一 第一次科技产业革命即蒸汽革命简史

蒸汽革命根植于英国纺织工业迅猛发展的强烈需求。毛纺业在16世纪一直是英国的传统手工业，进入17世纪，因为英国消费者对棉布的偏爱，且国会为了保护本国产业禁止进口外国棉布，所以新兴的棉纺业得到了巨大商机。在整个17世纪上半叶，围绕纺纱机和织布机的创新发明不断涌现，纺织机的工作效率也越来越高，但是，依靠人力、畜力、风力和水力这些传统能源驱动纺织机已成为产业发展的瓶颈。为新兴产业注入新能源成为每个工厂主、工匠、工程师和发明家的共同心愿，因为这个领域商机无限。

（一）为机器大工业提供动力的蒸汽机：从抽水机到“万用动力机”17世纪的英国，经济蓬勃发展，煤作为最重要的燃料被广泛使用到生产和生活领域。

在17世纪，英国开始采用煤作为工业和生活燃料，以解决能源问题。产量的增长十分可观：1560年英国的煤产量大约为25万吨，到1750年产量已经达到470万吨。从1700年开始，英国的煤产量占整个欧洲产量的80%——英国领导世界进入一种新型能源经济的时代。实用、易开采、储量巨大的廉价煤炭使用个人获得了欧洲其他国家甚至世界上其他国家所不知道的巨大财富。到了18世纪60年代，由于广泛使用煤炭来供热，英国迅速致富；紧接着煤炭的使用（作为能源和机械的动力），发生了突破性进展，在工业生产领域引发了革命。[1] 英国在1560—1800年间，煤炭产量增长了66倍。……英国煤炭工业早在工业革命之前就已经先行一步，取得了别国难以匹敌的领先地位。1800年前后，就全世界煤炭产量而言，英国所占的比例已高于所有其他国家的总和。由于英国的煤炭储量极为丰富，于是就出现了燃料价格低得出奇的现象。在18世纪的英国，无论在哪一片矿区，井口的煤炭售价一般为每吨4—5先令（1英镑等于20先令），或者说每能释放1M Btu（百万英热单位——引者注）热能的煤炭售价0.75 克白银[2]。在17世纪末的英国，作为社会最底层的茅舍农和穷人，家庭年人均收入约为2.0 英镑。家庭平均人口约4.5人。[3]

显然，煤炭属于穷人都用得起的燃料。旺盛的煤炭需求促成了采矿业的繁荣。随着矿井越挖越深越开越大，借用人力和自然力来提水、排水已经难以适应采煤业的需要。这种窘境迫使矿主、工匠和发明家们要尽快研制用于矿井排水的动力机械。1698年英国德文郡一位富有的绅士托马斯·萨维利（Thomas Savery，1650—1715）发明了蒸汽泵并获得了专利。“1698年7月25日，萨维利由于‘在火力的推动下将水抬高’得到了一份为期14年的专利。1699年这份专利又被延长了21年。”[4]这是第一台投入实用的蒸汽机。萨维利的发明受到在伦敦工作的法国物理学家丹尼斯·帕潘（Denis Papin，1647—1712）的启发，他1679年发明了“蒸煮器”（高压锅的鼻祖），1690年发明了单缸活塞式蒸汽机——尝试用蒸汽提供动力且仅限于实验。萨维利发明蒸汽泵是为了用于抽水，当时矿井排水成为大难题，政府和矿主多方悬赏解决办法无果。蒸汽泵能够排水但缺点十分显著：它不能将水提到30 英尺以上的高度，因为发明者无法解决安全使用高压蒸汽的技术，而且，热效率太低，以至于未能在矿井推广，只能充当贵族花园的水泵。蒸汽机从实验室进入实用领域终于迈出了艰难的一步。

经过对萨维利蒸汽泵数年的研发改进，英国铁器商人（本身也是技艺出色的铁匠）托马斯·纽卡门（Thomas Newcomen，1663—1729）于1705年造出一台专门用于给矿井抽水的蒸汽机。作为一个勤劳的铁匠和颇具商业眼光的铁器商，纽卡门长期给煤矿、铜矿和锡矿供应各种设备，他深知抽水机的价值。这台机器吸取了帕潘蒸汽机和萨维利蒸汽泵的优点，有一个带活塞的气缸，但蒸汽由另外的锅炉输入，其热效率大大提高，它依靠大气压而非蒸汽压力工作，故不存在高压蒸汽的危险性。

