富蘭克林馴服了閃電，瓦特則馴服了蒸汽……現在還不知道蒸汽機淪落為電的附庸需要多長時間。

——安德魯·卡內基（1913）【47】

如果說富蘭克林通過電力的普遍生產與廣泛應用為世界的發展奠定了第一塊基石，那么我們也可以說，詹姆斯·瓦特在工業革命期間完善蒸汽機技術的行為為人類的進步鋪設了第二塊基石。

乍一看，電和蒸汽似乎毫無關系?？梢哉f，科學與技術各自的舞步真的令人難以捉摸，只有縱覽歷史，才可以看出兩者之間高度的契合性。這種契合性在兩個方面表現得最為明顯。一個方面是，在全世界的電力生產過程中，第一個步驟大多是通過燃燒煤炭、天然氣等燃料或者利用核反應中產生的熱量來制造蒸汽。然后，利用這些蒸汽驅動渦輪機，使磁體在線圈中旋轉，進而產生電，也就是富蘭克林“看到”的電子“流”（后來，邁克爾·法拉第證實富蘭克林沒有看錯）。

另一個方面是，蒸汽機大量出現在工廠中，不可避免地將工廠與機械動力的應用緊密地聯系在一起，也為電動機的應用提供了同樣廣闊的舞臺。這一轉變標志著工業革命的開始。如果制造商不熱衷于蒸汽機的機械動力，電動機可能就不會有取代古老動力系統的機會，人類也將無法獲得電動機帶來的巨大經濟效益。

更廣泛地說，蒸汽發電是一項技術，為我們提供了技術變革的早期范本。由于技術變革是解決現代社會幾乎所有問題的一個手段，因此我們有必要研究這個范本——一部由毅力、合作、專利和生產力共同演繹的蒸汽機技術發展史。

堅毅的匠人

在詹姆斯·瓦特去世多年之后，他的孫女婿詹姆斯·吉布森（James Gibson）博士給自己的岳父寫了一封信，描述了瓦特早年沉迷于蒸汽研究的傳奇故事。童年的瓦特體弱多病，為了讓他變得健康，家人將他送到了農村。吉布森寫道：“吃飯時，長輩們發現瓦特坐在客廳的壁爐旁，手里拿著一個盤子……他把盤子伸向從裝著沸騰茶水的水壺嘴冒出的蒸汽，然后認真地觀察蒸汽接觸冷冰冰的盤子后冷凝成水時盤子與壺嘴之間的距離。”吉布森懷疑這可能是瓦特“第一次見識到蒸汽的力量和靈活性”。瓦特在自己的實驗筆記里也記錄了他如何利用茶壺來研究潛熱背后的科學原理，并因此取得他人生的第一個重大科學發現。我們也許不能斷言瓦特走上創新之路與他童年時期的這段經歷有著不可分割的關系，但他天生的好奇心、耐心的觀察，以及對精確測量的濃厚興趣，對他的科學研究來說大有裨益?！?8】

1736年，詹姆斯·瓦特出生于蘇格蘭的格里諾克，并在那里度過了無憂無慮的童年。他的父親是一名成功的商人、造船工人和木匠，因能制造精密測量所需的機械儀器而在當地小有名氣。瓦特最先表現出來的是他超常的數學能力，他的閱讀面也非常廣，還可以在工作臺上制作水泵和滑輪等機械裝置的模型。1753年，瓦特遭遇了兩大困境，先是他的母親去世了，之后他父親的財富又大幅縮水。家庭的經濟損失使得瓦特急需一份工作，于是他把目光投到了數學儀器制造這個生計上。第二年，瓦特搬到格拉斯哥，成為約翰·安德森（John Anderson）和羅伯特·迪克（Robert Dick）的學生。這兩個人都是格拉斯哥大學的自然哲學教授。1755年，瓦特前往倫敦，尋找短期學徒工作。數學儀器制造商約翰·摩根（John Morgan）為他提供了一年的學徒期。1756年，20歲的瓦特回到格拉斯哥。因為他沒有達到7年的學徒期，所以格拉斯哥的行業保護協會不同意他從事儀器制造工作，但是格拉斯哥大學允許他這樣做。當時，這所大學大家云集，經濟學家亞當·斯密和化學家約瑟夫·布萊克（Joseph Black）都在這里任職。格拉斯哥大學為瓦特提供了一個專門的工作室，讓他從事儀器制造工作。從此，發明創造的大門向他敞開了?！?9】

