發明的時代：空氣科學的重要性_風聞

從更廣的視角來談技術的變革、人類生活方式的形成和未來趨勢等，對激發研究靈感很有幫助。

撰文｜Anton Howes（發明史學家）

選題 | 吳建峯 翻譯 | 江默柔

審譯 | 王梓誠

來源：滬港發展聯合研究所

來源：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.

為什麼蒸汽機發明於英國？有太多事情都與這個問題有關。因為要回答這個問題，往往要從更廣的角度去理解什麼促成了英國工業革命。英國創新的加速，固然遠不只體現在棉花、鋼鐵、煤炭等代表性產業上。但經濟上，向化石燃料轉變，這是前所未有的大事件。在煤炭興起前，土地必須提供燃料、食物或衣服：一般來説，森林提供柴火，田地生產穀物，牧場餵養產羊毛的綿羊。但是，等到十九世紀，煤炭作為燃料，在英國提供的能量，相當於1100萬英畝森林提供的能量。這個面積佔英國國土面積的三分之一，是英國森林面積的許多倍。通過挖煤，英國有效地擴大了空間。

煤也有新用途。傳統上，它僅僅是眾多燃料中的一種，用來供暖，與泥炭、荊豆、木柴、木炭甚至牛糞一樣。這些燃料用在工業上，通常都只用於直接加熱，如烤磚、蒸發海水提煉鹽、用於鐵匠的鍛鐵爐和玻璃廠商的熔爐等。不過，在整個十七世紀，煤逐漸成為家庭取暖和工業上更被偏愛的燃料。儘管它有諸多缺點，如煙塵大、氣味大、不健康等，但在倫敦等地，煤仍然十分便宜，而其他燃料的價格則穩步上漲。越來越多的行業適應了燒煤。例如，經過幾十年的改良和實驗，人們可以有效地用煤來鍊鐵。

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

不過，隨着蒸汽機的發明，煤的工業用途進一步拓寬了。儘管最早的用途，往往只是將礦井中的水吸走，但到了1780年代，蒸汽機也開始被用於轉動其它機械。1830年代，蒸汽機對英國的經濟增長已經有明顯的作用，並被應用到了動力機械上。蒸汽艇、蒸汽馬車、蒸汽火車、蒸汽輪船大量湧現，人與人之間的距離被大幅縮小。煤不再只是熱的來源，更替代了水、風、人、動物等成為一種“新能源”。

這種革命性的發明是怎麼出現的呢？當然，西方古代就已出現了由蒸汽驅動的設備，如汽轉球（aeolipile）。公元一世紀，據亞歷山大港的希羅（Hero of Alexandria）描述，汽轉球由一個空心球和幾個噴嘴組成，蒸汽進入球內，再經噴嘴噴出，從而使球發生轉動。但汽轉球更像是汽輪機，不是蒸汽機，它不能做太多抬升的動作。17世紀末到18世紀初的這段時間，關鍵性的技術突破出現了。與之前不同的是，人們這一次利用了真空。蒸汽機中，主動力不是靠蒸汽本身推動活塞，而是將含有蒸汽的氣缸浸在冷水中，使蒸汽迅速凝結。由此氣缸內就產生了部分真空，空氣的重力（即大氣壓）就會推動活塞，做提升運動。十八世紀德文郡（Devon）的五金商人托馬斯·紐科門（Thomas Newcomen）首次運用到了蒸汽機。

這個過程中，科學十分重要。如果人們沒有發現空氣有重量（這一觀察結果很基本，但不顯眼），紐科門的蒸汽機就不可能被構想出來。接下來，還要用氣泵、氣壓計甚至火藥做幾十年的實驗，人們才能意識到冷凝蒸汽就可以快速製造真空，而不必用泵將空氣吸出。還需要再過幾十年，人們才能將這一觀察結果靠譜地應用到機械裝置上。之所以能夠創造蒸汽機，一個重要原因是，有足夠龐大、組織嚴密的羣體，在研究空氣的本質，並與他人分享觀察、出版研究結果。1660年代初，英國皇家學會的創立，使得這一羣體間的往來與通信被官方認可。

不過，許多研究空氣本質的實驗者，比如埃萬傑里斯塔·托里切利（Evangelista Torricelli）、奧托·馮·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、德國人、法國人或者荷蘭人。像惠更斯和帕潘這樣的科學家，可能與英國皇家學會有過來往。但皇家學會不過是更為廣闊的歐洲科學家網絡的一個分支。那麼，為什麼科學發現偏偏在英國得到了應用呢？有一個著名的説法認為，這與英國的資源成本，特別是煤的存在有關。經濟歷史學家羅伯特·艾倫（Robert C. Allen）就充分認識到，十七世紀的科學發現固然發揮了關鍵作用，但同時“如果沒有英國煤炭工業，就沒有必要花大筆錢去開發蒸汽機”。

英國煤礦分佈丨來源：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.