像许多发明家一样，纽卡门也迫切希望给自己这项发明成果申请专利以获取应得利益。岂料萨维利已经捷足先登，在1698年就申请到了为期35年的专利权，截至1733年到期。而纽卡门与1712年推出的新型蒸汽机尽管与萨维利的发明成果差别很大，但最终仍被专利机构认定两者存在关联，故未能申请到专利保护。而此时距萨维利的专利权到期尚有漫长的21年时间，最终纽卡门不得不与萨维利达成妥协，在做出诸多让步之后，总算实现了和萨维利的专利共享，勉强获得一些收益。[5]

纽卡门的蒸汽机非常实用，到了1712年，英国的煤矿基本上都采用了这种新式蒸汽机并使用了长达半个世纪之久。纽卡门蒸汽机抽水效率极高，它“操纵一个直径16 英寸的活塞，每隔4.5秒活动8 英尺的距离。这是一个惊人的技术成就，它通过交替喷射蒸汽和冷水，仅仅使用堆在坑口没有人在乎的煤，就可以每小时抽出33000 公升水。1755年，怀特黑文的矿井是世界上最深的矿井，使用4台纽卡门发动机去抽出800英尺的水”。科学史家评论道：“这是一个取代人力、畜力和水力的机器，它对世界的影响怎么高估都不过分。”很自然，“煤矿的经营者们立刻意识到了它的价值”。“纽卡门并没有自己制造蒸汽机，而是把制造方法和授权卖给那些实际制造者。纽卡门蒸汽机最吸引人的一点就是它可以被任何有能力的当地工程师制造和保有。”“1715年萨维利去世——这是一个重要的时间——因为他的专利权被转给了一家财团，纽卡门蒸汽机的研发和推广使得萨维利的专利变得更有价值。”“工程公司都很清楚萨维利的专利期到1733年，此后他们可以自由制造自己的机器并做出改进。煤溪谷公司创始人的女婿——在1733年给他的合伙人的信中说道：‘由于在火力的推动下将水抬高的专利就要到期了，这个行业一定会有很大发展。’”[6]

“萨维利-纽卡门共享专利权于1733年到期，那时英国境内共有100台左右的纽卡门蒸汽机实现了商业化运营。到1800年，英国境内蒸汽机数量已经增至2500 台，其中60%—70%为纽卡门式蒸汽机。”[7]这种高能耗特性蒸汽机的适用范围被严格限定在煤炭工业内部，只有在煤矿附近它才可以无限量使用难以出售的劣质煤。但纽卡门蒸汽机只能用于矿山抽水而不能满足工业生产对于动力机的需求。

一个注定在工业革命史上成为里程碑的伟大人物登场了，他就是出身于三代工匠世家的英国最杰出的工匠詹姆斯·瓦特。瓦特从1763年开始研究如何改进纽卡门蒸汽机，历经多年研发，瓦特于1769年造出更先进的蒸汽机，并获得了冷凝器的发明专利，改进了纽卡门蒸汽机热效率不高燃料浪费严重的缺陷。瓦特发现制造一个更高效的蒸汽机的唯一方法就是让蒸汽在一个独立的容器即所谓冷凝器当中压缩。这就避免了主气缸在每一次的循环中都要加热和冷却，主气缸可以一直保持较高的温度。这样就节省了燃料，提高了热效率。瓦特蒸汽机成为“蒸汽机革命”的集大成者，成为可用于一切动力机械的万能“原动机”，“蒸汽时代”正式到来。后人为了纪念这位伟大的发明家，把功率的单位定为“瓦特”（简称“瓦”，符号W）。

