Friday, November 15, 2013
動力:君子以自強不息(一)
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?
* * * * *
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)
Subscribe to:
Post Comments (Atom)
No comments:
Post a Comment