汽機為何只能誕生在英國:專利保護深入人心

原標題：汽機為何只能誕生在英國:專利保護深入人心

英國采礦業(yè)的急迫需求、前人的技術積累、專利保護觀念的深入人心、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仍在運行。雖然大多時候抽水站依靠電力運行，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，確保肯尼特埃文運河暢通。自1812年運行以來，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：“機器單調地上下擺動，像一只悲傷的大象瘋狂地晃動著頭顱?！?br/>

蒸汽機是工業(yè)革命時代的標志性裝置。提到蒸汽機，人們同樣會聯想到著名的英國發(fā)明家詹姆斯·瓦特。上述蒸汽機正是由瓦特的公司制造、安裝的，標號為42B——意為伯明翰博爾頓&瓦特制造廠生產的第二臺42英寸汽缸的蒸汽機。瓦特常被稱為“蒸汽機的發(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。事實上，早在瓦特出生20年前，蒸汽機就已進入市場。

準確地說，瓦特并非“蒸汽機的發(fā)明者”，只是一位優(yōu)秀的“蒸汽機改良者”。如果沒有英國采礦業(yè)的急迫需求、前人的技術積累、專利保護觀念的深入人心、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。

古希臘和古中國的蒸汽機

人類歷史上從來不缺能工巧匠。瓦特出生前1700多年，公元1世紀左右，古希臘數學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園，發(fā)明了有文獻記錄以來第一部蒸汽機，這里也是歐幾里得和阿基米德曾經工作過的地方。

這臺蒸汽機名叫汽轉球，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子組成。鍋子與空心球連通，當其中的水被加熱到沸騰時，蒸汽進入空心球，然后從兩根管子排出，形成反作用力，進而推動空心球旋轉。

見過汽轉球的人，都將其視為一個奇跡，但包括希羅在內，他們僅將其視為一個玩具而已。當時，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”并沒有實際用處，只能算是利用蒸汽進行的一次好玩的嘗試。

奇妙的是，在一千多年后的中國，有人也進行了蒸汽試驗嘗試，原理與汽轉球有異曲同工之妙。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，將試驗手稿發(fā)表于1687年的德國《歐洲天文》雜志。1940年代，學者劉先洲將此翻譯回國內，并發(fā)表在當時介紹先進思想的刊物《東方雜志》上。

根據劉先洲的翻譯，南懷仁在這篇手稿中詳細介紹了試驗情況：“當余試驗蒸汽之力時，曾用輕木制成一四輪小車。長二尺，且極易轉動。在車之中部，設一火爐。爐內滿裝以燃燒之煤。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。故當立軸轉動時，車即被推而前進。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。當蒸汽在較高壓力之下，由汽鍋經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，結果車遂前進。”

南懷仁的蒸汽機原理，是用高速蒸汽推動齒輪旋轉，帶動車子前行，這與汽轉球類似。更像汽轉球的是，南懷仁發(fā)明蒸汽機是為了取悅康熙，并向他展示西方的科學進展，所以這臺蒸汽機也僅是玩具而已，同樣沒有任何實用價值。

令煤礦主頭痛的問題

這臺首次出現在中國的蒸汽機，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，帶動輪子轉動。有學者考證，南懷仁很可能在歐洲見過布蘭卡的著作并受到啟發(fā)。

事實上，南懷仁和布蘭卡所處的17世紀，研究蒸汽、大氣壓與真空的關系正是當時的“學術熱點”。自從意大利物理學家托里拆利在水銀管中發(fā)現了“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”，癡迷于研究相關現象的學者越來越多。影響最大的，莫過于在1652年，德國物理學家奧托·格里克發(fā)明的“馬德格堡半球”。當時，他用近似馬戲表演的方式，向包括德國皇室在內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)現真空能夠吸水，或許能解決令當時采礦業(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，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)煙嚴重的海運煤。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，就越容易產生積水，解決的辦法有兩種，費巨資挖掘排水隧道，或使用水車帶動的排水泵。兩種方法都受到地勢的嚴重限制，比如河流的走向必須與礦山的位置一致，當時礦主亟須一種不受地形限制的排水方法。

