理解什么促成了英国工业革命。英国创新的加速，固然远不只体现在棉花、钢铁、煤炭等代表性产业上。但经济上，向化石燃料转变，这是前所未有的大事件。在煤炭兴起前，土地必须提供燃料、食物或衣服：一般来说，森林提供柴火，田地生产谷物，牧场喂养产羊毛的绵羊。但是，等到十九世纪，煤炭作为燃料，在英国提供的能量，相当于1100万英亩森林提供的能量。这个面积占英国国土面积的三分之一，是英国森林面积的许多倍。通过挖煤，英国有效地扩大了空间。
煤也有新用途。传统上，它仅仅是众多燃料中的一种，用来供暖，与泥炭、荆豆、木柴、木炭甚至牛粪一样。这些燃料用在工业上，通常都只用于直接加热，如烤砖、蒸发海水提炼盐、用于铁匠的锻铁炉和玻璃厂商的熔炉等。不过，在整个十七世纪，煤逐渐成为家庭取暖和工业上更被偏爱的燃料。尽管它有诸多缺点，如烟尘大、气味大、不健康等，但在伦敦等地，煤仍然十分便宜，而其他燃料的价格则稳步上涨。越来越多的行业适应了烧煤。例如，经过几十年的改良和实验，人们可以有效地用煤来炼铁。

来源：London Smoky Chimneys. Flickr, www.flickr.com/photos/eliaslondon/258967117#.

不过，随着蒸汽机的发明，煤的工业用途进一步拓宽了。尽管最早的用途，往往只是将矿井中的水吸走，但到了1780年代，蒸汽机也开始被用于转动其它机械。1830年代，蒸汽机对英国的经济增长已经有明显的作用，并被应用到了动力机械上。蒸汽艇、蒸汽马车、蒸汽火车、蒸汽轮船大量涌现，人与人之间的距离被大幅缩小。煤不再只是热的来源，更替代了水、风、人、动物等成为一种“新能源”。
这种革命性的发明是怎么出现的呢？当然，西方古代就已出现了由蒸汽驱动的设备，如汽转球（aeolipile）。公元一世纪，据亚历山大港的希罗（Hero of Alexandria）描述，汽转球由一个空心球和几个喷嘴组成，蒸汽进入球内，再经喷嘴喷出，从而使球发生转动。但汽转球更像是汽轮机，不是蒸汽机，它不能做太多抬升的动作。17世纪末到18世纪初的这段时间，关键性的技术突破出现了。与之前不同的是，人们这一次利用了真空。蒸汽机中，主动力不是靠蒸汽本身推动活塞，而是将含有蒸汽的气缸浸在冷水中，使蒸汽迅速凝结。由此气缸内就产生了部分真空，空气的重力（即大气压）就会推动活塞，做提升运动。十八世纪德文郡（Devon）的五金商人托马斯·纽科门（Thomas Newcomen）首次运用到了蒸汽机。
这个过程中，科学十分重要。如果人们没有发现空气有重量（这一观察结果很基本，但不显眼），纽科门的蒸汽机就不可能被构想出来。接下来，还要用气泵、气压计甚至火药做几十年的实验，人们才能意识到冷凝蒸汽就可以快速制造真空，而不必用泵将空气吸出。还需要再过几十年，人们才能将这一观察结果靠谱地应用到机械装置上。之所以能够创造蒸汽机，一个重要原因是，有足够庞大、组织严密的群体，在研究空气的本质，并与他人分享观察、出版研究结果。1660年代初，英国皇家学会的创立，使得这一群体间的往来与通信被官方认可。
不过，许多研究空气本质的实验者，比如埃万杰里斯塔·托里切利（Evangelista Torricelli）、奥托·冯·格里克（Otto von Guericke）、丹尼斯·帕潘（Denis Papin）和克里斯蒂安·惠更斯（Christiaan Huygens），都是意大利人、德国人、法国人或者荷兰人。像惠更斯和帕潘这样的科学家，可能与英国皇家学会有过来往。但皇家学会不过是更为广阔的欧洲科学家网络的一个分支。那么，为什么科学发现偏偏在英国得到了应用呢？有一个著名的说法认为，这与英国的资源成本，特别是煤的存在有关。经济历史学家罗伯特·艾伦（Robert C. Allen）就充分认识到，十七世纪的科学发现固然发挥了关键作用，但同时“如果没有英国煤炭工业，就没有必要花大笔钱去开发蒸汽机”。

英国煤矿分布丨来源：Donnelly, L.J. “A review of coal mining induced fault reactivation in Great Britain.” 

