原標(biāo)題:汽機(jī)為何只能誕生在英國:專利保護(hù)深入人心
英國采礦業(yè)的急迫需求、前人的技術(shù)積累、專利保護(hù)觀念的深入人心、瓦特合作者博爾頓的商業(yè)頭腦等諸多先決條件,才奠定瓦特的成功。
英國西南部維爾特郡的克羅夫頓抽水站,世界上最古老的蒸汽機(jī)仍在運(yùn)行。雖然大多時候抽水站依靠電力運(yùn)行,但每逢特定周末,這臺蒸汽活塞式搖臂抽水泵會以每分鐘12噸水的速度,將河水注入6個8英尺高的水閘內(nèi),確??夏崽匕N倪\(yùn)河暢通。自1812年運(yùn)行以來,除1960年代個別時間,它一直不停地工作。英國作家查爾斯·狄更斯在名著《艱難時世》中將其形容為:“機(jī)器單調(diào)地上下擺動,像一只悲傷的大象瘋狂地晃動著頭顱?!?br/>
蒸汽機(jī)是工業(yè)革命時代的標(biāo)志性裝置。提到蒸汽機(jī),人們同樣會聯(lián)想到著名的英國發(fā)明家詹姆斯·瓦特。上述蒸汽機(jī)正是由瓦特的公司制造、安裝的,標(biāo)號為42B——意為伯明翰博爾頓&瓦特制造廠生產(chǎn)的第二臺42英寸汽缸的蒸汽機(jī)。瓦特常被稱為“蒸汽機(jī)的發(fā)明者”,像華盛頓與櫻桃樹、牛頓與蘋果一樣,他也被杜撰了許多充滿戲劇性的經(jīng)歷,比如,瓦特看到水壺蓋子被蒸汽沖飛后受到啟示,發(fā)明了蒸汽機(jī)。事實(shí)上,早在瓦特出生20年前,蒸汽機(jī)就已進(jìn)入市場。
準(zhǔn)確地說,瓦特并非“蒸汽機(jī)的發(fā)明者”,只是一位優(yōu)秀的“蒸汽機(jī)改良者”。如果沒有英國采礦業(yè)的急迫需求、前人的技術(shù)積累、專利保護(hù)觀念的深入人心、瓦特合作者博爾頓的商業(yè)頭腦等諸多先決條件,瓦特基本沒有可能取得被后世所給予的榮耀。蒸汽機(jī)乃至工業(yè)革命之所以發(fā)生在英國,并不是一件巧合的事情。
人類歷史上從來不缺能工巧匠。瓦特出生前1700多年,公元1世紀(jì)左右,古希臘數(shù)學(xué)家希羅就意識到了蒸汽的力量。他在位于尼羅河三角洲西部的亞歷山大博學(xué)園,發(fā)明了有文獻(xiàn)記錄以來第一部蒸汽機(jī),這里也是歐幾里得和阿基米德曾經(jīng)工作過的地方。
這臺蒸汽機(jī)名叫汽轉(zhuǎn)球,由一個空心球,兩根附著其上、方向相反的肘形管子以及一個盛滿水的密閉鍋?zhàn)咏M成。鍋?zhàn)优c空心球連通,當(dāng)其中的水被加熱到沸騰時,蒸汽進(jìn)入空心球,然后從兩根管子排出,形成反作用力,進(jìn)而推動空心球旋轉(zhuǎn)。
見過汽轉(zhuǎn)球的人,都將其視為一個奇跡,但包括希羅在內(nèi),他們僅將其視為一個玩具而已。當(dāng)時,像希羅一樣從事研究的人只能依靠富人的資助,為了獲取資助,發(fā)明家們只能取悅富人,這臺“蒸汽機(jī)”并沒有實(shí)際用處,只能算是利用蒸汽進(jìn)行的一次好玩的嘗試。