最新的科學發(fā)現，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用價值的蒸汽抽水機誕生了。是年6月14日，一臺巨大的機器出現在英國皇家學會格雷沙姆學院，機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，進入汽缸，當充滿蒸汽的汽缸被噴灑上冷水之后，水蒸氣迅速凝結，在汽缸內部產生真空，從而把水從外部吸進來。此后，操作員轉動不同的閥門，讓蒸汽進入汽缸，將汽缸內抽上來的水通過一個管道擠出去，準備下一輪抽水。

機器的發(fā)明者名叫托馬斯·薩弗里（Thomas Savery），他將這臺蒸汽抽水機命名為“礦工之友”，意為幫助礦工排水。當時，英國皇家學會如此報道這次展示活動：“薩弗里先生……以火為燃料，通過水蒸氣的收縮來真空抽水。他向學會會員展示了真空泵的運轉過程。試驗非常成功，也令會員們非常滿意?！?br/>

這臺機器獲得了英國皇家學會的認可，卻沒有得到礦主的認可。機器沒有安全閥，且汽缸焊接處的熔解溫度十分接近高壓蒸汽溫度，這讓機器存在巨大的爆炸隱患；更糟糕的是，標準大氣壓環(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。

開啟蒸汽機革命的大門

薩弗里曾在英國達特茅斯雇傭工匠，為他的蒸汽機制造模型和零件。當地一位名叫托馬斯·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薩弗里蒸汽抽水機的缺陷。經十多年的研究試驗，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遇到的難題。

1923年11月，倫敦蓓爾美爾，一輛以蒸汽機汽車拋錨了。20世紀初，蒸汽機汽車依然風頭正健，但逐漸敗給內燃機汽車。

當時，有關蒸汽機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，將熱能轉化為機械運動。后者的代表人物是出生于法國的物理學家丹尼斯·帕潘（Denis Papin）。1690年，帕潘在德國萊比錫市《教師學報》公布了他的發(fā)現：蒸汽冷凝之后會產生真空，汽缸外的大氣壓會使汽缸內部出現某種機械運動。隨后，他發(fā)明了對后來的蒸汽機至關重要的一個部件——活塞。

帕潘并沒有真正發(fā)明出蒸汽機，而紐科門不僅巧妙地利用了帕潘的發(fā)明，還設計了另一個對后來蒸汽機至關重要的部件——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。當汽缸充滿蒸汽時，橫梁翹起，讓負責吸水的活塞處在最低端。蒸汽凝結為水后，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)明的蒸汽機的原理。

連接活塞和橫梁的拉桿可以長達幾十米，紐科門蒸汽機可以安裝在礦井頂部，負責吸水的活塞則可深入井底，解決了薩弗里蒸汽機安裝高度的難題。為提高效率，紐科門還對蒸汽抽水機做了一系列改進。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，進而產生強力真空效果。

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。這個煤礦經過200多年的開采，已經深達50多米。當天，蒸汽機活塞每運動一次就能抽出10加侖的水。不久之后，《倫敦公報》報道了這臺機器：“它能夠將任何低處的水抽到高處，并且比迄今為止所使用的各種抽水方法都要更為經濟和便捷，為礦山和公司成功解決了排水問題。”

紐科門的蒸汽機獲得了市場認可。短短3年間，英國各地使用了100多臺紐科門蒸汽機承擔抽水任務，使得這位五金商賺得盆滿缽滿。美國科技史學者威廉·羅森，在著作《世界上最強大的思想——蒸汽機、產業(yè)革命和創(chuàng)新的故事》中評價紐科門是“開啟了蒸汽機革命的大門”。

第一部專利保護法

表面上看，17、18世紀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，是因為看到了采礦業(yè)的需求。但當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術角度來說，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抽水的裝置。為何只有英國人發(fā)明出具有實用價值的蒸汽機？

原因在于，世界上第一部現代意義的專利保護法，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世紀開始，英國以專利特許證（Letters Patent）的形式，將某種獨占經營權授予工匠、商人，獎勵在技術上有創(chuàng)新或者為英國帶來利益的人。授予專利的權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，這意味著此前生產銷售撲克牌的廠商都不得繼續(xù)經營。

