大腦與手：從工業革命論科學與技術的關係／郭慧志，郭紅燕，施鳳丹

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大腦與手：從工業革命論科學與技術的關係／郭慧志，郭紅燕，施鳳丹
大腦與手：從工業革命論科學與技術的關係／郭慧志，郭紅燕，施鳳丹
科學學研究，第25卷增刊，2007年l2月http://file.lw23.com/f/f6/f6d/f6dbfd44-c7a2-4eda-b76d-5d92f82052b9.pdf
(北京航空航太大學經濟管理學院，北京100083)
摘要：以瓦特發明蒸汽機為例，探討科學和技術的緊密關係，並對工業革命的技術革命進行圖示分析，認為工業革命的技術構成是加工機械、動力機械和應用機械，而科學家和工匠在這些方面是相輔相成的。指出中國在工業上的落後既有技術上的也有觀念上的原因，在對人手進化分析的基礎上，提出科學與技術的關係是「腦」與「手」的關係，二者對於人類發展缺一不可。
關鍵字：科學；技術；工業革命；手；腦
　　科學與技術既有聯繫又有區別，我們習慣於將其合併以科技二字命名，也有人對此不以為然，認為這混淆了科學和技術的關係。不過存在的必有其合理性。我們探討科學和技術的關係，有助於把握二者的聯繫和區別。工業革命的標誌是“瓦特發明蒸汽機”。我們老調重彈，看看其中的奧妙，也許對科技的發展有一個直觀的認識。
1 瓦特發明蒸汽機　　瓦特
(James Watt, 1736-1819)的父親是造船工匠，他在父親的工廠裡度過了少年時代，學到了作為一名精密機械工應掌握的技術。
　　瓦特沒有上過正規的大學，因此也沒有受到嚴格的科學訓練和理工學術薰陶，不過這無所謂，因為當時英國正規的大學完全沒有如今天的課程設置，所學所教的仍然是中世紀的七藝以及相關的我們今天歸之為文科的課程。但是，瓦特上過“繼續教育”的課程。由於約瑟．布拉克發現了比熱和潛熱，瓦特業餘時間去聽布拉克的課。
　　1755年，瓦特在倫敦投奔到一家儀錶修理廠約翰．莫根的門下學習製造直尺和羅盤。後來他開了一家小店鋪出售各種數學器具和樂器、玩具及雜品。
　　瓦特身體一直比較弱，天生靦腆而膽小，一碰上不順利就立刻灰心喪氣。完全沒有我們慣性思維中那種堅忍不拔的發明家的性格。而且當瓦特發明了蒸汽機後，總是擔心蒸汽機能否正常運轉等問題，經常和朋友談心，瓦特的妻子是他的支持者和安慰者。
　　瓦特是個勤奮的人，為了閱讀國外科技書籍，自學了法文、德文、義大利文，此外對古代史、法律、藝術哲學也十分感興趣，還有音樂。
　　瓦特的蒸汽機研究受到了專利法的保護，馬修．伯爾頓投資和瓦特建立了公司，瓦特通過專利許可成為了有錢人。1785年，瓦特被選為英國皇家學會會員。1816年，瓦特被格拉斯哥大學授予法學博士學位? (可惜當時沒有工學博士)。
　　瓦特被認為是蒸汽機的發明者。可瓦特並沒有“發明”蒸汽機，他只是“改進”了蒸汽機。　　1763年，格拉斯哥大學教授約翰．安塔遜委託瓦特修理紐可門式氣壓蒸汽機模型。瓦特很快完成了工作，但發現其效率很低，經研究原因，用蒸汽加熱汽缸再用水冷卻是不合理的。瓦特反復進行了各種壓力下使水沸騰的實驗，發現蒸汽的容積為水的1800倍。瓦特在散步時腦海裡有了這個想法——“蒸汽是有彈性的物體，所以，可以進入真空中，如果汽缸和排氣的容器相連接的話，蒸汽就可以進入容器內，無需再冷卻汽缸，蒸汽就可以冷縮。”然後，瓦特就發明了蒸汽機，當然，鍋爐的耐壓是非常重要的。
蒸汽機發明的整個過程是：
　　(1)當馬爾格茲‧沃賽斯特在套爾當囚犯時，有一次，他觀察到水壺裡的熱氣掀起水壺蓋子這一現象，從此他的注意力就集中到蒸氣動力這個課題上。他把觀察的結果發表在《世紀發明》這本雜誌上 。
　　(2)1650年，曾任軍事工程師的奧托馮蓋呂克制出空氣泵，在礦業實踐中有重要意義。波義耳和胡克在1667年進行了重大改進，惠更斯和帕平促進了這種發展，惠更斯描述了他發明的由氣缸和活塞組成的動力發動機 。
