谈工业革命(一)瓦特的水壶:神话与现实

逐渐关注技术史研究,工业革命当然是重中之重。但和科学革命一样,这样重要的历史阶段,在中国学界受到的关注还非常少。

“工业革命”这个概念倒是非常热门,主要是鼓吹现在或未来的所谓第四次工业革命,大约第三次指的是信息革命,第四次指的是大数据或者是人工智能。但正牌的工业革命,或者说两次工业革命,研究得就很浅了,西方的学术著作也翻译得不多,一些不错的,主要也是偏重经济学角度的,而罕见从科学史家的视角来做的工业革命研究。

我最近做了几份有关工业革命的东西,包括课堂讲义、学术报告和节目底稿,但还没有一个成型的文本,接下来应该要整理出来一篇通俗文章和一篇学术论文,在此之前,简单地把其中一个核心问题整理出一段小文章:

 

一、虚构的水壶

1988年格拉斯哥(瓦特故乡)花园节的大水壶,水壶译成工业革命的“图腾”

瓦特的“水壶”是一个耳熟能详的“神话”故事,我小时候也听过。这个故事有许多版本,大致上说的是:瓦特小时后就充满好奇心,关注到水壶烧开水后水蒸气顶起壶盖的景象,开动脑筋,从此萌发了利用蒸汽动力的想法。

在知网上搜到的文章中仍然有这一故事

这个故事显然是虚构的,它至少有两大漏洞:首先瓦特并不是蒸汽机的首创者,类似的引擎早就流行了几十年,瓦特不需要从水壶中重新发现蒸汽的力量,而是针对现成的钮可门蒸汽机进行微小改良。

其次,瓦特和钮可门的蒸汽机,都不是利用蒸汽膨胀而顶出来的压力,而是正相反,利用蒸汽冷凝之后“缩回去”的力,也就是缸内真空导致外部大气压做功,原理和蒸汽顶开壶盖完全不同。

和牛顿的苹果一样,瓦特的水壶故事也是诸多科学史虚构故事之一,基本套路无非是“好奇——观察——灵感——发现”等等,突出的是科学家天赋异禀的创造力。许多故事最初甚至是科学家本人或其亲属虚构出来的,目的是强调自己的“优先权”。后人也确实或多或少地因为这些虚构的故事而产生误会,忽略了那些创新的“肩膀”,仿佛那些发明都是源自对自然现象的直接把握,凭空就创造出来了。

一只苹果把胡克从万有引力的发现史中抹掉了,而一只水壶也把钮可门和萨弗里的蒸汽机掩盖了。事实上牛顿也好,瓦特也罢,他们的工作都是在前人的肩膀上完成的。

利用蒸汽动力的技术,最早可以追溯到希腊化时期的希罗,他记录了一种“汽转球”装置,利用喷出蒸汽时的反作用力带动一个空心铜球旋转。类似的装置在后来的阿拉伯世界还有人做过。这倒是更接近于“壶盖”的原理了。但是瓦特前后的蒸汽机并不是基于希罗的汽转球发展而来的。

在17世纪初,托里拆里、波义耳等人就揭示出“真空”的力量,著名的马德堡半球实验也发生于那段时期。在17、18世纪,科学日益走向大众,所谓的实验科学,最初主要就是公共表演,而真空泵又是最具观赏效果的仪器之一,所以说到了18世纪,在欧洲的知识阶层,对大气压力的认识应当已经成为常识了。

用各种方式利用大气压力的努力也一直就有,关键就是如何制造真空的问题。真空泵是利用抽气筒来制造真空,这本身需要消耗机械动力,再让真空泵反过来提供动力显然没多大实用意义。而蒸汽的冷凝就是更好的制造真空的方法,让蒸汽充满容器之后使之冷凝,真空就形成了,至于蒸汽的制造,消耗燃料就可以了。

这种利用蒸汽把燃料转化为动力的努力,萨弗里也不是第一个,只不过萨弗里的蒸汽泵是第一个成功在商业化应用的(1698取得专利),在煤矿部署用来抽水,稍后的钮可门蒸汽机增加了活塞,产生往复机械运动。

瓦特的贡献不是在如何制造蒸汽方面,也不是在如何利用大气压做功方面,而是在如何让蒸汽冷凝的方面。瓦特发明了独立的冷凝缸,而不需要在汽缸内冷凝,因此汽缸可以始终是热的,而冷凝缸始终是冷的,大大减低了能量浪费,提升了钮可门蒸汽机的效率(3到4倍)。

