第六章 欧洲崛起 现代转型与外部冲击（13）

我们先介绍一下蒸汽机的基本原理：就是往一个带活塞的容器里边注入蒸汽，推动活塞往外运动，然后再让蒸汽冷却下来；蒸汽遇冷就凝结成水，器皿里边就会出现真空，压力急剧下降，器皿外部的大气压力就会把活塞再压回来；然后再注入蒸汽，再冷却……这样循环，活塞就会不停地前后运动；在活塞上连根杆，就可以输出动力，推动或者拉动别的机器运动了。

蒸汽机的发明有三大关键：第一，要理解真空和大气压力的关系，这是物理学和数学要解决的问题；第二，要能做出来可以反复推动的活塞装置，摩擦力要小但又不能漏气，这是材料学要解决的问题；第三，要做成一个可以长期反复使用的机械，这是机械工程学要解决的问题。

威尼斯人把十字军东征带回来的阿拉伯书籍翻译到欧洲，逐渐对欧洲的科学和宗教产生影响。但是，这种影响的速度相当慢，主要原因是缺乏高效的传播媒介。欧洲最早的造纸厂出现在西班牙，是阿拉伯人搞的，十字军收复西班牙以后，造纸术就开始在欧洲传开了。但在很长一段时间内，欧洲没有印刷术，书籍传播只能依靠手抄。由于传抄成本高昂，只有教会和王室高级人员才能接触到书籍。阿拉伯典籍首先影响的是宗教和王权，在科技方面的影响还很小。

一直到15世纪中叶，1450年前后，德国人谷登堡受到中国印刷术的启发，发明了适合字母文字的铅活字印刷术。谷登堡的妻子来自威尼斯的孔塔里尼家族，这是记录在威尼斯共和国“黄金簿”上的高级贵族。通过这层关系，谷登堡了解到了东方的印刷术，并在此基础上进行了改进。

造纸术和活字印刷术结合，又经过近百年的发展，阿拉伯典籍才开始大规模影响欧洲的科学发展。1564年，伽利略出生于意大利一个破落贵族家庭，1575年随全家迁居佛罗伦萨，进入修道院学习。1581年，他进入比萨大学学习。

比萨拥有优良的海港，也是意大利历史上四大海权共和国之一，与威尼斯、热那亚并列。第一次十字军东征的时候比萨曾经派出120艘船舰组成的舰队参与，也顺便在沿途建了一些殖民地。但衰落比较早，13世纪的时候就被热那亚给打垮了。15世纪的时候，依靠纺织业发展起来的意大利中部城邦佛罗伦萨从陆地上征服了比萨，利用比萨的海港和海军建立了新的海权殖民体系，佛罗伦萨也就成了意大利历史上第四个海权共和国。比萨的科学与理性氛围浓厚，比萨大学收藏的阿拉伯典籍也很多。

在比萨大学读书的这段时间，伽利略接触到了古希腊科学文献，然后就疯狂地沉迷其中不可自拔，最终成为名垂千古的大科学家，在物理学、数学、天文学方面都做出了巨大贡献。他有很多发明，包括望远镜、温度计等等。他最有名的理论著作是《关于两门新科学的对话与数学证明对话集》。这里边的“两门新科学”指的是材料学和动力学，它们都来自欧洲战争需求与古希腊理论的结合——材料学的发展受到了炮筒铸造和火药制造的需求驱动，动力学则是因为研究炮弹飞行轨迹而诞生。伽利略在书的序言中专门感谢了佛罗伦萨兵工厂对他研究的支持——他长期担任这家兵工厂的科技顾问。而这两门科学正是蒸汽机发明最重要的科学基础。

伽利略有个学生叫卡斯特利，毕业以后去了罗马大学。1627年，卡斯特利招了一个学生兼助手叫托里拆利。托里拆利在卡斯特利的指导下，深入学习伽利略的《关于两门新科学的对话与数学证明对话集》，认真研究了炮弹发射以及它们如何在空中飞行的数学和动力学原理，并写出了《论重物的运动》一书。