一名儀器制造人員是如何成為世界知名的發明家和科學家的呢？要回答這個問題，先得從科學與瓦特終生從事的儀器制造工作之間的聯系談起。儀器制造人員是科學革命背后的“無名英雄”，所有領域的科學家都離不開這些“工匠”提供的工具。氣象學家需要氣壓計，化學家需要實驗分析工具，外科醫生需要鉗子和醫療設備。牛頓深入研究各種關系的測量和量化，并引發了科學革命，而儀器制造人員是測量數據精確度的重要保證。從本質上說，儀器制造人員提供的尖端設備是推動科學技術迅猛發展的重要因素?！?0】

格拉斯哥大學有一個蒸汽機模型需要修復。這個模型非常珍貴，是早期發明家托馬斯·紐科門（Thomas Newcomen）設計的。1764年，約翰·安德森教授請瓦特完成它的修復工作。這臺蒸汽機的結構非常簡單：蒸汽被注入汽缸之后，就會推動活塞向上運動；蒸汽冷卻后，活塞就會下落?；钊舷逻\動時，活塞桿也會隨之上下運動，完成做功沖程。這臺蒸汽機的常規用途是從礦井中泵水，煤礦井和其他礦井的排水需要，對蒸汽機技術改進提出了要求。正是這些改善采礦技術以充分開采礦藏的努力，使得工業革命在英國爆發，隨后又向世界各地蔓延。

瓦特發現，紐科門蒸汽機的效率非常低。想讓活塞上下運動做功，需要燃燒大量的煤才能產生足夠多的蒸汽。瓦特親手做了一些實驗，結果發現了約瑟夫·布萊克的潛熱理論。布萊克和瓦特各自發現，剛開始給水加熱時，熱量會促使水的溫度升高，我們每次燒水時也都可以觀察到這個結果。然而，水溫升高的情況與人們的預想并不相同。一旦溫度達到212華氏度（100攝氏度），即水的沸點，水溫就會保持不變。與此同時，水會變成蒸汽。作用于水并促使水溫升高的那部分熱量被稱為“顯熱”，而將水以及其他液體轉化為蒸汽等氣態的那部分熱量叫作“潛熱”。布萊克之所以稱其為“潛熱”，是因為我們無法測量這些熱量的溫度。瓦特斷定，紐科門蒸汽機汽缸里的蒸汽在每個沖程都會冷凝或者冷卻，導致潛熱流失，從而降低了蒸汽機的效率。【51】

瓦特設計了一個獨立冷凝器，實現了重大突破。為了保持蒸汽機汽缸的溫度，他打算把蒸汽抽到另一個獨立容器中，讓蒸汽在那里冷凝成水。瓦特在獨立冷凝器中制造了一個真空環境，這樣一來，蒸汽就會從汽缸涌進冷凝器，并在那里冷卻，而汽缸的溫度不會降低。1796年，約翰·羅比森（John Robison）教授在一次演講中指出，瓦特之所以能夠實現這個重大突破，是因為他綜合運用了自己的多項天賦。羅比森說，在參觀瓦特的儀器制造工作室時，“那些精致的儀器讓我大開眼界……接下來，我看到瓦特變成了一名工匠，這沒有出乎我的意料。但是之后，我卻驚奇地發現，他還是一位哲學家?！绷_比森接著說道，“他的雙手把一切都變成了科學?！痹谕咛匮壑?，科學本就是水到渠成的事情，但財富卻難以掌控。【52】

改良蒸汽機

發明家往往需要找到外部投資者將他們的發明轉化為商業上的成功。瓦特既不是第一個，也不是最后一個有這種需求的發明家。把蒸汽機模型變成可以真正從礦井中泵水的全尺寸發動機，還需要做大量的工作。瓦特的良師益友約瑟夫·布萊克再次向他伸出了援助之手。剛開始布萊克是自掏腰包，后來又把瓦特介紹給潛在的投資者約翰·羅巴克（John Roebuck），幫助瓦特的研究順利地進入了下一個階段。當時，羅巴克的煤礦遭遇了嚴重的井下積水問題，而紐科門蒸汽機的泵水效率十分低下，無法解決這個問題。【53】