Quarterly Journal of Engineering Geology and Hydrogeology, 1 Feb. 2006, dx.doi.org/10.1144/1470-9236/05-015.

艾伦解释称，早期的蒸汽机能耗非常大，只有直接应用在所使用煤的那个煤矿，成本才划得来。因此，艾伦认为，英国煤矿分布广、数量多，新兴的蒸汽机作为一项技术，能够保留足够长的时间，等待其他发明家持续开发、改良，直到将其运用到其他矿井、用作旋转运动都变得划算了。他还表示，仅仅因为英国煤矿的数量多于其他地方，身处英国的发明家就贡献了更多改进蒸汽机的技术。煤炭是这一新兴工业的摇篮。
但这种看法并不完全正确。问题出在细节。艾伦自己也意识到，尽管蒸汽机第一次正式投入使用，是1712年在一个煤矿中，但纽科门早在1700年至1710年期间，就在康沃尔（Cornwall）做过蒸汽机实验。艾伦观点中存在的问题是，最早的蒸汽机是用在锡矿，而不是煤矿的。实际上，要发明使用煤的蒸汽机，很难想象有哪个地方的比康沃尔成本更高。之所以这么说，是因为在西莉亚·费因斯（Celia Fiennes）的旅行记录中，可以发现一些关于康沃尔燃料供应的有趣细节。1698年，距离纽科门第一次建成蒸汽机仅有几年。当时，费因斯到访康沃尔，对此行做了详细记录。费因斯也提到了纽科门特别想解决的问题：康沃尔南部海岸附近的锡矿，当时经常发大水。不过，费因斯也谈到，有两种重要资源严重紧缺：木材和煤。首先，康沃尔几乎没有木材，但无论水泵是由马、水还是蒸汽驱动，木材都是建造水泵必不可缺的材料。不过，十八世纪，政府开始补贴锡的生产，这可能抵消了纽科门制造蒸汽机的启动成本。因此，投资指日可待。（戈多芬伯爵是英国最有权势的大臣之一，他是康沃尔郡锡矿的主要矿主，这一点也起到了帮助。）但另一个明显匮乏的资源是煤，至少康沃尔南部是如此。

康沃尔的地理位置丨来源：Cornwall. My England Visit, www.myenglandvisit.com/places/cornwall-pictures.php.

纽科门的蒸汽机丨来源：Figuer, Louis. Merveilles de la science. 1868. Wikipedia,upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/d/d5/Newcomen_Figuier.jpg.