“在瓦特最初的蒸汽机中，蒸汽只推动活塞下降，这是单向蒸汽机。实际上只是一种改进了的蒸汽机；它不是万能的原动机，而只是具有属于工场手工业时期的原始专门功能的抽水机。”[8] 瓦特“为这一项目先后投入了总额将近1000 英镑的各类开销”[9]，因此而负债累累。为了还债，他被迫放下研发工作应聘做运河测量员，“1769年到1772年，瓦特的主要工作是从事修建从芒克兰到格拉斯哥的运河，担任勘测员，年收入为200英镑”[10]。这在当时的英国属于高收入[11]，但瓦特债务缠身，压力巨大，基本放弃了蒸汽机的研究。“1769年，瓦特给自己发明的分离式冷凝器申请了专利，本指望通过延长转让专利权来抵偿一部分研发成本，但效果并不理想。于是为了将研发继续进行下去，他开始寻求风险资本投资人的支持，并从约瑟夫·布莱克（Joseph Black，爱丁堡大学终身教授、英国最著名的物理学家和化学家——引者注）那里得到第一笔资助。”其实早在1768年，经由布莱克教授的介绍，“约翰·罗巴克（John Roebuck）就曾主动找上门找瓦特商洽合作事宜。罗巴克曾发明过以铅箱（代替易碎的球状玻璃瓶）作为加工容器来生产硫酸的新工艺，同时也是卡伦制铁厂（Carron Ironworks）的创办人。”[12]“瓦特接受他的建议，他们签订了一份合同，合同约定罗巴克负责偿付瓦特的债务一千镑，而且提供必要的资金去完成已经开始的研究和组织在工业上利用研究的结果，他自己保留三分之二的利润作为报酬。”于是，罗巴克成为瓦特的第一个“风险投资人”。因为“罗巴克需要用于煤矿的抽水机。煤矿在福斯河右岸的博罗斯托内斯，前不久他才获得该矿的采矿权”。“这份合同在蒸汽史上开辟了一个时代。蒸汽正是在那时走出了实验室，进入它即将加以改造的工业世界中去，这多亏了罗巴克的大胆的创造精神。”显然，“发明是一回事，会经营发明物却是另一回事”[13]。

罗巴克早先是一名医生，也精通工程技术且富有商业头脑和投资意识。1740年因为发明了一种制造硫酸的方法而改行成为一家大型化工厂的厂主，1759年和朋友合资建立一家制铁厂，还拥有一项制造铁条的专利。到1768年末，瓦特研发的蒸汽机已经有了很大的进步，罗巴克认为是时候申请专利了。当这种机器设计完成的时候，专利会保护他的投资并给他带来利润。罗巴克掏钱注册了一个专利（花了大约120 英镑的巨款），瓦特来到伦敦接受第913 号专利，该专利是“一种减少火力发动机罩蒸汽和燃料消耗的新方法”。该专利签发的时间是1769年1月5日。罗巴克作为瓦特的第一个投资人并没有等到瓦特蒸汽机开花结果的那一天。1770年罗巴克因为新的投资项目（煤矿和化工）失败，而且因为苏格兰银行倒闭受到拖累，1773年宣布破产，他只好将持有瓦特蒸汽机专利权的股份以1200 英镑的高价卖给马修·博尔顿（Matthew Boulton）[14]。对罗巴克而言，投资瓦特蒸汽机成为他最优良的资产，他获得了数倍的回报。可是因为其他投资项目的失败，他成为真正的“风险投资人”。

博尔顿于是成为瓦特的第二个“风险投资人”，他是一个成功的工具制造商，也是英国制造业界一个非常有影响力的重量级人物——他成为“一个后来和瓦特一起改变英国面貌的人”。同样经由布莱克教授的介绍，1769年瓦特获得专利权后和博尔顿一见如故，两人都意识到对方是理想的合作伙伴，博尔顿的财力显然远超罗巴克。瓦特曾“建议罗巴克让博尔顿通过购买专利权1/3的收益，加入到他们的团队中”。博尔顿非常看好新蒸汽机的研制工作，他写信告诉瓦特：这种蒸汽机“值得为全世界制造”。瓦特想制造一台于纽卡门蒸汽机一样同时功效更高的机器，“而博尔顿意识到工业界渴望一种更好的动力资源来驱动自己的机器。磨坊主、铁器制造商、纺织品制造商都面临着他们的工厂所依赖的水资源局限。英国正在接近自然资源提供的动力极限”[15]。他们组建了博尔顿-瓦特公司，专门从事瓦特蒸汽机的制造并经营专利权——出售生产许可证。