艾倫解釋稱，早期的蒸汽機能耗非常大，只有直接應用在所使用煤的那個煤礦，成本才划得來。因此，艾倫認為，英國煤礦分佈廣、數量多，新興的蒸汽機作為一項技術，能夠保留足夠長的時間，等待其他發明家持續開發、改良，直到將其運用到其他礦井、用作旋轉運動都變得划算了。他還表示，僅僅因為英國煤礦的數量多於其他地方，身處英國的發明家就貢獻了更多改進蒸汽機的技術。煤炭是這一新興工業的搖籃。

但這種看法並不完全正確。問題出在細節。艾倫自己也意識到，儘管蒸汽機第一次正式投入使用，是1712年在一個煤礦中，但紐科門早在1700年至1710年期間，就在康沃爾（Cornwall）做過蒸汽機實驗。艾倫觀點中存在的問題是，最早的蒸汽機是用在錫礦，而不是煤礦的。實際上，要發明使用煤的蒸汽機，很難想象有哪個地方的比康沃爾成本更高。之所以這麼説，是因為在西莉亞·費因斯（Celia Fiennes）的旅行記錄中，可以發現一些關於康沃爾燃料供應的有趣細節。1698年，距離紐科門第一次建成蒸汽機僅有幾年。當時，費因斯到訪康沃爾，對此行做了詳細記錄。費因斯也提到了紐科門特別想解決的問題：康沃爾南部海岸附近的錫礦，當時經常發大水。不過，費因斯也談到，有兩種重要資源嚴重緊缺：木材和煤。首先，康沃爾幾乎沒有木材，但無論水泵是由馬、水還是蒸汽驅動，木材都是建造水泵必不可缺的材料。不過，十八世紀，政府開始補貼錫的生產，這可能抵消了紐科門製造蒸汽機的啓動成本。因此，投資指日可待。（戈多芬伯爵是英國最有權勢的大臣之一，他是康沃爾郡錫礦的主要礦主，這一點也起到了幫助。）但另一個明顯匱乏的資源是煤，至少康沃爾南部是如此。

康沃爾的地理位置丨來源：Cornwall. My England Visit, www.myenglandvisit.com/places/cornwall-pictures.php.

紐科門的蒸汽機丨來源：Figuer, Louis. Merveilles de la science. 1868. Wikipedia,upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/d/d5/Newcomen_Figuier.jpg.

康沃爾的煤大都是從英國西海岸的威爾士或布里斯托爾通過船運過來的。然而，費因斯指出，戰爭時期，伺機而動的法國海盜威脅很大，運煤的船要繞過蘭茲角（Land’s End），駛入英吉利海峽（English Channel），風險大幅增加。因此，康沃爾北部海岸，能低價買到布里斯托爾運過來的煤；但戰爭時期，南部海岸幾乎根本買不到任何燃料，無論是煤還是柴火。費因斯描述瞭如何用當地豐富的荊豆煮晚飯，但只有在特殊場合，當地的人家才捨得烤一頓飯，因為燒烤需要更稀缺的柴火。費因斯寫作的時候，英法九年戰爭剛剛結束，康沃爾南岸又開始定期收到煤和柴火的供應。但緊接着，西班牙王位繼承戰爭爆發，並從1702年持續到1713年，幾乎正好與紐科門做實驗的時間重合。在這場戰爭中，法國海盜在英吉利海峽尤為猖獗，因此康沃爾南部海岸，很可能高度依賴當地的燃料。煤炭和木材都非常稀缺。