技术原理方面不多介绍了,简单总结来说,瓦特改良蒸汽机是站在前人的肩膀上,从科学理论上说,可以追溯到大气压的发现,从技术实践上,直接的前辈是萨弗里和钮可门。而瓦特的创新之处主要是设立了独立的冷凝缸。

因此,被蒸汽顶开的壶盖无论从理论上还是实践上都不能成为瓦特蒸汽机的源泉。

二、真实的水壶

但是不是说,瓦特的工作与水壶毫无关系呢?也未必如此。

事实上,水壶故事不是晚近的发明,早在19世纪初,就已经有所传播了。最早的版本应该是由瓦特的儿子,小詹姆斯·瓦特(瓦特祖孙三代都叫詹姆斯·瓦特,我也是醉了)转述,据称是由瓦特姨妈讲述的故事。

当然了,即便这个故事是由瓦特本人讲述的(好比牛顿的苹果),也未必能证明它是真的。除了真伪问题,更值得注意的是这个故事在传播过程中的版本变化。

瓦特之子最初讲述这个故事时,就按照他的理解做了订正[1],他认为瓦特关注的不该是“蒸汽的力量”(the power of steam),而是“蒸汽的性质”(the properties of steam)。

根据科学史家米勒的考证[2],在水壶故事的早期版本中,描绘的小瓦特并不是在观察蒸汽顶开壶盖,而是拿着一支银汤匙放在壶口附近,观察蒸汽冷凝的现象。

下面两幅19世纪的油画展示了水壶故事的两个版本:

http://www.rosscollection.co.uk/catalog/im230006.htm

瓦特观察蒸汽顶壶盖

瓦特观察蒸汽在银匙上冷凝

无论真相如何,这个冷凝版的故事的确更加合理,因为这一兴趣确实对应了瓦特最后对蒸汽机的改进(冷凝缸),同时,也与瓦特毕生的兴趣更加吻合。

米勒提示出,瓦特从来不是一个力学家(机械学家),在理论科学方面,瓦特基本上是一位化学家,燃素化学是他一贯的研究焦点,特别是关于水的成分的问题。

现在我们能够比较明确地区分化学与物理学,我们把水的三态变化归入物理而不是化学,但在瓦特那里,界限并不明朗,水的气化和冷凝也被视为化合或分解的反应,在当时盛行的燃素化学和热质说看来,“热”也是一种物质,热与水之间的分合解释了水的相变。

瓦特对水和气体有着长期的兴趣,他曾经发表过两篇理论科学方面的论文,一篇是关于水的组成问题,另一篇则是讨论“人造气体的药用价值”。科学史家麦克莱伦认为,这两篇论文“都是用燃素化学来论述,与他的蒸汽技术毫无联系”[3],但这种判断显然非常轻率,事实上,燃素说固然错误,但未尝不可能产生积极的启发。我们可以合理地想象:瓦特对燃素化学的长期兴趣,促使他密切关注水蒸气的冷凝现象,最终才能够想到在蒸汽机中通过改善冷凝而省热这一关键环节。

除了“燃素化学”这一方面,“水壶”还标志着瓦特蒸汽机的另一个基础,那就是“实验”。我们知道那时候的蒸汽机都是非常巨大的,瓦特在研究和设计之初,并不能真正造出一架实际的蒸汽机再来“调试”,他是在实验室里进行模拟实验的。而在瓦特蒸汽机真正实际投产之前,瓦特就对它能提高多大效率胸有成竹了。

事实上,水壶正是瓦特进行水的“化学”实验关键仪器。有证据证明,瓦特的确在其实验室中使用水壶作为产生水蒸气的装置。在改进蒸汽机的那一年(1765年),瓦特的一页手稿(下图)就清晰地绘制了一个小水壶(上下文大致在说水蒸气冷凝之前后体积大约变化30倍)

http://www.libraryofbirmingham.com/treasures

瓦特1765年手稿

这个真实的水壶确实为瓦特蒸汽机的发明提供了启发,但与“壶盖”无关。

三、 瓦特的朋友圈

我们已经看到,瓦特不是蒸汽机的独创者,在他之前有许多蒸汽机,与他同时,其实也有许多其他人在改良蒸汽机。但最终脱颖而出的是瓦特,除了技术本身的原因之外,也与瓦特的创业头脑与创业环境有关。

