第二章　讓陽光工作

哈格裏夫斯、阿克萊特和塞繆爾發明的機器都比較小，並且都是木製的。為了讓這些偉大的發明發揮更大的作用，還要滿足兩個要求——製作材料必須結實耐用，驅動力必須穩定可靠。經過英國人的努力，最終問題得到了解決。

鋼鐵是製造機器時非常好的材料，但是鋼鐵工業在18世紀還沒有形成規模。讓我們簡單地從頭回顧一下鋼鐵的曆史。就像其他很多元素一樣，鐵的曆史可以追溯到世界的開端，那時候地殼剛開始形成。在地球早期的千變萬化中，地勢低窪的沼澤地帶被茂密的森林所覆蓋，隨後森林腐爛變成了煤炭。含碳的水滲透土壤，把流經之地的鐵微粒都帶走。這些鐵微粒不斷地向更低的地方集中，沉積到了岩石的裂縫裏麵；雨水溶解石灰岩形成凹坑，並將攜帶的鐵沉積到這裏。這些鐵礦石隱秘地在那裏一待就是很多年，沒有人知道它們的存在。

我們不知道人們什麽時候第一次學會了使用鐵。因為鐵被混雜在石頭中，沒有很高的溫度是不能將它們提煉出來的。銅和錫的熔點相比於鐵要低很多，人們可能在學會了使用它們之後很久仍然沒有發現鐵。或許我們永遠也不知道是誰第一個發現了熔化鐵的方法。第一個鐵熔爐或許是這樣的：在一堆燃燒的木材上麵放一些鐵礦石，然後再用黏土將其封起來以保存熱量，並在黏土層的上方留一個孔方便排煙，下麵留一些孔讓空氣進來以保持木材在燃燒狀態。這樣一個熔爐工作幾天的回報就是幾磅鐵。

人們很早就知道通入更多空氣可以讓火的溫度更高。一開始，他們可能通過一個中空棍子做成的管子吹氣，但這樣太辛苦了，人們開始尋找更好的辦法，於是發明了風箱。最早的風箱是用羊皮縫成袋子，裏麵充滿空氣，再加上一個噴嘴和閥門，用它把空氣擠到火裏。通過這種既低效又辛苦的方法，早期的人們成功地得到了一些鐵。

可能接下來的一步就是把燃料從木材變成木炭，這樣可以使火的溫度更高。隨後人們發明了卡塔蘭熟鐵爐。這是一個圓錐形的陶製或石頭火爐，使用了由馬或者水流帶動的更加強勁的風箱。所有這些改進都發生在中世紀。

鼓風爐是在古老的卡塔蘭熟鐵爐的基礎上改進的。在人們使用卡塔蘭熟鐵爐的時候，同時也在想辦法加強吹入空氣的力度。他們把熔爐造得更高，仍然把空氣壓進去。這樣一來，更高的爐子和更強的氣流可以讓人們煉出更多的鐵。這些鐵會流到爐子的底部，匯入到準備好的爐缸裏。他們還發現，如果把石灰石和木炭混合在一起燒，鐵礦石中的很多雜質可以與石灰石結合形成爐渣。爐渣比鐵輕，當它到達熔爐底部的時候，會浮在鐵水上，方便去渣。

到了18世紀，人們發現英國有很多鐵，但是沒有木炭的話，就無法把它們從礦石中煉出來。煉鐵需要太多的木炭，以至於那個時候英國的木材幾乎被耗盡了。之前曾覆蓋著大地的廣袤森林很快消失不見。議會擔心造船廠會因此沒有足夠的木材來造船，於是製定了非常嚴格的法律來限製伐木。所以，人們麵對的問題是沒有木炭的情況下如何才能得到製造機器用的鋼鐵。

自從地球誕生，在英國的土地下麵就慢慢積累著豐富的煤層。煤炭從多處地表露出，人們一定早就對它很熟悉了。但是很多年來，它一直僅被當作黑色的石頭，而人們從未想過石頭可以燃燒。過了一段時間，人們知道這種東西可以燃燒並產生巨大的熱量。但是隻要還有足夠的木頭可以燒，就沒有人願意費勁去找其他燃料。有時候在煤炭資源豐富的地區，人們會拾一些煤塊作為燃料，慢慢地，他們開始挖淺層的煤礦。