奇妙的是,在一千多年后的中國,有人也進(jìn)行了蒸汽試驗(yàn)嘗試,原理與汽轉(zhuǎn)球有異曲同工之妙。1658年,比利時傳教士南懷仁到中國傳教。約在康熙十七至十八年(1678-1679),他曾試制出一臺蒸汽動力模型車,將試驗(yàn)手稿發(fā)表于1687年的德國《歐洲天文》雜志。1940年代,學(xué)者劉先洲將此翻譯回國內(nèi),并發(fā)表在當(dāng)時介紹先進(jìn)思想的刊物《東方雜志》上。
根據(jù)劉先洲的翻譯,南懷仁在這篇手稿中詳細(xì)介紹了試驗(yàn)情況:“當(dāng)余試驗(yàn)蒸汽之力時,曾用輕木制成一四輪小車。長二尺,且極易轉(zhuǎn)動。在車之中部,設(shè)一火爐。爐內(nèi)滿裝以燃燒之煤。爐上則置一汽鍋。在后輪之軸上,固定一青銅制之齒輪。其齒橫出,與軸平行。此齒輪與另一立軸上之小齒輪相銜。故當(dāng)立軸轉(zhuǎn)動時,車即被推而前進(jìn)。在立軸之上,別裝一直徑一尺之大輪。輪之全周裝置若干葉片,向周圍伸出。當(dāng)蒸汽在較高壓力之下,由汽鍋經(jīng)一小管向外急劇噴射時,沖擊于輪葉之上,使輪及軸迅速旋轉(zhuǎn),結(jié)果車遂前進(jìn)?!?br/>
南懷仁的蒸汽機(jī)原理,是用高速蒸汽推動齒輪旋轉(zhuǎn),帶動車子前行,這與汽轉(zhuǎn)球類似。更像汽轉(zhuǎn)球的是,南懷仁發(fā)明蒸汽機(jī)是為了取悅康熙,并向他展示西方的科學(xué)進(jìn)展,所以這臺蒸汽機(jī)也僅是玩具而已,同樣沒有任何實(shí)用價值。
這臺首次出現(xiàn)在中國的蒸汽機(jī),也并非南懷仁首創(chuàng)。早在1629年,意大利建筑家布蘭卡就發(fā)明了一種雛形的沖動式汽輪,原理是向輪子四周葉片上噴射蒸汽流,帶動輪子轉(zhuǎn)動。有學(xué)者考證,南懷仁很可能在歐洲見過布蘭卡的著作并受到啟發(fā)。
事實(shí)上,南懷仁和布蘭卡所處的17世紀(jì),研究蒸汽、大氣壓與真空的關(guān)系正是當(dāng)時的“學(xué)術(shù)熱點(diǎn)”。自從意大利物理學(xué)家托里拆利在水銀管中發(fā)現(xiàn)了“真空”,打破了亞里士多德后流傳千年的“真理”——“自然界厭惡真空”,癡迷于研究相關(guān)現(xiàn)象的學(xué)者越來越多。影響最大的,莫過于在1652年,德國物理學(xué)家奧托·格里克發(fā)明的“馬德格堡半球”。當(dāng)時,他用近似馬戲表演的方式,向包括德國皇室在內(nèi)的世人展示了即使三十多匹馬也無法戰(zhàn)勝真空的力量。