在一次拜访伽利略的时候，卡斯特利把这本书给伽利略看了。伽利略大为赞赏，把托里拆利招来给自己当学生和助手。托里拆利刚到比萨不久，伽利略就卧床不起。托里拆利负责记录伽利略的口述笔记并加以整理。三个月后伽利略去世，托里拆利实际上成了伽利略的关门弟子。

伽利略提出过空气也有重量、真空可以存在的理论，但是没有进一步证实。托里拆利在伽利略研究的基础上，进行了大量的实验。1643年，他用玻璃管加水银柱的方式实现了真空，验证了空气有重量的事实，而且提出大气压力大约相当于76厘米水银柱的压强。托里拆利的水银试管真空实验，是现在所有中学物理课本都会介绍的几个经典实验之一。

受托里拆利理论的影响，1650年，德国的工程师盖利克制成了活塞真空泵。

1662年，法国有个科学家利用盖利克的活塞来检验空气的“弹性”，也就是看空气能不能膨胀或被压缩。实验结果显示空气没有弹性，最后他写成论文发表了。英格兰皇家学会的主席罗伯特·胡克看到了这篇论文，并在学会的一次会议上作了介绍。胡克是最早提出万有引力理论的科学家，牛顿的“万有引力”理论就是在胡克的启发下提出的。不过后来牛顿拒绝承认，跟胡克成了死敌。

会上，一个叫波义耳的学会会员当即提出异议，认为这个实验有问题，活塞的摩擦力太大了，只需要把活塞做得更滑一些，实验结果可能就会不一样。波义耳在1641年去过意大利访学，曾经研究过伽利略的科学理论和实验，在这方面颇有心得。他只用了两周时间，就做出了一个改进版的活塞装置，并在学会上公开演示，证明了空气有弹性。随后，他又准确地算出受到挤压时空气体积的变化与压强变化的关系。他把这个关系写成了数学公式，这就是科学史上著名的“波义耳定律”。

此时，法国著名物理学家和数学家克里斯丁·惠更斯正在英国游学，还成了英国皇家学会的会员。他参加了波义耳展示其新活塞装置的讨论会，亲眼看见了这次科学史上著名的实验过程，并对此印象深刻。回到法国以后，他也开始研究空气活塞和真空泵的有关理论。

克里斯丁·惠更斯出身于法国贵族，家里世代从事外交工作，其祖父给法国国王当过外交助理。但他却对外交不感兴趣，转而投身科学。他有个学生兼助理，叫丹尼斯·巴本。前面那些科学家的研究在丹尼斯·巴本这里终于开花结果。1679—1695年，巴本基于惠更斯、波义耳等人的研究，发表了几篇论文或研究通讯，提出了蒸汽机的运行原理，并造出了实验室模型机。

丹尼斯·巴本跟前面提到的所有科学家一样，是个纯粹的学者。他没有任何非研究类工作经历，一辈子在法国、英国、威尼斯、德意志的大学研究机构之间换来换去，担任研究岗位或者教职。

有了巴本的理论指导，工程技术人员才开始进入蒸汽机的研制领域。两位英国工程师——托马斯·塞维利和托马斯·纽科门分别在1698年和1712年，根据巴本的蒸汽机理论和模型，各自独立地制造出来了早期的工业蒸汽机。这种蒸汽机将蒸汽转化成动能的效率很低，只有在煤矿附近这种能源价格极其便宜的地方才能使用，主要用来给矿井排水。

纽科门的蒸汽机比塞维利的更先进，在架构上也更接近于巴本的实验室模型机，它是瓦特蒸汽机的直接原型。

纽科门蒸汽机的主要缺点是：蒸汽多次冷凝之后，气缸壁上会沾上很多水，此时再把蒸汽注入气缸，蒸汽在注入过程中就会被快速冷凝，这会损失很多热量。