羅巴克在蘇格蘭中部低地的沿海城鎮拜羅斯托尼斯附近擁有一個名叫金尼爾的莊園，他允許瓦特在這個莊園里制造全尺寸蒸汽機。但到了最后關頭，羅巴克卻沒有辦法繼續為瓦特提供經濟支持。1766年，在前進道路上屢遭挫折的瓦特被迫出售了自己的儀器制造工作室，并開始從事測繪工作，來維持全家人的生計。在此期間，瓦特認識了馬修·博爾頓（Matthew Boulton）。當時，博爾頓在英國伯明翰市郊的索霍區創辦了第一家大型制造工廠，已經是一位赫赫有名的成功商人。在瓦特后來取得的成就中，博爾頓發揮了至關重要的作用?！?4】

1769年，瓦特取得了第一項蒸汽機專利。與其他法律一樣，專利法也有其優缺點。在當代社會，我們更有可能想到擁有專利權的好處：專利是發明者的權利保證，既是一種保護，也是一種激勵。但在瓦特的時代，人們對專利的看法卻往往是負面的，認為專利有可能導致壟斷，因此專利的數量不多。博爾頓等人建議瓦特為他的發明申請一項范圍寬泛的專利，以防止其他人通過略微改動他的創意去獲取不正當利益?！?5】

當時的專利法導致瓦特、博爾頓跟他們的對手苦苦糾纏了30年。有人說，這是因為他們的專利客體太模糊了，受保護的對象是一個原理，而不是這個原理的應用技術。這個問題相當復雜，再一次反映了科學與技術的“舞步”的確令人難以捉摸。潛熱這個全新的科學發現（或者更寬泛地說就是熱力學）是否可以證明瓦特基于原理申請的這項專利是合理的呢？或者說，瓦特和博爾頓應該針對獨立冷凝器這項具體技術申請專利？專利申請是否必須具體描述這項技術？如果進行了具體描述，一旦專利過期，其他人就可以利用并改良這項技術。關于是否申請以及如何申請專利的問題，人們意見不一。這給瓦特帶來了無窮煩惱，也曾讓塞繆爾·摩爾斯頭疼不已，直到今天仍然是一個不好決斷的難題。2015年，《經濟學人》雜志指出：“今天的專利制度名義上是為了推動進步，實際上卻為創新設置了重重障礙。”【56】

在全尺寸發動機的研發工作于1769年啟動并成功申請專利之后，一系列的挫折接踵而至。時隔4年，禍不單行的慘劇在瓦特身上重演，他在關鍵時刻接連遭遇了兩次嚴重的挫折。先是他的投資人約翰·羅巴克破產，導致瓦特在經濟上捉襟見肘；接著，他的妻子佩吉又離開了人世，這對瓦特而言是一個沉重的打擊。佩吉于1764年與瓦特結婚，9年后去世。當時瓦特37歲，他們生養的6個孩子還沒有全部長大成人。

1774年，在發明獨立冷凝器后的第9個年頭，瓦特將他的蒸汽機搬到了博爾頓建在索霍的工廠。伯明翰是白手起家的創業者的天堂，是一個以自由創業、躋身上流社會的捷徑和宗教信仰自由聞名的地方（富蘭克林以及其他英屬北美殖民地居民就曾受到這種自由精神的激勵）。歷史學家阿諾德·湯因比（Arnold Toynbee）說，當“亞當·斯密猛烈抨擊企業制度時，他腦海里想到的可能是格拉斯哥行業保護協會不同意瓦特從事儀器制造工作的具體例子”。伯明翰是一個“自由城市”，這里的自由有助于他的事業得到蓬勃發展。1775年，英國政府將瓦特的專利有效期延展了24年，這讓瓦特與博爾頓有了喘息的機會。【57】

隨后，瓦特和博爾頓著手制造蒸汽機。他們招募了一些人手，其中包括約翰·威爾金森。威爾金森之所以被人稱作“鋼鐵大王”，是因為他認為所有人都可以而且應該使用他制造的鐵器。瓦特使用的錫質汽缸一直存在質量問題，威爾金森有一項專利技術，那就是炮筒鏜床。利用這項技術，再用鐵代替錫，就可以解決蒸汽機汽缸的質量問題。此外，博爾頓還招募了威廉·默多克（William Murdoch）。后來，在康沃爾郡礦區（當時制造、使用蒸汽機的主要地區），默多克成了瓦特的得力助手。沒過多久，瓦特宣稱：“我在這里從事的工作大獲成功，也就是說，我制造的蒸汽機已經可以運轉了，而且比其他蒸汽機的效率高得多?！笨v觀電力發展史，從其他行業借鑒創意和技能是技術進步的一個關鍵途徑，即使在今天也是這樣?！?8】