瓦特蒸汽机商机无限，但瓦特蒸汽机的专利只有7年（1776年1月到期），眼见专利要到期可是公司并没有赚到钱。而当时许多优秀的工程师都能够通过专利信息来制造同样出色的蒸汽机。由此，头脑精明的博尔顿认为应该延长专利。1775年2月博尔顿将专利延期申请递交到国会，瓦特向国会描述了他在在纽卡门蒸汽机上做出的诸多改进。而博尔顿则利用其人脉和影响力成功游说了国会，最后国会同意延长该专利25年，并且1775年5月苏格兰议会也通过了该专利的延长法案。该法案将瓦特描述为“国会法定的工程师”。

负责调查的委员会听取了罗巴克的证词：后者对于这项发明做出完全公正的评判，他是第一名认识到这项发明的实用价值：“蒸汽机比较通常的火力机，以同等的燃料耗费量，至少多做一倍多的工作……凡是需要动力的地方，无论用于什么用途，用它都是有利的。”与此同时，他又证明该机器已经花了的费用，以及在它生利之前还要花的费用：首先是他，其次是博尔顿，在实验、建造、试用方面已经用去三千多镑；预计全部费用至少要达到一万镑。可是这样一笔钱，比起对英国和全世界的利益来说，算得了什么呢。[16]

专利延期是瓦特职业生涯争议最大的部分。因为他的专利涵盖期限太长，从1769年到1800年，任何人对蒸汽机提出改进方案都是法律所不允许的。专利是一种“减少火力发动机的燃料和蒸汽的损耗的新方法”，因此这个专利可以用来涵盖任何有关蒸汽机的技术改进。在专利获得延期之后，博尔顿和瓦特立即签署了一项资助协议，博尔顿负责这个项目的所有费用，支付实验所有花销，并每年给瓦特300 英镑，而他得到存续期专利收入的2/3。[17]

1776年，博尔顿-瓦特的工厂开始批量生产瓦特蒸汽机，该工厂已经拥有700名工人，博尔顿对工厂很有信心，因为他们“卖的是全世界都需要的东西——动力”。工厂的产品畅销英国全境，甚至法国客户都找上门来，要求在法国制造蒸汽机提供配件。1778年，博尔顿-瓦特公司在法国获得了为期15年的专利权，专利权保护延伸到欧洲大陆。[18] 瓦特机工作效率极高。经过现场测算，其耗煤量与纽卡门式蒸汽机相比竟然减少了50%，该机器以1马力的功率连续运转1小时仅需消耗8.8磅煤炭[19]。这是一个令人震惊的数字。

鉴于西方国家对蒸汽机的巨大需求，博尔顿-瓦特公司过上了一段利润丰厚的日子。但是到了1778年，一场经济衰退袭击了英国，公司有些猝不及防，现金流出现问题：公司花大量的现金去购买配件、雇用工人，然而出售生产许可带来的收益要很晚才到账，常常需要去追索。博尔顿为了避险也不再追加投资，他牺牲未来的收益，通过抵押蒸汽机的专利权给康沃尔银行来获得17000英镑的银行贷款，此外他不断催促瓦特制造更多的蒸汽机，将工人人数从700人减少到150人。[20]

渡过经济衰退的危机后，博尔顿-瓦特公司的生意恢复兴旺。但此时的瓦特机同纽卡门蒸汽机一样，仍然主要被用于抽水和鼓风。博尔顿意识到，如果把它们的蒸汽机推广到其他行业，就必须模仿水车的轮转动力。他向瓦特施压，要求他两年内制造出具有轮转动力的蒸汽机。“1781年6月，他在给瓦特的信中透露出不耐烦的情绪：‘伦敦、曼彻斯特、伯明翰的人们都痴迷于蒸汽机，我不是在催促你，但我认为在一到两个月的时间里，我们应该为……用某种方法使蒸汽机车产生轮转力申请一项专利……整个康沃尔没有这样的机器，我们的蒸汽机未来最有可能的方向是应用到工厂当中，这肯定是一个广阔的领域。’”瓦特于是又投入到新的研发领域并终于制造出一台自己满意的轮转蒸汽机。终于，“瓦特发明了双向蒸汽机，在这种蒸汽机中，蒸汽既实现活塞的上升，也实现活塞的下降，……在1782年，瓦特获得了双向蒸汽机的专利权，从这个时候起，蒸汽机便成为适用于一切工业部门的发动机”[21]。“到了1780年代末期，双动力蒸汽机的设计已经标准化，齿轮传动装置、平行运动体系、阀门和连接杆都已经可以面向顾客。蒸汽动力已经变得适应于各种规模的工业企业。”[22]“截至1800年，博尔顿-瓦特工厂已经累计售出308台新型回旋式蒸汽机供各类工程带动机器运转，此外还售出24台老式蒸汽机供某些过程用于鼓风机的动力源。”[23] 为此，瓦特首创了测量蒸汽机功率的单位“马力”[24]。这一技术革新使得瓦特蒸汽机被广泛运用到制铁厂、纺织厂和面粉厂等当时最重要的企业。