新式的紡紗機和織布機產生以後，鋼鐵的需求量迅速增加。同時木材的稀缺也讓燃料的需求更加緊迫，所以人們開始挖掘煤礦。這個工作異常辛苦，人們需要用筐子把煤炭背出來。如果你去參觀300年前的煤礦，你會看到女人們在一筐筐煤炭的重壓下弓著身子，費勁地爬著梯子或者盤繞的台階，從煤礦深處走出來。還有些煤礦的通道太過狹窄，成年人根本不能進去把煤炭拉出來，於是他們就雇用小孩。一些孩子被用作“看門工”，他們整天待在一扇小門後專門為他們掏的小洞裏，手裏牽著一根連在門上的線。當聽到運煤車過來時，就打開門讓它通過，然後再把門關上。這些可憐的孩子一整天都在黑暗中度過，連燭光都看不到。另外一些孩子把滿載煤炭的小車沿著通道推出來或者拉出來。人們有時還會用手軲轆把綁在繩索上的煤筐拉出來，四五個人在地麵推著軲轆一圈圈地轉，很是辛苦。若礦井更深，就需要用馬來拉動軲轆繞圈走。絞盤和滑輪組的結合可以幫助一匹馬把沉重的煤筐拉出礦井。

煉鐵對煤炭的需求漸增，礦井也越挖越深。另外一個問題的出現，讓這項工作變得更加艱難。深處的礦井經常被水淹沒，人們隻能先一桶一桶地把水運出去。人們把桶沉到礦井底部，讓它打滿水，然後再用長長的鎖鏈把這桶水拉上來。這是緩慢而又繁重的工作。使用這樣簡陋的方法，幾乎不可能給煉鐵提供足夠的煤炭。人們迫切需要能夠把水從礦井中快速抽出並把煤炭快速運上來的機器。

古往今來，人類一直在尋找能夠幫助自己工作的動力。在最開始，人類隻有依靠自身的力量，但隨著負荷的加重，人的後背、胳膊和腿就變得疲勞無力了，隻得開始尋找其他的方法。後來人類學會了讓動物幫助自己勞動。有一天，看到山間的激流衝走擋在前麵的一切東西時，某個先人意識到可以利用水流的力量。他在水中搭建了一個輪子，水流轉動輪子就會產生動力。後來人們也學會利用擁有巨大旋臂的風車產生風能來抽水、磨麵以及做其他事情。

所有這些設備都賦予了人類比自身強大很多的力量。但是水車隻有在有水瀑的地方才能使用，風力很不穩定，而動物的力量也是有限的。多少年以來，人類一直都夢想著擁有一種比他們已知的更有用的力量。這種力量就是蒸汽的膨脹力。

人們一直都對蒸汽很好奇，於是不斷地做實驗測試它的用途。我們所知的有關蒸汽最古老的實驗，是古希臘一個名為希羅的人做的。他發明了一個簡單的裝置，叫作“風神之球”。在一個頂端有開口的球狀容器中將水加熱，蒸汽通過兩根管子從頂部出來，它的力量猛烈到足以讓這個球在空中飛轉。當然，這僅僅是一個玩具，但是它提示了人們：蒸汽可以用來做功。

基於這個想法，數百年來人們不斷地用蒸汽做實驗，想要找到一種可以利用它的方法。公元1629年，一個意大利醫生布蘭卡在研究了希羅的蒸汽裝置之後，自己也發明了一個。他在一個人頭形的金屬壺裏燒水，蒸汽隻能通過一根“含在人嘴裏”的細管出來。從管子中噴出的蒸汽吹著一個輪子，使之轉動；輪子連接著兩個轉軸，帶動兩根用來在研缽裏搗藥的棍子。這是蒸汽第一次真正被應用在工作中。

丹尼斯·帕平是一個法國人，他第一個想到通過管狀或圓筒狀的汽缸利用蒸汽，這樣就可以將蒸汽的全部力量都利用上。他把一個叫作活塞的圓盤放入汽缸中，通過調整鬆緊度，使之可以做上下運動，然後在汽缸的底部燒水使之變成蒸汽，膨脹的蒸汽把活塞向上推起；當蒸汽冷卻時，活塞落下來，其力量足以使綁在上麵的繩子吊起一個重物。當運動的活塞被連接到機械裝置上，蒸汽的推力就派上了用場。就這樣，人們終於有了第一台蒸汽機，一台人們可以隨心所欲控製和利用的動力機器。

托馬斯·薩弗裏首次嚐試了讓蒸汽在礦井中派上用場。他製造了一台蒸汽機——“礦工之友”，可以用來抽水，而且不需要使用吊桶辛苦地提水就可以排幹礦井中的積水。薩弗裏的幾台機器都被用在礦井裏，這使得礦工們可以在更深的地方工作。但是這些機器排水效率很低，並且很耗煤。