如果紐科門是在煤炭供給充足的康沃爾北海岸做實驗，那麼艾倫的敍述就可能是對的。但事實恰恰相反。所以説，問題出在細節。詹姆斯·格里納（James Greener）是研究紐科門的專家，他重新梳理了早期蒸汽機發明的時間表。多虧他細心工作，人們可以推測，最早的蒸汽機很可能是在1703年前後，在巴爾科思（Balcoath）製造出來的。巴爾科思是整個康沃爾郡內，位於最內陸的礦井之一，離它最近的兩個港口都在南海岸，南海岸卻又燃料供應不足。如果要從最近的北部港口，通過陸路運輸煤炭，那麼成本高得無法想象。所以，當時紐科門是如何為蒸汽機提供燃料的呢？他可能壓根就沒用到煤炭，因為巴爾科思周圍的高沼地有大量草炭。事實上，一些十九世紀的資料明確顯示，第一台蒸汽機是用草炭或泥炭來提供動力的。不過，遺憾的是，這一説法找不到原始記錄（這種情況在維多利亞時代十分常見）。

紐科門發明的第一台穩定運行的蒸汽機，很可能是用草炭而非煤，作為燃料的。有趣的是，這樣的蒸汽機可能不只一台。1717年，紐科門發明的蒸汽機首次出口，由威尼斯外交官尼可洛·特隆（Nicolò Tron）帶到意大利，用於排幹沼澤地的水。幾乎可以肯定，這些蒸汽機的燃料也是草炭。特隆遇到的主要問題不是盈利，而是他的英國工程師到了意大利之後不久，就在河裏洗澡時意外溺亡了。據説，後來特隆還用這些蒸汽機為礦井排水，但他的礦井經理詹姆斯·斯特林（James Stirling）竊取了威尼斯製造玻璃的秘方，很快就不得不逃回家。

接着，在康沃爾，又有兩台蒸汽機投入應用。儘管這兩台以煤為燃料，它們並不用在煤礦，而是在錫礦抽水。這次人們可以輕易從北部沿海，得到威爾士和布里斯托爾的煤。艾倫可能會爭辯説，這兩個新增的錫礦都沒有盈利，因此蒸汽機必須用於煤礦。但是，格里納指出，盈利失敗是因為受到政治影響：1710年，英國當時的政黨託利黨（Tory）取得了壓倒性勝利，海運煤炭成為加税對象。當年，煤的税率略微上調，可能促使紐科門尋找新礦，尤其是到英格蘭中部地區那些未受影響的內陸煤礦，並將蒸汽機應用在到礦井上。而康沃爾的錫礦一直使用蒸汽機到1713年。那一年，政府對煤收的税翻了一番，蒸汽機的成本高企，以致兩個錫礦都要停工。儘管遭遇挫折，紐科門似乎仍想把蒸汽機應用在錫礦，並於1718年在錫礦重新啓用蒸汽機。不幸的是，在接下來的一年，政府又一次大幅提高了海運煤炭的税率。到1721年，康沃爾已經沒有蒸汽機了。英國只剩下為煤礦排水的蒸汽機。

1790年代，紐科門蒸汽機在煤礦中的運用丨來源：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.

這些細節很重要。首先，在蒸汽機發明和應用的初期，煤炭顯然不是必要的，尤其是在第一次應用時，蒸汽機是以草炭為燃料的，更不用説蒸汽機在英國以外的第一次應用了。另外，英國煤礦的存在，似乎對紐科門蒸汽機的改進並無促進作用。如果蒸汽機繼續在康沃爾的錫礦中抽水，這項技術也很容易得到改進，燃料可以來自任何地方，甚至是附近比利時的煤礦——前提是，政府沒有反覆干預，提高海運煤炭的價格。

總的來説，這些細節提高了大氣科學的相對重要性。儘管許多研究大氣壓的關鍵人物不是英國人，但作為一個機構，英國皇家學會成功地把許多重要科學家吸引到了自己身邊。在克里斯蒂安·惠更斯（Christiaan Huygens）、丹尼斯·帕潘（Denis Papin）、羅伯特·胡克（Robert Hooke）、羅伯特·博伊爾（Robert Boyle）、亨利·貝頓（Henry Beighton）、約翰·西奧菲勒斯·德薩古萊爾（John Theophilus Desaguliers）和托馬斯·塞維利（Thomas Savery）的影響下，紐科門這樣有進取心的五金商人，在英國可以獲得很多靈感。

英國皇家學會的會議丨來源：Fairholt, F. W., et al. A Meeting of the Royal Society At Somerset House In the Strand. 1884. Wellcome Collection, wellcomecollection.org/works/qt9dyq7t.

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