　　(3)鄧尼斯‧帕平(Denis Papin)。作為一名新教徒，他是一個關鍵人物，帕平曾經擔任惠更斯和萊布尼茲的助手，他注意到沃賽斯特的文章，於1676年發表《帕平的壺》(壓力鍋)一文，和其他當時的科學家一樣，帕平致力於採礦業的革新，他發明了空氣離心泵、汽缸、活塞和揚水機 。帕平與波義耳進行一系列空氣靜力學實驗，1679年向皇家學會展示了著名的加熱浸提器，瓦特曾經使用過這種器械，帕平還提交一份報告，提出了應用大氣壓經過相當距離連續輸送動力的切實可行的辦法。他同樣還提出了通過蒸汽冷凝用活塞製造真空的方法 。
　　(4)蒸汽機的第一發明人紐科門是達特茅斯的一個金屬器具商，對德文和康沃爾的錫礦很熟悉。決心解決科尼什錫礦裡的積水問題，他花了10年來做實驗，1712年終於發明了蒸氣機。紐科門的蒸汽機並不是蒸汽機，而是一種真空發動機，但是耗煤太多，錫礦用不起，英格蘭中部地區的煤礦老闆首先采用了紐科門的技術，用來抽煤礦裡的水 。
　　紐科門是靠氣缸中的活塞成功利用動力的第一人。而紐可門曾就大氣壓的問題和科學家胡克進行過交流。
　　(5)瓦特對蒸汽機的貢獻，是把在氣缸內冷凝蒸汽改為在一個分離的密閉容器裡冷凝蒸汽，從而大大提高了蒸汽機的效率。他還封閉了氣缸的頂端，用低壓蒸汽代替冷空氣來向下推壓活塞。這種改進的瓦特蒸汽機，仍然要造成真空和在極低的壓力下利用蒸汽。但是，要是鍋爐不比釀酒商的銅容器強而經不起高壓的話，這是不可能做到的 。
　　蒸汽機的發明是科學和技術的結晶。蒸汽機對科學的影響在於熱效率的研究：
　　(1)約瑟布拉克首先發現了比熱和潛熱。瓦特在修理紐卡門的蒸汽機時，發現效率問題在於“在每次衝程中，蒸汽在冷氣缸裡凝結成水而喪失了”。於是瓦特業餘時間去聽布拉克的課，在布拉克的比熱和潛熱理論的啟發下，他領悟到把加熱汽缸和冷卻汽缸兩個過程分開進行。
　　(2)法國軍事工程師卡諾(N. IJ. S. Carnot)1824年設計出一種每一過程都是可逆的熱機，任何熱機效率都不可能超過這種可逆機，因此提出了卡諾循環和卡諾定律即熱力學第二定律。在卡諾的筆記中寫道“在自然界中，動力在量上是不變的，準確地說他是不生不滅的”這是歷史上最早的能量守恆原理的敘述[5] 。
　　19世紀中葉的熱力學第一定律和第二定律的形成，促進了內燃機的研製。
　　(3)汽輪機必須要有鍋爐和燒鍋爐的火，這就意味著汽輪機會相當笨重。瓦特的發明就是直接把蒸汽當作能源來用，而起先這是不可能的，因為沒有產生高壓蒸汽的鍋爐。而當這一切解決後，內燃機在很短時間內就發明了(1860—1900)，它的發明跟許多進行獨立研究的個人有關。這些人大多是在自己的院子或小作坊裡工作的自修成材的機修工，彼此聽到別人的成功而受到鞭策和鼓舞，爭先恐後想生產出一種大功率的可靠的發動機。
　　我們總結的工業革命時期動力機械發明見表1。
　　人類很早就會利用水力和風力，工業革命首先是動力革命，以機器力取代人力和畜力，並消除了水力和風力的環境限制。其次是技術革命，即以機器製造機器，從手工業作坊轉換到機器工廠。從中，人們不難看出這樣一條發展道路：水車—%26gt; 風車—%26gt;渦輪機—%26gt; 水泵—%26gt; 蒸汽機—%26gt;內燃機，其基本原理都是一樣的[4] 。
　　推動19世紀科學文明發展的動力是熱能和電能。瓦特完成了通過燃燒煤從而使蒸汽機運轉這一課題，得到了過去從來沒有的強大動力。法拉第確定了利用電能的基本原理。開始了二次動力革命。無人否認科學促成了電氣時代的到來，但就蒸汽機時代而言，似乎科學與技術的關聯性並不強，常有人說如果沒有波義耳、托裡拆利和其他人的理論研究，紐科門發動機是不可能出現的，瓦特也和格拉斯哥的科學家一道工作，毫無疑問，這種說法有一定真理成分，但究竟有多少卻很難說。有一點很明確，當分離冷凝器原則建立起來之時，後繼的技術革新與理論幾乎扯不上什麼關係了[7] 。
2 工業革命的科學技術觀
　　早期科學的發展完全不同於今天，它和大學以及技術的關係並不密切。相反的，技術發明創造基本上依賴於以手工業起家的工匠們的刻苦鑽研和鍥而不舍的精神。索巴特(?)曾經概括說，17世紀的技術與當時的科學幾乎是相分離的，從達芬奇時代開始，直到18世紀為止，科學家和發明家所走的是兩條各自不同的道路。「索巴特的真理顆粒可以歸結如下，這些科學家並不熱心於促進可供工廠利用的工業機械的發展—— 這種發展還不足以引起他們的注意— —他們所關心的是能為商業、礦業和軍事技術提供?明的發明」 [3]。