托馬斯·紐科門做了進一步的改進，他是一個居住在達特茅斯的五金商人。在經過大量的工作和多次失敗之後，紐科門成功製造出了一台運轉良好的泵。這個泵上有一根橫梁，一端連著一個重物，另一端連著活塞。當重物下落時，把活塞拉到汽缸的頂端，蒸汽從下方燒火的地方進入汽缸。這時一股冷水被噴入汽缸中，導致蒸汽降溫冷凝，汽缸內壓力降低，活塞向下走，帶動橫梁另一端的重物被舉起。這就是這台泵的做功過程。

據說有位名為漢弗萊·波特的天才少年對紐科門的泵做出了重要改進。紐科門的泵需要一個人控製閥門，以便讓冷水或者蒸汽進入汽缸。這項工作太簡單了，所以一般是由小男孩來做的。漢弗萊就是在一個煤礦上做此項工作的孩子。有一天，漢弗萊在看管閥門，心裏卻想著出去玩耍。他第一次注意到，當連接蒸汽機的橫梁降到最低點的時候，其中一個閥門必須打開；當橫梁在另一邊升到最高點的時候，閥門則必須關閉。他的腦海裏飛快地閃現出一個主意，為什麽不讓橫梁自己做這個工作呢？他迅速把繩子綁到運動的橫梁上，讓橫梁控製閥門，他就可以自由地玩耍了。漢弗萊這個方法被普遍認可，很快就被應用到了所有的蒸汽泵上。人們用連杆代替繩子，這樣機器就可以自動運轉了。

很多煤礦采用了紐科門的機器，它被使用了將近70年。但是這種機器低效又很費燃料，供它運轉所消耗的煤炭幾乎和使用它生產出來的煤炭一樣多。隻有發明一個比這個既笨重又低效的機器更好的機器，鋼鐵行業才能更快發展。公元1763年，詹姆斯·瓦特開始著手去改進紐科門的蒸汽泵，以減少它的煤炭消耗量。

詹姆斯·瓦特出生在蘇格蘭。他小時候身體不好，不能去學校，就在家接受來自父母親的家庭教育。小瓦特非常喜歡擺弄東西，他常常把自己的玩具拆散，再重新組裝成新的玩具。

一次偶然的機會，當他趴在地板上，用粉筆在灶台上畫線的時候，他父親的一個朋友說：“瓦特先生，你應該把孩子送到學校去，不能讓他在家虛度光陰。”

“看看我的孩子在你批評他之前多麽專注。”瓦特先生回複道。

盡管隻有6歲，瓦特卻正忙著畫三角形和曲線，嚐試解決一個幾何問題。這位客人問了他幾個問題，他都巧妙應答。

“原諒我，這個孩子的教育沒有被疏忽。他不是一個一般的孩子。”他說。

瓦特的姨媽住在他們家不遠處，瓦特經常和她在一起。據說，有一天，他的姨媽發現他在廚房裏研究茶壺。瓦特彎腰看著茶壺，使勁盯著從壺嘴裏噴出的蒸汽。很快，壺蓋開始格格作響，搖晃了起來。他拿走蓋子，用一個玻璃杯罩在蒸汽上，看著裏麵冷凝的水滴。姨媽認為這很無聊，就責罵他：“詹姆斯·瓦特，我從來沒有見到過你這樣的小懶蟲。你為什麽不拿本書去看，好讓自己有點用？過去的一個小時裏，你一句話都沒說，隻是把壺蓋從茶壺上拿掉再放上去。你這樣浪費自己的時間，不感到羞恥嗎？”

長大以後，瓦特大部分時間都在父親的商店裏度過，這裏存放著輪船的補給，也做輪船維修。他有一個小小的鍛造爐和一張自己的工作台。在這裏他製作了起重機和滑輪組，研究了各種金屬和木材的使用方法。瓦特心靈手巧，工人們都評價他“靠手就能發財”“指尖藏著一筆財富”。

最終瓦特要進行職業選擇了。他的父親本想讓他繼承自己的生意，但是瓦特曾在這上麵賠過一大筆錢，看起來最好還是讓他選擇一個能夠發揮他機械天賦的生計。因此，瓦特前往格拉斯哥，成為一名儀器製造商。他成了格拉斯哥大學教授們的好朋友，為他們清潔修理各種各樣的儀器。