1790年，功成名就的瓦特已经有足够的财富在汉兹沃斯购买40 英亩土地，建造了宏伟坚固的宅邸，名曰希斯菲尔德（Heathfield，毁于1927年）。蒸汽机的市场需求剧增远远超过了博尔顿-瓦特公司的设计能力更别提制造了。很多用户为了避免交专利费只好转向其他厂商购买设备。1796年，瓦特将一家竞争对手霍恩布鲁尔-马利公司告上法庭，起诉其侵权，这个案例拖到1799年瓦特的专利期限到期前一年才得以宣判，瓦特胜诉，赢得官司给博尔顿-瓦特公司带来了数千磅的赔偿费，那些曾经拒绝缴纳专利费的用户现在不得不如数缴纳。“到1800年瓦特的专利到期后，几乎所有的纽卡门蒸汽机都转向瓦特模式或者被瓦特蒸汽机所取代。”“1818年瓦特去世，享年83 岁。他积累了大约6万英镑的财产，名利双收。瓦特给人类带来了一种新的机械能源，蒸汽动力经过改造被用于十几种不同的工业门类当中，它带来经济方面、物理方面和生活方面的革命正在开始发挥作用。”[25]

瓦特蒸汽机的发明使得历时半个多世纪的蒸汽革命结出硕果。历史学家评论道：

蒸汽机的发明这一重大事件，开始了工业革命的最后的、最具有决定性的阶段。蒸汽把那些还压在大工业身上的束缚解放之后，就有可能无限迅速地发展了。事实上，使用蒸汽并不像使用水那样必须取决于位置和当地资源等绝对条件。凡能获得公道价格的煤的地方，都可以安装蒸汽机。在英国，煤藏丰富，煤的使用在十八世纪末已经是增多了，那里特意创设的航路网有可能以很少的费用把煤运到各处，全国已经变成一个特别适宜于工业生长的优惠的世界。工厂现在可以离开其原来孤立于水流岸边的曾在其中成长起来的溪谷了；工厂接近市场可以购买原料和出卖产品，接近人口中心可以招募人员；工厂将汇合集中起来形成一些巨大而黝黑的工业城市，蒸汽机将使无穷的烟云飞翔在这些城市的上空。蒸汽机并不创造大工业。但是，它对于大工业却提供了动力，并使自己的发展犹如自己所支配的力量一样不可抗拒。最重要的是，它使大工业具有其统一性。……使用一种共同的动力，尤其是使用人为的动力，就使一切工业的发展都要服从一般法则。蒸汽机的不断改善，对于采矿、冶金、纺织和运输都有同样的影响。[26]

（二）为现代交通工具提供动力的蒸汽机：从“蒸汽火车”到“蒸汽轮船”