　　由於使用水泵(特別是活塞泵)和引水設備來為礦井排水，就需要在流體靜力學和空氣靜力學領域內進行深入研究。因此，一大批科學家，如托利拆力、帕斯卡、海利克、雷恩、惠更斯、波義耳等等都在這個領域做出了貢獻。
　　在工業革命時代，技術是沿著自己的路線走的(見圖1)。
　　根據《外國科學技術發明家》整理而得出的工業革命時期加工機械製造見表2。
　　西方技術與科學在開始是分開的，早期的發明家要麼是鐘錶匠；要麼是紡織工；要麼是木匠，從上表中可以看到一個有意思的現象，這些嗜好發明的工匠有不少名叫約瑟夫的。另外受到高等教育的人，在生產管理上貢獻很大。其中，亨利‧莫茲利是一個關鍵性人物，而鎖和鐘錶則是機械技術的根源。亨利．莫茲利沒有受到正規訓練，他在兵工廠、木匠鋪、鐵匠鋪都幹過。莫茲利在生產鎖的布拉馬廠得到了訓練。1794年製作了刀具的自動進給裝置，訂制了海軍的滑輪，自製機床，改進了螺紋加工機床，與進給箱和車床的絲杠嚙合。納斯密斯是莫茲利的弟子，輪船上的大型蒸氣機需要加工用的氣缸、活塞、曲軸等機床，他用了兩年的時間設計了蒸汽錘，並於1843年推出改進後的新型蒸汽錘。1851年的萬國博覽會，莫茲利的另一個弟子約瑟夫．惠特沃斯展出了車床、刨床、牛頭刨床、插床、鑽床、壓印機、剪切機、螺紋切削車床、切齒機、螺母製造機等23種各種機床，令人大吃一驚。因此技術的改進和傳承是極為重要的。那麼，技術與科學是何時合流的？通過對圖1的細化，可以有一個直觀的瞭解(見圖2)。
　　通過圖2與前面的說明，我們可以看到，科學家對於動力機械的貢獻最大，對於加工機械的貢獻最小，對於應用機械的貢獻處於中間位置，技術工匠則正相反，科學家和技術工匠是相輔相成的關係。
　　加工機械與動力機械密不可分，與木制的棉毛紡織機不同，蒸汽機從一開始便迫切的要求冶金和機械製造等有關行業進行相應的技術革新。約翰‧斯米頓(見表1)預言瓦特造不出他的發動機，因為它所要求的加工精度在當時尚無法滿足。從瓦特註冊專利到實現商業生產之間隔了7年，問題的解決是約翰‧威爾金森(見表2)天才的加工技術，可以保證「直徑72英寸的汽缸在最差的地方加工誤差也不會超過6便士硬幣的厚度」，即便如此，也達不到實現有效真空的精密程度，瓦特和工程師們採用繩索、麻纖維和油脂來填充活塞和汽缸之間的縫隙，直到l9世紀材料和機械製造技術的發展才使得瓦特的設想完全實現。
　　19世紀是科學和技術文明迅速發展的時代。推動19世紀科學文明發展的動力是熱能和電能。瓦特完成了通過燃燒煤而使蒸汽機運轉的這一課題，得到了過去從來沒有的強大動力。而法拉第確定了利用電能的基本原理——1831年，法拉第發現了感應電流，開始了二次動力革命。從「磁性引起電的實驗」結出了豐碩的果實。大型水力發電站、火力發電廠的建設實現了從19世紀後半葉直到今天的電氣時代。在法拉第1831年發現電磁感應後，1832年法國物理學家皮克希在巴黎公開了第一台永久磁鐵發電機，1834年德國物理學家兼技師莫里茲‧海爾曼‧雅各比製成了第一台有效的電動機，1860年義大利物理學家巴奇諾基發明了環行電樞，製成了直流電機。科學帶動的技術進步，從時間上來說是驚人的。
　　相反的，中國古代雖然有驕人的科技成就，但近代落後也不是偶然的，中國從西方採用的發明和生產方法恰恰是西方工業革命的關鍵部件 (見表3)：
　　鐘錶機械在康乾時期傳人中國最多，至今故宮鐘錶館仍然陳列著這些器物，顯然，中國人沒有在此基礎上有更大的作為，螺絲是機械部件的關鍵，曲軸是動力機械的關鍵，並不難學，中國人在機械方面的表現相當不如意還不是主要的，關鍵是社會上的陳規陋習。1876年英國人建成了松滬鐵路，卻遭到中國人的一致反對，兩江總督沈葆楨以28萬5千兩白銀將其買下，將鐵軌車輛運往臺灣沉在打狗湖中 ，這是中國現代化進程中交的最無稽可笑的一筆學費。此外，將外國人在中國實行的現代化一概斥之為侵略和掠奪，也註定了中國向工業時代邁進的艱巨性。