瓦特蒸汽机公案：科学“启发”还是“解释”了技术？
文摘
2024-08-23 22:38
英国
载2024年8月21日《第一财经日报》
科学外史II（32）
瓦特蒸汽机公案：科学“启发”还是“解释”了技术？
江晓原
很多人将“科学是基础，技术是应用”这种观念视为天经地义，习以为常，在这种观念影响下，许多技术成就都被记到了科学账上。但实际上这种观念并未经过深思熟虑，而且很难经得起历史考察。所以许多帐目实际上是记错的，瓦特的蒸汽机就是这样。瓦特是什么人
大部分人，如果没专门去翻查过相关专著或史料，其实都很难回答“瓦特是什么人”这个问题。因为瓦特是一个非常奇怪的人，我们如果想用常见的一些社会身份，比如科学家、工程师、学者、商人、工匠……去界定瓦特，就会发现没有一个完全合适。瓦特（James Watt，1736～1819）出身富人之家，父亲是商人，业务广泛。但家里虽然有钱，瓦特却没去念大学，17岁就离家开始自己的商业生涯，19岁在伦敦找到一个大师摩根（J. Morgan），当了不到一年的学徒。摩根是手工艺大师兼数学家，瓦特的学徒生活就是给大师干活，非但没有报酬，还要交昂贵学费20畿尼（金币）。这种情景，很像文艺复兴时期大师们的师徒关系。但这一年学徒非同小可，看来比念几年大学厉害多了。瓦特不仅获得了执业资格（否则他在仪器制造行业连受雇的资格都没有），而且他学习能力超强，居然学会了许多高端手艺和知识。出师后的瓦特，有点像中国古代小说中的“巧手匠人”，心灵手巧能制造各种机巧玩艺。我们就这么说吧，如果没遇到摩根，瓦特日后根本不可能去鼓捣什么蒸汽机。瓦特有许多故事，这些故事在中国的科普读物中通常都被过滤掉了，这里只讲一个以见一斑。在1760年代，瓦特在格拉斯哥的业务中居然包括了修造和买卖乐器，于是格拉斯哥共济会想让瓦特替他们造一架教堂用的管风琴，尽管瓦特的朋友们都知道他连音符也分不清，可是瓦特居然一口答应下来，而他的依凭只是先前替人修过一次风琴。但他临阵磨枪，先做了一架小风琴，同时全力学习钻研声乐理论，不久竟将教堂的管风琴造出来了，而且用户的反映是“演奏效果很好”。现在我们可以初步回答“瓦特是什么人”了：瓦特是18世纪一个没念过大学、心灵手巧、有着广泛业务的英国商人。当然这个答案还远远不是全面的。蒸汽机公案
瓦特虽没念过大学，却和格拉斯哥大学有着不解之缘。他19岁就已经“永久入职”格拉斯哥大学——被大学任命为“数学仪器制造商”，并在校园里开设了他自己的门店。瓦特晚年，格拉斯哥大学甚至向他颁授了荣誉学位。而瓦特的蒸汽机公案，也是从格拉斯哥大学开始的。青年瓦特在格拉斯哥大学，偶遇了和未来蒸汽机公案有密切关系的两个人：布莱克教授（J. Black）和他的学生罗比森（J. Robison）。此后三人时相过从，成为多年的朋友。和这一对师生的交往开阔了瓦特的眼界，他自学了德语和意大利语，阅读了更多的书籍，还加入了名为“安德森俱乐部”的学生社团。此时正值工业革命前夜，最初的蒸汽机已经出现。人类要获得机械能，以前只能靠人力或畜力（比如拉磨），古人虽已知风力和水力可以通过风帆和风车水车转化为机械能，但输出的机械能既不稳定，也不便操控。蒸汽机的革命性在于，可以将持续获得的稳定热能（比如烧煤所得）转化为机械能。当时最重要的蒸汽机是纽科门（T.