康沃尔的煤大都是从英国西海岸的威尔士或布里斯托尔通过船运过来的。然而，费因斯指出，战争时期，伺机而动的法国海盗威胁很大，运煤的船要绕过兰兹角（Land’s End），驶入英吉利海峡（English Channel），风险大幅增加。因此，康沃尔北部海岸，能低价买到布里斯托尔运过来的煤；但战争时期，南部海岸几乎根本买不到任何燃料，无论是煤还是柴火。费因斯描述了如何用当地丰富的荆豆煮晚饭，但只有在特殊场合，当地的人家才舍得烤一顿饭，因为烧烤需要更稀缺的柴火。费因斯写作的时候，英法九年战争刚刚结束，康沃尔南岸又开始定期收到煤和柴火的供应。但紧接着，西班牙王位继承战争爆发，并从1702年持续到1713年，几乎正好与纽科门做实验的时间重合。在这场战争中，法国海盗在英吉利海峡尤为猖獗，因此康沃尔南部海岸，很可能高度依赖当地的燃料。煤炭和木材都非常稀缺。
如果纽科门是在煤炭供给充足的康沃尔北海岸做实验，那么艾伦的叙述就可能是对的。但事实恰恰相反。所以说，问题出在细节。詹姆斯·格里纳（James Greener）是研究纽科门的专家，他重新梳理了早期蒸汽机发明的时间表。多亏他细心工作，人们可以推测，最早的蒸汽机很可能是在1703年前后，在巴尔科思（Balcoath）制造出来的。巴尔科思是整个康沃尔郡内，位于最内陆的矿井之一，离它最近的两个港口都在南海岸，南海岸却又燃料供应不足。如果要从最近的北部港口，通过陆路运输煤炭，那么成本高得无法想象。所以，当时纽科门是如何为蒸汽机提供燃料的呢？他可能压根就没用到煤炭，因为巴尔科思周围的高沼地有大量草炭。事实上，一些十九世纪的资料明确显示，第一台蒸汽机是用草炭或泥炭来提供动力的。不过，遗憾的是，这一说法找不到原始记录（这种情况在维多利亚时代十分常见）。
纽科门发明的第一台稳定运行的蒸汽机，很可能是用草炭而非煤，作为燃料的。有趣的是，这样的蒸汽机可能不只一台。1717年，纽科门发明的蒸汽机首次出口，由威尼斯外交官尼可洛·特隆（Nicolò Tron）带到意大利，用于排干沼泽地的水。几乎可以肯定，这些蒸汽机的燃料也是草炭。特隆遇到的主要问题不是盈利，而是他的英国工程师到了意大利之后不久，就在河里洗澡时意外溺亡了。据说，后来特隆还用这些蒸汽机为矿井排水，但他的矿井经理詹姆斯·斯特林（James Stirling）窃取了威尼斯制造玻璃的秘方，很快就不得不逃回家。
接着，在康沃尔，又有两台蒸汽机投入应用。尽管这两台以煤为燃料，它们并不用在煤矿，而是在锡矿抽水。这次人们可以轻易从北部沿海，得到威尔士和布里斯托尔的煤。艾伦可能会争辩说，这两个新增的锡矿都没有盈利，因此蒸汽机必须用于煤矿。但是，格里纳指出，盈利失败是因为受到政治影响：1710年，英国当时的政党托利党（Tory）取得了压倒性胜利，海运煤炭成为加税对象。当年，煤的税率略微上调，可能促使纽科门寻找新矿，尤其是到英格兰中部地区那些未受影响的内陆煤矿，并将蒸汽机应用在到矿井上。而康沃尔的锡矿一直使用蒸汽机到1713年。那一年，政府对煤收的税翻了一番，蒸汽机的成本高企，以致两个锡矿都要停工。尽管遭遇挫折，纽科门似乎仍想把蒸汽机应用在锡矿，并于1718年在锡矿重新启用蒸汽机。不幸的是，在接下来的一年，政府又一次大幅提高了海运煤炭的税率。到1721年，康沃尔已经没有蒸汽机了。英国只剩下为煤矿排水的蒸汽机。

1790年代，纽科门蒸汽机在煤矿中的运用丨来源：Coal-mine in the Midlands in the 1790s featuring a Newcomen engine adapted for rotary motion. c. 1790s. Spartacus Educational, spartacus educational.com/Thomas_Newcomen.htm.

这些细节很重要。首先，在蒸汽机发明和应用的初期，煤炭显然不是必要的，尤其是在第一次应用时，蒸汽机是以草炭为燃料的，更不用说蒸汽机在英国以外的第一次应用了。另外，英国煤矿的存在，似乎对纽科门蒸汽机的改进并无促进作用。如果蒸汽机继续在康沃尔的锡矿中抽水，这项技术也很容易得到改进，燃料可以来自任何地方，甚至是附近比利时的煤矿——前提是，政府没有反复干预，提高海运煤炭的价格。
总的来说，这些细节提高了大气科学的相对重要性。尽管许多研究大气压的关键人物不是英国人，但作为一个机构，英国皇家学会成功地把许多重要科学家吸引到了自己身边。在克里斯蒂安·惠更斯（Christiaan Huygens）、丹尼斯·帕潘（Denis Papin）、罗伯特·胡克（Robert Hooke）、罗伯特·博伊尔（Robert Boyle）、亨利·贝顿（Henry Beighton）、约翰·西奥菲勒斯·德萨古莱尔（John Theophilus Desaguliers）和托马斯·塞维利（Thomas Savery）的影响下，纽科门这样有进取心的五金商人，在英国可以获得很多灵感。

英国皇家学会的会议丨来源：Fairholt, F. W., et al. A Meeting of the Royal Society At Somerset House In the Strand. 1884. Wellcome Collection, wellcomecollection.org/works/qt9dyq7t.

本文经授权转载自微信公众号“沪港发展联合研究所”。

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