瓦特是一位孜孜不倦的科學家和發明家，從未停下改進蒸汽機的步伐。作為商人，博爾頓則不停地申請專利。專利是當時政府推動技術進步的一個主要手段，這與今天政府直接為發明活動提供資金支持與稅收補貼的做法明顯不同。盡管如此，至少有一位投資人（博爾頓）為這項即將普及的技術提供了資金支持，推動它的發展進程。博爾頓提供給瓦特的不僅僅是經濟上的支持，他的信心與遠見也讓瓦特受益匪淺。當羅巴克與瓦特第一次找他商討在三個郡合作銷售蒸汽機的事宜時，博爾頓沒有同意，反而提出了一個非常大膽的想法：“我們要面向全世界出售各種型號的發動機。”【59】

經濟影響力

瓦特的蒸汽機對工業產生了前所未有的巨大影響。1913年，在瓦特獲得第一項專利的144年之后，著名的鋼鐵大亨安德魯·卡內基出版了詹姆斯·瓦特的傳記。卡內基最初拒絕了出版商的請求，但他后來又改變了主意。他說：“蒸汽機幫助我賺取了巨額財富，我為什么不用手中的筆，把這位蒸汽機制造者的生平記錄下來呢？”鑒于這句話出自一位杰出的美國實業家之口，我們可以想見瓦特的蒸汽機對世界工業發展產生了何其深遠的影響。【60】

歷史學家埃里克·羅賓遜（Eric Robinson）強調說：“別忘了，人們普遍認為瓦特的蒸汽機是工業革命的關鍵發明?！边@項發明對工業的影響范圍之廣同樣令人吃驚，不僅促使銅礦業發生了革命性的變化，從根本上改變了棉花行業的狀況，對鋼鐵行業也大有裨益。蒸汽機徹底消除了工廠在選址方面的局限性（例如，工廠不再需要依水而建），使規模經濟得以實現。在做了進一步的改進之后，蒸汽機還被應用于火車和輪船，從而使交通狀況也發生了翻天覆地的變化?！?1】

卡內基在他寫作的《瓦特傳》中粗略計算了瓦特的經濟影響力，用以說明蒸汽機對世界工業生產力的提升作用。卡內基認為，到1905年，世界上所有蒸汽機的有效功率大約為1.5億馬力，這個數字可能包括工廠和交通運輸領域中的所有蒸汽機。最后，卡內基通過計算告訴我們，由于每馬力相當于24個人的工作效率，因此1905年全世界的蒸汽機實現了36億人（當時世界上成年男性人口的10倍）的工作效率?！?2】

卡內基通過考慮這項發明對生產力的影響（也就是考慮一個人借助蒸汽機可以完成多少人的工作），來判斷其經濟影響力的做法是正確的?，F代經濟史學家也采用類似方法，分析并量化蒸汽機對生產力的影響，不過他們的精確度更高。此外，他們還會進一步估算生產力增長對經濟增長的促進作用。在這種計算方法中，增加人口數量和機器數量會促使經濟產生線性增長：如果使用相同工具的工人數量增加2%，經濟產出也將增長2%。只有通過發明提高生產力，才能使一個國家居于領先地位。只有生產力增長（廣義）才能讓經濟增速超過人口增速，從而增加人均收入，提高人們的生活水平。

盡管現代經濟史學家在數據分析方面更加勤勉，但他們與卡內基觀點一致，都認為瓦特的發明產生了顛覆性影響。這種影響至少可以通過兩種方法來評估。第一種方法是評估它的直接影響：蒸汽機大幅降低了動力成本，蒸汽動力的使用率迅猛提高。據記載，在瓦特取得這項重大突破后的100年里，動力成本下降了近80%，蒸汽動力在美國所有動力應用中的占比高達90%，遠遠超過水能、風能等。【63】