很快,人們發(fā)現(xiàn)真空能夠吸水,或許能解決令當(dāng)時采礦業(yè)者非常頭痛的問題。那時的英國,幾乎人人都能聞到濃濃的煤煙味。14世紀(jì),英國國王愛德華一世甚至下令,采暖和冶煉金屬時禁止燃燒發(fā)煙嚴(yán)重的海運(yùn)煤。也有些煤炭的污染相對較小,那就是無煙煤或硬煤。但這種煤炭多儲藏在地下很深的地方。煤礦越深,就越容易產(chǎn)生積水,解決的辦法有兩種,費(fèi)巨資挖掘排水隧道,或使用水車帶動的排水泵。兩種方法都受到地勢的嚴(yán)重限制,比如河流的走向必須與礦山的位置一致,當(dāng)時礦主亟須一種不受地形限制的排水方法。
最新的科學(xué)發(fā)現(xiàn),讓人們意識到了利用真空為礦井排水的可能性。1699年,世界上第一臺具有實(shí)用價值的蒸汽抽水機(jī)誕生了。是年6月14日,一臺巨大的機(jī)器出現(xiàn)在英國皇家學(xué)會格雷沙姆學(xué)院,機(jī)器由一個盛滿水的氣缸和與之相連的鍋爐組成。鍋爐制造出水蒸氣,進(jìn)入汽缸,當(dāng)充滿蒸汽的汽缸被噴灑上冷水之后,水蒸氣迅速凝結(jié),在汽缸內(nèi)部產(chǎn)生真空,從而把水從外部吸進(jìn)來。此后,操作員轉(zhuǎn)動不同的閥門,讓蒸汽進(jìn)入汽缸,將汽缸內(nèi)抽上來的水通過一個管道擠出去,準(zhǔn)備下一輪抽水。
機(jī)器的發(fā)明者名叫托馬斯·薩弗里(Thomas Savery),他將這臺蒸汽抽水機(jī)命名為“礦工之友”,意為幫助礦工排水。當(dāng)時,英國皇家學(xué)會如此報(bào)道這次展示活動:“薩弗里先生……以火為燃料,通過水蒸氣的收縮來真空抽水。他向?qū)W會會員展示了真空泵的運(yùn)轉(zhuǎn)過程。試驗(yàn)非常成功,也令會員們非常滿意?!?br/>
這臺機(jī)器獲得了英國皇家學(xué)會的認(rèn)可,卻沒有得到礦主的認(rèn)可。機(jī)器沒有安全閥,且汽缸焊接處的熔解溫度十分接近高壓蒸汽溫度,這讓機(jī)器存在巨大的爆炸隱患;更糟糕的是,標(biāo)準(zhǔn)大氣壓環(huán)境中,水被抽取的極限高度為10米左右,故它不能安裝在礦井頂端,最多只能安裝在離礦井底部不超過25英尺,也就是7米左右的位置。
薩弗里曾在英國達(dá)特茅斯雇傭工匠,為他的蒸汽機(jī)制造模型和零件。當(dāng)?shù)匾晃幻型旭R斯·紐科門(Thomas Newcomen)的五金商,或許受到了他的啟發(fā),從1700年開始,紐科門開始和助手研究改進(jìn)薩弗里蒸汽抽水機(jī)的缺陷。經(jīng)十多年的研究試驗(yàn),紐科門創(chuàng)造性引入了活塞和橫梁兩個部件,部分解決了薩弗里蒸汽抽水機(jī)遇到的難題。
1923年11月,倫敦蓓爾美爾,一輛以蒸汽機(jī)汽車拋錨了。20世紀(jì)初,蒸汽機(jī)汽車依然風(fēng)頭正健,但逐漸敗給內(nèi)燃機(jī)汽車。
