今日世界可說是工業革命的成果，而提到工業革命，第一個聯想到的就是英國的蒸氣機。坦白講，工業革命幾乎是英國的創舉，尤其蒸氣機的發明可說是劃時代的貢獻。這並不是說英國以外沒有人參與科技；文藝復興以來，意大利、法國、瑞典都曾出現利用水蒸汽的發明，甚至遠古的希臘與中國也有。唯獨這些‘貢獻’不大，就算把整個法國、整個意大利的工業發展全部抹殺，對工業革命也沒影響；把英國的發展剔除，世界就退化到十八世紀前的科技程度。
然而蒸氣機的發明又代表了什麼？用最基礎的解釋，是把火的能量轉換為動力；但是僅有這一點，還不足以稱之為工業革命。文明史上人類所仰賴的動力，最早是人力，再來才有畜力、水力、風力，而接下來進化到火力、電力。倘若只是火力取代以前的水力風力，何必稀奇？就像用牛拉的磨坊與用水車、風車轉動的磨坊，有什麼兩樣？
差別在於工作效率。以日用飲食為例，一個四世紀君士坦丁堡的市民，大約要工作三小時才能買一磅粗糙麵包；到了十八世紀英國，一個工人還是工作兩小時才能買相同的麵包。但是到1900年之前，產業突然改變了，要買一磅麵包只需工作15分鐘；到2000年，麵包價格甚至平均只值不到5分鐘的工作。今天中產階級再怎麼窮，享受得都比兩百年前的國王要多，主要還是起於工業革命的生產進步。話說回來，天下有誰不想事半功倍？為什麼這階段的突破只發生在英國？假若古今中外，人類發明創新的能力都不相上下，為什麼工業革命不是發生在希臘雅典、埃及亞歷山大、阿拉伯巴格達、意大利威尼斯或佛羅倫斯，甚至中國的唐宋盛世？
顯然，奇蹟發生之前仍得有契機。1689年英國的洛克倡導人民擁有生命、自由、財產的權利，而政府也應當保障這些權利。但究竟財產是什麼？洛克大膽地提出‘智慧財產’的觀念，將傳統的物質財產昇華，人甚至可以用頭腦賺錢。英國的法律中加入這一項，無形中是在鼓勵人民從事研發；這個小小的改變在十八世紀初還未見差別，到了十八世紀中葉，英國人卻為申請專利而努力不懈，突破前人發明。以往智慧財產沒有保障，‘傳子不傳徒’在中世紀是理所當然的現象，入贅繼承亦不罕見，而學到本事後，人也容易墨守成規，不思進取；現在一旦有人因專利致富，其餘聰明人當然想如法炮製。其實真正能從專利中賺取大筆佣金的不多，但是一般生活都算小康；偶爾也有人為了一件發明而告了七八家廠商，索取不菲的賠償金額，因此讓商家更想聘請年輕工匠，自己擁有突破性的設計，不必付錢使用別人專利。
不過英國最先出現專利，別的國家也能依樣畫葫蘆。只是歐洲大陸用法典，要重新立法很慢，立法後實施更慢；英國的習慣法卻能通容新的法律觀念，甚至陪審團會偏袒專利設計的人，所以整個社會很快就能接受新法案。再加上專利要有國家保護，一個地域不大的荷蘭就管不到比利時或丹麥商家擅用自己的專利；不鼓勵科技的西班牙，和只追求文藝的意大利，根本沒專利可言；而政變頻繁的法國、戰火蔓延的普魯士、俄國，更無暇捍衛人民的智慧財產；之前提過，中國的科技發展是中央指揮，發明再輝煌也很少推廣到民間。所以到最後，工業革命會誕生於與歐陸隔離，法律開明、政治穩定、海軍強大的英國，其實並非偶然。法國大革命後建立人民政府，那年巴黎只有四個專利申請，還是政府裡的人濫竽充數；相對英國同一年就有五百多專利（不包括申請被退的送件），未來的成就自然天差地遠。
儘管如此，法律改變比起技術改變，又顯得微不足道了。畢竟沒有發明，哪來專利？
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萬丈高樓平地起，英雄不怕出身低。蒸氣機最初問世，是在大不列顛西南山地的礦坑裡。從古羅馬佔領倫敦以來，這地方就出產錫礦銅礦；然而到了十八世紀，容易開採的早就挖光了，所以當時礦業主要以煤碳為本。人類有很長時間靠伐木生火，不過一棵樹成長花十年，砍來燒卻只夠半天取暖，實在很不划算；尤其英國許多地方土壤貧瘠，連森林都沒有，加上商業起飛後人口暴增，總不能無止盡地從中歐購買木材吧？因此一旦煤碳問世，雖然有的含硫成份較高，燃燒後滿屋焦臭，可是下層社會的人付不起昂貴的松木、炭條，這些小小的煤球就是冬季最溫暖的朋友。