有一天，一個紐科門蒸汽泵的模型被送過來讓他修理。在觀察它工作的過程中，瓦特發現交替進行的加熱和冷卻動作使得泵運行得非常緩慢並且浪費蒸汽。因為熱量的損失，這種機器永遠也不能低能耗地工作，因為要保持它的運轉所需的燃料太多了。

瓦特對這個問題非常感興趣。他認為汽缸根本就不應該被冷卻，反而應該一直保持與進入其中的蒸汽同樣高的溫度。但是如何才能讓汽缸一直保持高溫呢？從那時開始，他完全投入到如何製造更有用的蒸汽機這個吸引人的研究中。一連好幾個月，他不分日夜地工作，用蒸汽進行實驗。他租用了一間老舊的地下室，製造了一台蒸汽機模型。但是盡管花費了大量的時間和金錢，他的嚐試都失敗了。

後來，他靈光一閃，突然想出了解決方案。“公元1765年，一個晴朗周日的下午，我正在散步，”他在日記中寫道，“我正在思考蒸汽機的問題，以及如何才能節省汽缸的熱量。這時候一個主意突然浮現在我的腦海裏：既然蒸汽是可伸縮的，它會自動跑到真空裏。如果用一根管子把汽缸和一個真空的容器連接在一起，蒸汽就會衝進容器裏，不需要冷卻汽缸就可以在容器裏冷凝。我沒有走太遠，整個過程就在我腦子裏理順了。”

第二天瓦特立即開始行動，渴望把想法變成現實。接下來就是多日的努力和頻繁的失敗。盡管如此，瓦特非常自信，他沒有放棄。圍繞著蒸汽機工作了幾年之後，瓦特終於有了令自己滿意的成果。

瓦特最初製造出的蒸汽機非常粗糙，它噴著煙，冒著火，渾身縈繞著嘶嘶響的蒸汽，所以他稱之為“魔王”。最後，“魔王”散成了碎片，瓦特很絕望，卻沒有放棄。老“魔王”被運送到了伯明翰，讓那裏最好的機械師修理。損壞的零件被一個個地修好，最終它又能正常工作了。經過數年的思索和努力，瓦特的第一台真正的蒸汽機終於誕生了。但是即便這樣，還需要做很多工作才能讓它成功投入使用。

當時伯明翰有一位富有的製造商，名字叫馬修·博爾頓。他對瓦特的蒸汽機很感興趣，就與瓦特建立了合夥關係，為瓦特提供資金供他繼續研究。遠近的礦主們都來參觀瓦特的研究成果。瓦特的蒸汽機從煤礦中抽水的效果是他們從未見過的。蒸汽機的訂單如雪片般飛來。到了公元1783年，歐洲的很多煤礦都在使用瓦特的蒸汽機。

詹姆斯·瓦特的晚年幸福而富足。他一直在做實驗，直到生命結束。家中閣樓上的一個小工坊是他最喜歡的地方，他很樂意待在那裏一連工作好幾個小時。“如果沒有愛好，”他說，“那算什麽生活？”

蒸汽機本來是為了從煤礦中抽水而發明的，但是很快人們就發現任何機器都可以用鋼鐵製造，用蒸汽驅動。英國有大量的鐵礦可供製造機器，有豐富的煤炭資源可以提供機器的驅動力。瓦特的蒸汽機可以讓英國人充分利用這些資源，在接下來的20年裏，瓦特蒸汽機風靡整個英國。到18世紀末，蒸汽機派上了大用場，英國所有的先進產業都離不開由動力驅動的機器。曾經低效而繁重的工作，現在可以快速輕鬆地完成。機器讓英國的貨物供大於求，進而增大了出口量。礦山和工廠，鑄造廠和鍛造廠，都成了工業中心。憑著這些，英國成了世界工廠，我們至今仍生活在英國創造的機器時代裏。

瓦特的蒸汽機給世界帶來了新的力量，地球早期無邊無際的森林所吸收的太陽能因它成為人們工作的動能。這些遠古的樹木就像我們現在所知的那些樹木一樣生存成長，在溫暖的陽光裏變得茂密繁盛，從空氣中吸收了數以百萬噸的碳。然後猛烈的地殼運動埋葬了這些森林，使之成為煤炭，在地表之下隱藏了無數的歲月，直到最後被挖掘出來為人類工作。因此可以說，是這些被埋葬了的遠古沼澤賦予了人類重塑地球麵貌的熱量和能量。