當(dāng)時,有關(guān)蒸汽機(jī)的研究存在兩種不同思路,一種是薩弗里利用真空抽水的方法,另一種則是試圖用蒸汽推動活塞,將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械運(yùn)動。后者的代表人物是出生于法國的物理學(xué)家丹尼斯·帕潘(Denis Papin)。1690年,帕潘在德國萊比錫市《教師學(xué)報(bào)》公布了他的發(fā)現(xiàn):蒸汽冷凝之后會產(chǎn)生真空,汽缸外的大氣壓會使汽缸內(nèi)部出現(xiàn)某種機(jī)械運(yùn)動。隨后,他發(fā)明了對后來的蒸汽機(jī)至關(guān)重要的一個部件——活塞。
帕潘并沒有真正發(fā)明出蒸汽機(jī),而紐科門不僅巧妙地利用了帕潘的發(fā)明,還設(shè)計(jì)了另一個對后來蒸汽機(jī)至關(guān)重要的部件——橫梁。橫梁類似一個能夠上下擺動的蹺蹺板,一面連接活塞,一面連接汽缸。當(dāng)汽缸充滿蒸汽時,橫梁翹起,讓負(fù)責(zé)吸水的活塞處在最低端。蒸汽凝結(jié)為水后,汽缸體積縮小,在橫梁的帶動下,活塞上升吸水。這就是紐科門發(fā)明的蒸汽機(jī)的原理。
連接活塞和橫梁的拉桿可以長達(dá)幾十米,紐科門蒸汽機(jī)可以安裝在礦井頂部,負(fù)責(zé)吸水的活塞則可深入井底,解決了薩弗里蒸汽機(jī)安裝高度的難題。為提高效率,紐科門還對蒸汽抽水機(jī)做了一系列改進(jìn)。比如,薩弗里讓蒸汽冷凝的方法是在汽缸外噴灑冷水,而紐科門則在汽缸內(nèi)部安裝噴射閥,將冷水直接注入汽缸,使得里面蒸汽能夠迅速凝結(jié),進(jìn)而產(chǎn)生強(qiáng)力真空效果。
1712年的一天,紐科門在英國西部一個名為科尼格里(Conygree)的煤礦安裝了他的蒸汽機(jī)。這個煤礦經(jīng)過200多年的開采,已經(jīng)深達(dá)50多米。當(dāng)天,蒸汽機(jī)活塞每運(yùn)動一次就能抽出10加侖的水。不久之后,《倫敦公報(bào)》報(bào)道了這臺機(jī)器:“它能夠?qū)⑷魏蔚吞幍乃榈礁咛帲⑶冶绕駷橹顾褂玫母鞣N抽水方法都要更為經(jīng)濟(jì)和便捷,為礦山和公司成功解決了排水問題。”
紐科門的蒸汽機(jī)獲得了市場認(rèn)可。短短3年間,英國各地使用了100多臺紐科門蒸汽機(jī)承擔(dān)抽水任務(wù),使得這位五金商賺得盆滿缽滿。美國科技史學(xué)者威廉·羅森,在著作《世界上最強(qiáng)大的思想——蒸汽機(jī)、產(chǎn)業(yè)革命和創(chuàng)新的故事》中評價紐科門是“開啟了蒸汽機(jī)革命的大門”。
表面上看,17、18世紀(jì)的英國人無論是薩弗里,還是紐科門,之所以能發(fā)明出蒸汽機(jī),是因?yàn)榭吹搅瞬傻V業(yè)的需求。但當(dāng)時所有國家的采礦業(yè)都面臨排水難題;此外,僅從對真空和蒸汽研究的學(xué)術(shù)角度來說,英國也并未走到其他歐洲國家的前列,早在1606年,意大利工程師詹巴蒂斯塔·德拉·波爾塔制造了一臺利用蒸汽從一個密閉容器內(nèi)抽水的裝置。為何只有英國人發(fā)明出具有實(shí)用價值的蒸汽機(jī)?