瓦特蒸汽机比钮可门蒸汽机的效率提高4倍(燃烧的同样的煤能够抽取4倍的水),这个效率在当时肯定是最高的,但也不至于有那么决定性的差距,事实上还有其它人的改进版本也不错,比如斯米顿大概把钮可门蒸汽机的效率提升到2倍乃至3倍。

瓦特的成功与其“朋友圈”分不开。在改良蒸汽机之前,瓦特在格拉斯哥大学开设工坊(1757),专职负责仪器修理,同时,他就与许多大学学者保持联系,建立友谊,其中包括物理学家和化学家布莱克,以及大名鼎鼎的亚当·斯密。

在格拉斯哥大学,他还与建筑师和商人约翰·克雷格(John Craig)合伙,制造和销售乐器和玩具等各种商品。这一合伙经营的关系延续了6年。在改良蒸汽机之后,他先后与罗巴克和博尔顿合作。与克雷格的合作平淡无奇,与罗巴克的合作以失败告终,唯独最终与博尔顿的合作才大获成功,但前两次合作经营的经验教训显然是不可忽略的。

与罗巴克的合作之所以失败,主要是因为活塞和汽缸的加工工艺不到位。罗巴克的大笔投资最终打了水漂,最终濒临破产,还不出债务,最终把瓦特的专利也抵偿给了债主。好在罗巴克的债主博尔顿没有让这份专利埋没,他继续与瓦特合伙,帮忙游说政府延长了专利的期限,同时提供了最好的工艺水平制造出满足要求的活塞与汽缸,终于让瓦特蒸汽机实际投产销售。

博尔顿&瓦特公司更是采取了绝佳的销售策略,他们为矿场主免费上门安装,在蒸汽机成功运转之后,才根据新款蒸汽机相对于钮可门蒸汽机所节省下来的燃料,按一定比例抽取租金。这个销售策略无疑最大限度减轻了矿场主更换机器的顾虑,让瓦特蒸汽机迅速取代了钮可门蒸汽机的市场份额。

可见绝妙的发明并不会导致成功的产品自动产生。如何把设计转变为产品,把发明转变为财富,也是创业与创新过程中的重要环节。当然,可观的经济收益不止能让发明家和企业家赚得盆满钵满,也促进了技术发明的进一步完善,瓦特和博尔顿一直都在不断改良他们的蒸汽机,包括太阳与行星齿轮联动等。

瓦特在成名前后始终保持与科学家的密切联系。博尔顿就是著名科学社团,月光社(圆月学社)的最主要的发起人和赞助者之一。月光社以成员约定在满月时分聚会而得名,以企业家与学者平等交流为宗旨。主要的成员包括著名企业家博尔顿、韦奇伍德,学者伊拉斯谟·达尔文(查尔斯·达尔文的祖父),富兰克林、普利斯特列等等。瓦特受罗巴克介绍来访问伯明翰时,在和博尔顿打交道之前就先打入了月光社,向威廉·斯莫尔(William Small)和伊拉斯谟·达尔文等人作了报告。后来瓦特逐渐进入月光社的核心圈子,长期参与聚会,并与其他成员保持通信。

四、总结

解构了神话版的水壶故事之后,并不会让瓦特的历史地位打上折扣,他仍然是工业革命的标志人物。他和牛顿类似,几乎是整个时代各条线索的会聚——科学家、工匠、商人三重身份会聚一身;数学、机械学、化学和实验科学等多门新科学融汇一体;科学社团的兴起、专利制度的发展、重商主义的兴盛等等社会因素的交汇……在瓦特身上,我们可以找到整个时代的缩影。

参考资料

[1]
MILLER D.P. James Watt, chemist : understanding the origins of the steam age[M]. Pickering & Chatto, 2009.
[2]
MILLER D P. True Myths: James Watt’s Kettle, His Condenser, and His Chemistry[J]. History of Science, 2004, 42: 333.
[3]
麦克莱伦 . 世界科学技术通史[M]. 上海科技教育出版社, 2007.

关于 古雴

胡翌霖,清华大学科学史系助理教授。本站文章在未注明转载的情况下均为我的原创文章。原则上允许任何媒体引用和转载,但必须注明作者并标注出处(原文链接),详情参考版权说明。本站为非营利性个人网站,欢迎比特币打赏:1YiLinDDwvBLT19CTUsNHdiQhXBENwURb

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