Newcomen）发明的机器，已经实现了将热能（表现为将水加热成为蒸汽）转化为机械能的想法，但是转换效率非常低，主要只能用于在煤矿矿井中抽水，还经常抽不干净。蒸汽机迫切需要一个“量变到质变”的过程——能够以较高的效率将热能转换为持续稳定输出的机械能。瓦特虽没念过大学，但他有很强的将数学应用于实际问题的能力。在经过反复观察和计算之后，瓦特在蒸汽机中引入了“表面冷凝器”，大大提高了蒸汽机从热能到机械能的转换效率。换句话说，瓦特实现了那个“量变到质变”的过程。1769年1月5日，瓦特的专利“一种减少火力发动机中蒸汽和原料消耗的新方法”获得授权。而公案具体表现为，布莱克对瓦特的蒸汽机起过什么作用。传统的说法是：在布莱克教授的帮助下，特别是在他的“潜热”理论启发下，瓦特才发明了冷凝器。上述说法可能发端于布莱克本人，他在1803年出版的讲义中直接表示：是他本人建议瓦特改良了蒸汽机，从而“对公共利益作出了巨大贡献”。这种说法听上去非常符合“科学是基础，技术是应用”的观念图景。 然而在罗比森1822年编撰的《机械哲学体系》一书中，瓦特的信件中却是这样说的：我被这个惊人的事实震撼，并且不了解其原因，我向我的朋友布莱克博士提到了这一点，布莱克博士随后向我解释了他的潜热学说。……我偶然发现的实验结论，竟然有美丽的理论作为依托。让瓦特震撼的“惊人的事实”，是他发现水蒸汽能将6倍于自身重量的水加热到沸点。瓦特发现的这一事实当时并无理论解释，他将这一发现告诉布莱克时，布莱克向瓦特表明，这可以用“潜热”理论加以解释。由于布莱克之前显然并不知道这一事实，所以恰恰是瓦特所发现的事实支持了“潜热”理论。至于瓦特发明的蒸汽机上的冷凝器，直接来源于他的观察和实验，也不是布莱克的理论所能启发的。事实上，如果我们尝试回到史料文献所描述的1760年代格拉斯哥生机勃勃的历史现场，就有充分的理由相信，不管有没有“潜热”理论，作为能工巧匠的瓦特都可以发明冷凝器。将蒸汽机和工业革命记到科学账上
在瓦特和蒸汽机的故事中我们看到，至少在18世纪的英国工业城市里，科学和技术是分别由两群不同的人所从事的。大学教授和博士们远离世俗社会和如火如荼的商业活动，研究科学——他们更愿意称之为“自然哲学”（想想牛顿《自然哲学之数学原理》书名就可知矣），实际上经常只是对世界的哲学解释。而投身商业活动的工匠、技师、工程师和厂主、矿主、船主等等，则在火热的商业活动中钻研和推进技术的发展，因为这种发展可以立竿见影地为他们带来真金白银。这样的两群人，一般情况下很少有业务交集。布莱克、罗比森与瓦特的友谊，源于他们年轻时的邂逅，是一种特殊情况，而且他们在此后的岁月里，也仍然是各自干自己的事，并无实质上的合作。皇家学会可以认为是科学家的代表，是前一群人的高端俱乐部，那么后一群人除了比较严密的行会组织，其实也有类似的俱乐部，比如著名的“月光社”——瓦特就是月光社五个核心成员之一。但前一群人的聪明之处在于，当后一群人中有人做出了杰出成就时，就适时将他们吸纳进自己的群体。1785年，瓦特和月光社的另外四位成员被选为皇家学会会员。瓦特改良的蒸汽机真正引发了工业革命，他去世后颇享哀荣，西敏寺有为他镌刻的纪念碑文，其中说“他是物理学研究的先行者，他改良了蒸汽机，武装了人类，使虚弱无力的双手变得力大无穷，他是最伟大的科学家之一”。这段奇妙的碑文，将能工巧匠瓦特变成了“科学家”，将瓦特的技术创新变成了“物理学研究”，一举将蒸汽机——其实也就是将工业革命——记到了科学账上。![]()