第二種方法是評估它的間接影響。間接影響通常被稱為“溢出效應”，其比直接影響更大，也更令人吃驚。溢出效應是指某項發明所引發的除了發明本身之外的其他變化。例如，蒸汽機制造商可以利用他們的蒸汽機技術，制造出效率更高的新型蒸汽機。斯坦福大學的經濟史學家內森·羅森伯格（Nathan Rosenberg）和特拉維夫大學的曼紐爾·特杰騰伯格（Manuel Trajtenberg）指出，紡織行業就有過這樣的案例。19世紀中期，喬治·柯利斯（George Corliss）對蒸汽機進行了關鍵的改進，使其能夠精確控制動力輸出，確保動力輸出的均勻性?？吕乖谒膶＠暾堉幸昧艘粋€匹茲堡紡織品制造商出具的報告，聲稱“換用新型蒸汽機后，機器不會因為不規則運動而導致斷線的問題，因此節省的費用與機器節省的燃煤費用差不多”。也就是說，蒸汽機不僅幫紡織品制造商節省了燃煤，還幫他們節省了線。此外，由于均勻的動力輸出可以大幅降低浪費原材料的風險，因此在客戶需求量有保證的前提下，一些紡織品制造商可以轉而生產質量更高的紡織產品?！?4】

然而，蒸汽機最引人注目的溢出效應是它徹底解決了水能利用的嚴重地理局限性問題。如果某個行業需要使用水能，工廠就必須靠近河流，這是一條鐵律。但如果使用的是蒸汽動力，尤其是瓦特的發明大幅降低了燃煤用量，工廠選址就再也不會受到地理條件的限制了。這種新的自由還帶來了其他好處，例如，在更接近用戶或者技術工人密集的地區建廠。今天，歷史學家認為，幫助工廠擺脫地理條件的限制將蒸汽機的發明與城市化進程聯系在一起。從更寬泛的角度來看，它彰顯了通用技術與經濟增長之間的某種聯系?！?5】

瓦特留給世人的遺產

最能彰顯瓦特在電學領域重要地位的東西莫過于我們每個月的電費賬單。電費賬單上會寫明用電量，它以千瓦時（kWh）為單位。其中的大寫字母W代表瓦特，它是功率的單位。

即使到了今天，蒸汽也是世界上大部分電力生產的基本原材料。這是瓦特留給我們的最顯而易見的遺產。此外，瓦特還給我們留下了一個技術變革的范本。它告訴我們，把一個想法（通常是科學方面的）變成一個可應用于規模生產的成功技術，需要堅持不懈的精神。博爾頓有錢有權，這顯然對瓦特的發明非常有利，但這并不是他和瓦特建立合伙關系的最主要原因。除了政治關系網和穩定的經濟支持以外，博爾頓還提供了企業家所具備的前瞻性和自信心。

詹姆斯·瓦特于1819年8月19日去世，享年83歲。卡內基寫道，瓦特就“安眠”在他的投資人、合伙人兼好友馬修·博爾頓身旁?！?6】2011年3月，當英國央行把詹姆斯·瓦特和馬修·博爾頓的肖像印在新版50英鎊紙鈔上，并配以瓦特的蒸汽機和博爾頓在索霍的工廠圖片時，英國人并不吃驚?！?7】

我們知道，專利、律師和法庭都是早期科研與發明活動必須關注的重要問題。與專利有關的訴訟不是現代特有的痼疾，而是從一開始就很普遍。博爾頓和瓦特稱，1698—1793年，除了瓦特本人擁有的專利以外，他們還成功地申請了與蒸汽機有關的34項專利。后來，他們說自己還擁有其他十幾項專利。當有人問他們為什么擁有這么多專利時，瓦特直言不諱地回答道：“在這個雄心勃勃的時代，我想我們肯定會遭遇（專利方面的）麻煩。一個想法剛剛被提出來，就會遭到剽竊。大自然似乎對壟斷十分反感，為了防止壟斷，它往往會把同樣的想法同時注入多個人的大腦?！痹谝蕾囌羝麆恿Φ墓I蓬勃發展的時代，癡迷于蒸汽機的不只是瓦特一個人。【68】

在評價電力科技進步的影響力時，我們絕不能把電力成本的變化作為唯一的考量依據，還應該綜合考慮各種經濟手段因此發生的革命性變化。瓦特既是他那個時代的弄潮兒，又是未來時代的引領者，因為他的蒸汽機對工業生產力產生了巨大的影響。瓦特是他那個時代的弄潮兒，因為他對蒸汽機的成功改進引發了工業革命。瓦特又是未來時代的引領者，因為他的蒸汽機被廣泛采用，為100多年后電動機的迅速普及創造了條件。雖然瓦特沒有預見到電動機的發明，但是發明、改進電動機的邁克爾·法拉第和尼古拉·特斯拉都是瓦特科學精神的繼承人。