只是那時煤礦最深只能挖到十米，再深就有地下水的問題。這對經營礦坑的人是很大的局限，對於倫敦的地主更是賺錢的瓶頸，因為他們通常可收採礦獲利的一到二成，豈可不盡量想辦法克服礦坑積水？第一個設法改善問題的人是Thomas Savery，他之前是陸軍的工程部隊，在1699年開始使用蒸氣做抽水用途。其實每個看見茶壺水沸的現象，大概都猜得到蒸氣在推壺蓋，但是以往在中國、中東、希臘羅馬，這現象只被應用於玩具性的儀器上，沒有人異想天開地要真的用蒸氣來解決實際問題，反正現實世界已經有足夠的方法解決這些問題，何必事倍功半？礦坑卻距離一般城市遠，附近也未必有畜力、風力、水力可應用，連挖出來的礦石都常用人力拉車運出礦坑；他們唯一有的，就是這些現成的煤碳，因此想出來的解決辦法也與眾不同。
但是這個構想要實現，還要有技術人才。1712年紐科門(Thomas Newcomen)設計出比較像樣的蒸氣機，把蒸氣熱脹冷縮轉換為一推一拉的活塞推動。紐科門本人是工匠，又兼浸信會牧師；以他的才能，要任職牛津劍橋應該綽綽有餘，但他既不是英國國教派，在學術界一直被排擠，因此在遠離倫敦的學院任職。或許這也是巧合；倘若他真的在牛津劍橋任教，那時兩間名校已經朝純理論發展，他反而要懷才不遇；然而正因為他在離礦區不遠的地方，才會去研究如何讓抽水更有效。紐科門還有個特長，一般鐵匠所做的，他無一不會，甚至比別人做的還精密。他所設計的蒸氣機需要兩塊Y字形鐵片，在沒有機械生產的時代，這些全要手工打造；然而兩塊要大小相等，Y字形的兩側還要受力平均，表示打鐵時加熱要均勻，用錘時手的方向幾乎固定不變。做這等細工簡直是考驗‘鐵杵磨針’的耐力，要不是他本人親手製造，實驗改良，再優良的理論發明也做不出像樣的蒸氣機。
這就是工程與科學最大的不同。科學哲學追求的是真理，所以特別在乎什麼是錯誤；工程追求的卻是效率，所以注重的不是實際理論，反而是真正測量的結果。十八世紀工業革命的過程中其實還有許多無名小卒，他們可能是改進輪軸的槓桿運用，可能是尋找不同的材料讓熱傳導更好，可能是打造更適當的機器，可能是設法控制火候蒸氣，縱算歷史不記得他們姓名，沒有他們就沒有工業革命。但這並不代表工程師不需要讀科學，而是動手比較重要；真正開始解決問題，反而會碰到更深層的問題。紐科門的蒸氣機是能達到更好的抽水效果，可是再怎樣改進，還是只能抽水到二十五米。當代意大利物理學家才剛用水銀柱證明大氣壓力，要抽出礦坑裡的水，一樣也受限於相當於氣壓的水柱高度；除非能製造更強有力的蒸氣機，否則仍然無法繼續往下挖。
而下一個接棒者，就是瓦特(James Watt)。瓦特生在蘇格蘭，從小幫忙父親做器械修理，將近十七歲才到倫敦當鐘錶五金商行當學徒；對那時代而言，學徒要從十三歲開始打雜，十七歲已經年齡太大，不值得教了，瓦特卻抱著過人的毅力，一年內學盡別人七年所學的，回到蘇格蘭後繼續從事當地學院的儀器修理，剛好看到紐科門的蒸氣機原理。蒸氣熱時會膨脹推動活塞，冷時卻是要製造‘真空’的效果把活塞吸回來。紐科門為了讓蒸氣迅速冷卻，機器要從另一個管口加一點水，而這一點水卻會逐漸留在機器中，變成蒸氣的一部分，散之不去，因此機器啟動後要留縫讓蒸氣揮發，否則效率會隨蒸氣增加而越來越差。問題是，揮發的蒸氣等於是浪費熱能，而既要留縫，冷卻時就很難達到真空，好比嘴無法密合就很難用吸管。瓦特的想法是：能不能盡量不加水，直接讓蒸氣冷卻？
說來也很簡單，就是把熱蒸氣通到另一容器，以容器外的冷水讓它急速冷卻。不過這個簡單的道理卻讓許多人半生絞盡腦汁，淺顯的答案未必容易獲得靈感。