原因在于,世界上第一部現(xiàn)代意義的專利保護(hù)法,于同一時期在英國誕生,正是這部法律激發(fā)了英國人在工業(yè)革命時熱衷于沉浸在發(fā)明創(chuàng)造的熱潮里。從13世紀(jì)開始,英國以專利特許證(Letters Patent)的形式,將某種獨(dú)占經(jīng)營權(quán)授予工匠、商人,獎勵在技術(shù)上有創(chuàng)新或者為英國帶來利益的人。授予專利的權(quán)力完全掌握在國王手中,所以受益者多為封建貴族、王室的寵臣。比如,一位叫達(dá)西的近臣于1598年被伊麗莎白一世授予了制造和販賣撲克牌的壟斷權(quán),這意味著此前生產(chǎn)銷售撲克牌的廠商都不得繼續(xù)經(jīng)營。
這件專利引起了英國民眾的不滿,將官司打到了法院。法官裁定,國王不可以授予某個人對某項(xiàng)生意的獨(dú)占權(quán),除非這個人能證明他更擅長經(jīng)營這個領(lǐng)域。1624年,繼承了上述精神的法律獲得通過。這部名為《反壟斷法》的法規(guī)旨在限制王室隨意授予特權(quán),對壟斷和專利權(quán)進(jìn)行了規(guī)定:只有“首個申請了法律專利并且為真正的發(fā)明者”才能獲得國王的特許加獎狀。這是世界上第一部具有現(xiàn)代意義的專利法。
不過,《反壟斷法》的出臺并未引發(fā)英國專利申請數(shù)量的井噴,直到哲學(xué)家洛克在1690年讓英國人有了“知識產(chǎn)權(quán)”概念。他在《政府論》中主張,任何自然的東西,只要加入了人類勞動,無論是體力勞動還是腦力勞動,就不再是自然物,人們也就可以宣稱對它擁有產(chǎn)權(quán)。同時,法學(xué)家們的努力讓英國人對財(cái)產(chǎn)權(quán)有了與以往不同的理解。此前,人們知道可以從黃金、土地等有形財(cái)產(chǎn)中獲取收益,而現(xiàn)在竟然也能從腦力勞動中獲取收益。觀念上的改變,激發(fā)了英國平民大眾發(fā)明創(chuàng)造、申請專利的熱情。
1698年7月25日,《反壟斷法》出臺后75年,托馬斯·薩弗里的“以火力推動汲水并為各式各樣工廠提供動力的新發(fā)明”獲得專利。該項(xiàng)專利也讓后續(xù)發(fā)明者紐科門連續(xù)數(shù)年必須將其收益的四分之三給予薩弗里。這一情形在當(dāng)時的大多數(shù)國家都是不可想象的。
紐科門蒸汽機(jī)遠(yuǎn)非完美,一個缺陷,蒸汽機(jī)抽水時需要消耗大量煤炭,只能被用于煤礦附近。政府對專利的嚴(yán)格保護(hù),激勵著人們希望通過改進(jìn)蒸汽機(jī),取得專利來牟取利潤。瓦特就是這群人中的杰出代表。
1736年,瓦特出生在一個木匠家庭,比第一臺紐科門蒸汽機(jī)小二十多歲。1753年,瓦特被送到英國第三大城市格拉斯哥學(xué)習(xí)精密儀器制造。學(xué)成后,他的技藝高超到令周圍人吃驚。瓦特一位名叫約翰·羅比森的朋友回憶道,格拉斯哥市一家旅館想讓瓦特制造一架管風(fēng)琴,瓦特根本不懂音律,但研究了一本音樂專著后就造出一架“讓演奏者們既高興又驚訝”的管風(fēng)琴。但瓦特當(dāng)時的生活貌似并不富裕,必須依靠為道路和河流測繪來謀生。