蒸汽机即将迎来的巨大飞跃就是从给机器提供动力到给机器安上轮子，为人类的交通出行提供动力。

瓦特专利到期前，英国所有的工程师们都在研究制造高压蒸汽机的方法以改进瓦特机，他们跃跃欲试准备大干一场。一位杰出的工程师理查德·特雷维克西（Richard Trevithick）经过数年研发，于1801年圣诞节研制出一种“体积小重量轻，可以被用于驱动车辆”的新型蒸汽机并成功进行了大约1公里的行驶。这是世界上第一台高压蒸汽机，这个“喷汽的怪物”标志着交通革命的开始——它随后被广泛运用于铁路和轮船运输领域，成为这些交通工具中最常见的动力装置。没有了其他发明专利的限制，1802年3月24日特雷维克西和维维安联合申请了一个专利，“本项专利改进蒸汽机的制造，由此在轨道、公路及其他地方拉动车辆行驶”。特雷维克西的发明吸引到了一个投资者他就是制铁厂主萨缪尔·汉佛莱（Samuel Homfray），“一个蒸汽车辆的早期信仰者”，他以投资换取了特雷维克西的一部分专利。汉佛莱与他的合作伙伴安东尼·希尔500坚尼（一种英国旧金币，1 坚尼等于1 英镑1 先令），认为蒸汽车可以沿着10英里轨道拉动10吨铁从潘尼达伦到梅瑟-加迪夫运河。蒸汽机车的运行全靠特雷维克西来完成。1804年2月，特雷维克西驾驶这辆蒸汽机车完成了试验，时速达5 英里/小时。汉佛莱赢得了赌注。他的“康沃尔蒸汽机”——包含了冷凝过程的高压蒸汽——后来被推广到了全世界。“瓦特的专利到期4年之后，特雷维克西已经能制造出比瓦特前25年制造的更轻、更小、动力更强、用途更广的蒸汽机。更为重要的是，蒸汽机重量的减轻和动力的增加可以将其装在自己驱动的车上。潘尼达伦蒸汽机车已经具备了蒸汽火车的绝大多数主要的特点，它将在未来的150年里改变世界。”[27]

当蒸汽机在煤矿的轨道上开始推广的时候，在煤矿之外运送货物和乘客的试验也在积极推进。19世纪20年代以前，建设铁路的设想往往遭到地主们的集体反对。英国工程师乔治·史蒂文森和富商爱德华·皮斯（Edward Pease）共同创建了罗伯特·史蒂文森（Robert Stevenson）公司，积极游说修建铁路。1821年英国议会通过一项议案，允许他们建造一条25英里的铁路。这注定是一个载入历史的法案。1825年9月27日史蒂文森公司的蒸汽机车在这条达林顿到斯托克顿的铁路上成功首发跑完全程。“尽管这条铁路最初的设计是一条煤矿铁路，但实际上它成为世界上第一条公共铁路，既有乘客车厢也有运煤车厢。尽管蒸汽机和铁轨都已经存在几十年，但两者的结合仍具有里程碑式的意义。”之后，史蒂文森公司在竞争中胜出获得了利物浦到曼彻斯特——世界上第一条城市间的铁路建造合同，而且双向通车，此条线路1830年9月15日顺利开通，火车时速高达30英里/小时，大名鼎鼎的威灵顿公爵成为首批乘客。史蒂文森的影响力使得他喜欢的尺寸成为了被议会确定的工业标准，即英国所有铁路轨距为4英尺8.5英寸。铁路迅速从私人公司成为国家运输系统的基础设施。1838年，议会裁定铁路客运运输邮件。第二年，电报发明，电报线便沿着铁路铺设。正是1844年的铁路法案创建了一个全国运输系统并制定了早期的行业规范。随着铁路的普及，“船运是下一个从蒸汽动力应用中受益的运输模式，在18世纪，这是一个被很多发明家尝试过但鲜有突破的领域。远洋轮船的时代在1838年随着布鲁内尔‘大西部公司’的开创而开始，直到1870年代螺旋桨和高效复合发动机的应用使远洋航行变得安全而廉价，在随后的几十年数百万的欧洲移民得以运输到美国。蒸汽船也成为了具有巨大战略价值的武器”[28]。

继英国之后，美国于1828年修建了第一条铁路。法国于1830年，德国于1835年均推出了自己的铁路。此后兴起的“铁路热”在不到20年的时间内，使欧洲发达国家建起了遍布全国的铁路网。铁路使世界经济联成一体，隆隆的火车声宣告了第一次工业革命的胜利完成。[29]

第一次科技产业革命即蒸汽革命是资本主义进化史上科学技术“资本化”的初期，它开创了科学技术与资本联姻的历史，而探索两者结合的规律必须解答一个重要问题：“‘科学技术资本化’何以起源于英国？”