有了發明，邁向成功的路還很長呢。雖然新發明問世，相對的問題也會產生：紐科門蒸氣機的活塞，就算會漏氣也沒關係；但瓦特的設計既要密閉式的蒸氣管，活塞太鬆會漏氣，太緊又會摩擦力過大，結果為了這關鍵瓦特還花了三年時實驗不同的材料。1765年好不容易達到他理想的標準，偏偏英國適逢南洋泡沫，一下子新發明全部乏人問津。當時在蘇格蘭贊助他的製造商鼓勵瓦特趕快申請專利，完美主義者的瓦特卻覺得要繼續改進才有資格申請，尤其製造上還太昂貴，不符合商業利益。這也是事實，儘管他在1769年正式獲得專利，業界卻覺得紐科門蒸氣機就很夠了，你這新發明有什麼優勢？接下來幾年，他們投資在蒸氣機上的財產全部血本無歸，最後還因為蘇格蘭一家銀行倒閉，連帶贊助他的商人都因被索債而宣告破產。這是工程最常碰到的不幸：你有發明，投資者有眼光，可是市場需要的既不是發明也不是眼光，而是能讓夢想成真的實務家。千里馬需要伯樂，但並非每個有資金贊助的人都可稱伯樂。
1774年，瓦特的發明似乎已經走投無路。由於之前贊助商的誇大推銷，蘇格蘭許多資本家間接擁有蒸氣機股權；然而他們只看重新發明的賺錢可能性，一旦沒機會發財，很快也放棄了對瓦特蒸氣機的希望。唯有伯明翰(Birmingham)的五金商人博爾頓(Matthew Boulton)獨力接手所有債務與法律權益。博爾頓說服瓦特搬到伯明翰為他效力，次年兩人才真正合作。博爾頓也算半個發明家，不過他的能力不是在改進，而是在應用；他的著眼點並不是用蒸氣機抽水，而是用在煉鋼方面，以活塞推動代替腳踩風箱。瓦特到了伯明翰，才有機會對自己的蒸氣機做不同的改良，甚至把蒸氣管熱脹與冷縮的兩部分都轉化為動力，讓蒸氣推動輪軸。這個改進算是‘觸類旁通’，雖然比不上他之前的靈感難得，卻在工業上更有應用價值。
博爾頓還替瓦特處理不少工程外的問題，因為瓦特之前申請的專利，到1783年已經快失效了，博爾頓卻打通政府關係，讓專利多延十五年；這對瓦特其實很重要，因為自從原本贊助商破產後，就有其他廠商竊取瓦特蒸氣機的設計；做工程的人可能無暇分心俗務，但假若別人模仿後，又申請不同的專利，以後反咬你一口怎麼辦？所以假若瓦特沒有遇到博爾頓，他的人生恐怕到此為止；假若沒有商人的幫助，再好的發明也會胎死腹中；或者說，假若沒有這第二輪的機會繼續改良蒸氣機，他的設計還不足以被推廣，畢竟一種設計價格過高，還沒有證明效率之前，有誰想買？
那麼，效率要怎麼證明？瓦特運用了最淺顯的單位：馬力。與其計算機器一分鐘可以拉幾萬磅的重物一英尺遠，還不如換算一匹馬工作量的幾倍，普通人也容易懂。有了這計量單位，突然整個工業界對瓦特的蒸氣機有興趣了；瓦特蒸氣機工作量已經讓紐科門抽水機相形見拙，其他同時代也有人創造新蒸氣機，卻沒有瓦特的效果好（到他逝世前，一台蒸氣機已達18馬力）。加上博爾頓用專利‘壟斷’市場，不到幾年內，礦坑都開始改用瓦特蒸氣機，公司不斷接到新訂單。當然，他們是根據機器馬力標價，零件有損壞時另外派人送修；不久他們卻發現，負責製造零件的廠商，竟私下與他們競爭市場，偷賣蒸氣機組件給礦坑，甚至青出於藍，設計更容易裝配的機器。博爾頓一方面告廠商，一方面也標榜自己提供最適合顧客需要的蒸氣機；然而這些手段都是其次，真正需要的，是自己公司繼續讓產品更好。工業革命的奮鬥，是出於市場貨比三家，因而大家戰戰兢兢地提高自己的生產水準。儘管英國是向陽花木，佔了許多方便開發工業的條件，可是到最後，締造工業革命的不是自然環境，也不是政治環境，更不是中產階級的市場需求，而是幾千幾百業者，接二連三地發展創新，大家困知勉行，力求上進。
天再怎麼眷顧，也需要人類不斷自強。
而博爾頓-瓦特公司，這時已經準備下一步，開始將蒸氣機應用到其他產業上。。。
（待續）