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生意的獨占權，除非這個人能證明他更擅長經營這個領域。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，對壟斷和專利權進行了規(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)英國專利申請數量的井噴，直到哲學家洛克在1690年讓英國人有了“知識產權”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權。同時，法學家們的努力讓英國人對財產權有了與以往不同的理解。此前，人們知道可以從黃金、土地等有形財產中獲取收益，而現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。該項專利也讓后續(xù)發(fā)明者紐科門連續(xù)數年必須將其收益的四分之三給予薩弗里。這一情形在當時的大多數國家都是不可想象的。

“為全世界生產蒸汽機”

紐科門蒸汽機遠非完美，一個缺陷，蒸汽機抽水時需要消耗大量煤炭，只能被用于煤礦附近。政府對專利的嚴格保護，激勵著人們希望通過改進蒸汽機，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小二十多歲。1753年，瓦特被送到英國第三大城市格拉斯哥學習精密儀器制造。學成后，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”的管風琴。但瓦特當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修理一臺紐科門蒸汽機模型，這臺蒸汽機模型運轉時需要耗費巨量蒸汽，效率極低。經過反復測量，他發(fā)現了問題所在：蒸汽進入汽缸后，需要降溫才能凝結成水，但汽缸也會隨之冷卻，下一輪抽水過程中，新進入的水蒸氣遇到溫度較低的汽缸壁，會立即凝結成水，不能充滿汽缸。換句話說，紐科門蒸汽機存在一個不可調和的矛盾：為確保蒸汽機的冷凝效果，產生最大程度的真空，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推動活塞做工，在另一個汽缸內冷卻，兩個汽缸相互連接。這樣，蒸汽進入早已被冷水冷卻的新腔室時，會立刻凝結成水，產生真空，帶動另一個腔室上的活塞向下運動，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。這個發(fā)明被命名為“分離式冷凝管”，讓瓦特蒸汽機的工作效率比紐科門蒸汽機的效率提高了兩倍。1769年1月，瓦特在倫敦取得蒸汽機的專利，編號為“913”，名稱是“能夠減少蒸汽機的蒸汽和燃料消耗的方法?！?br/>

第一臺由瓦特制造的蒸汽機，于1775年在伯明翰附近的布魯姆斯爾德煤礦安裝成功?！恫骱矆蟆樊敃r報道稱：“眾多從事科學研究工作的紳士，受到好奇心驅使，爭相去觀看如此奇特、如此有力量的機器的首次運行盛況。機器的卓越表現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，也不愿去結算賬目或討價還價做交易。”讓蒸汽機聲名遠揚的，則是比瓦特大8歲的英國伯明翰制造商馬修·博爾頓。看到了瓦特蒸汽機的潛力，博爾頓在1774年左右購買了瓦特專利的所有權，二人隨后聯合成立“博爾頓&瓦特制造廠”。

博爾頓的目標是將蒸汽機引入各個產業(yè)，他放出豪言：“為全世界生產蒸汽機?！?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)開始由蒸汽機帶動。

專利保護制度的不斷健全，讓瓦特之后的工程師在拓展蒸汽機用途的道路上繼續(xù)前進。1814年，英國工程師史蒂芬森集成了前任數十種專利技術，成功設計出第一臺實用的蒸汽機車，他修筑的第一條鐵路于1825年舉行了通車典禮，標志著鐵路時代的到來。至此，蒸汽機成為了采礦、交通、紡織等幾乎所有重要產業(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儀器，作為即將訪問中華帝國的馬戛爾尼使團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模型。由于擔心被侵權，瓦特對此非常謹慎，猶豫很久才同意把蒸汽機模型賣給訪華使團。他明顯想多了，這些模型機最終沒有展示給乾隆皇帝。當時世界上最偉大的技術發(fā)明，就這樣與中國人擦肩而過，如同南懷仁試驗的蒸汽動力模型車一樣，這臺蒸汽機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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