1763年,他受邀到格拉斯哥大學(xué)修理一臺紐科門蒸汽機(jī)模型,這臺蒸汽機(jī)模型運(yùn)轉(zhuǎn)時需要耗費(fèi)巨量蒸汽,效率極低。經(jīng)過反復(fù)測量,他發(fā)現(xiàn)了問題所在:蒸汽進(jìn)入汽缸后,需要降溫才能凝結(jié)成水,但汽缸也會隨之冷卻,下一輪抽水過程中,新進(jìn)入的水蒸氣遇到溫度較低的汽缸壁,會立即凝結(jié)成水,不能充滿汽缸。換句話說,紐科門蒸汽機(jī)存在一個不可調(diào)和的矛盾:為確保蒸汽機(jī)的冷凝效果,產(chǎn)生最大程度的真空,需要使用大量的冷水,但為了避免冷卻汽缸,需要盡可能地少使用冷水。一次測試結(jié)果顯示,冷卻的汽缸壁損耗了四分之三的蒸汽。
幾年后,瓦特給出了解決方案,讓蒸汽在一個汽缸內(nèi)推動活塞做工,在另一個汽缸內(nèi)冷卻,兩個汽缸相互連接。這樣,蒸汽進(jìn)入早已被冷水冷卻的新腔室時,會立刻凝結(jié)成水,產(chǎn)生真空,帶動另一個腔室上的活塞向下運(yùn)動,這個有活塞的腔室會一直保持高溫,防止水蒸氣遇到汽缸壁時凝結(jié)。這個發(fā)明被命名為“分離式冷凝管”,讓瓦特蒸汽機(jī)的工作效率比紐科門蒸汽機(jī)的效率提高了兩倍。1769年1月,瓦特在倫敦取得蒸汽機(jī)的專利,編號為“913”,名稱是“能夠減少蒸汽機(jī)的蒸汽和燃料消耗的方法?!?br/>
第一臺由瓦特制造的蒸汽機(jī),于1775年在伯明翰附近的布魯姆斯?fàn)柕旅旱V安裝成功?!恫骱矆?bào)》當(dāng)時報(bào)道稱:“眾多從事科學(xué)研究工作的紳士,受到好奇心驅(qū)使,爭相去觀看如此奇特、如此有力量的機(jī)器的首次運(yùn)行盛況。機(jī)器的卓越表現(xiàn)讓他們徹底地心滿意足?!蓖咛夭⒉簧朴谏虡I(yè)活動,他說:“我寧可對著裝滿彈藥的大炮,也不愿去結(jié)算賬目或討價還價做交易。”讓蒸汽機(jī)聲名遠(yuǎn)揚(yáng)的,則是比瓦特大8歲的英國伯明翰制造商馬修·博爾頓??吹搅送咛卣羝麢C(jī)的潛力,博爾頓在1774年左右購買了瓦特專利的所有權(quán),二人隨后聯(lián)合成立“博爾頓&瓦特制造廠”。
博爾頓的目標(biāo)是將蒸汽機(jī)引入各個產(chǎn)業(yè),他放出豪言:“為全世界生產(chǎn)蒸汽機(jī)?!?783年,在博爾頓推動下,英國第一家大規(guī)模利用蒸汽動力的工廠——阿爾比恩磨坊開工,此舉被后世喻為“開創(chuàng)了蒸汽動力工廠的時代”。不久后,英國的紡織業(yè)開始由蒸汽機(jī)帶動。
專利保護(hù)制度的不斷健全,讓瓦特之后的工程師在拓展蒸汽機(jī)用途的道路上繼續(xù)前進(jìn)。1814年,英國工程師史蒂芬森集成了前任數(shù)十種專利技術(shù),成功設(shè)計(jì)出第一臺實(shí)用的蒸汽機(jī)車,他修筑的第一條鐵路于1825年舉行了通車典禮,標(biāo)志著鐵路時代的到來。至此,蒸汽機(jī)成為了采礦、交通、紡織等幾乎所有重要產(chǎn)業(yè)的動力,英國工業(yè)革命由此展開。
值得一提的是,1792年,英國東印度公司購買了一批科學(xué)儀器,作為即將訪問中華帝國的馬戛爾尼使團(tuán)送給乾隆皇帝的禮品,其中就有從博爾頓&瓦特制造廠購買的蒸汽機(jī)模型。由于擔(dān)心被侵權(quán),瓦特對此非常謹(jǐn)慎,猶豫很久才同意把蒸汽機(jī)模型賣給訪華使團(tuán)。他明顯想多了,這些模型機(jī)最終沒有展示給乾隆皇帝。當(dāng)時世界上最偉大的技術(shù)發(fā)明,就這樣與中國人擦肩而過,如同南懷仁試驗(yàn)的蒸汽動力模型車一樣,這臺蒸汽機(jī)在中國幾乎沒有留下什么痕跡。
來源:鳳凰周刊
作者:邱銳
編輯:IPRdaily.cn LoCo
校對:IPRdaily.cn 縱橫君
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