第六章 欧洲崛起 现代转型与外部冲击（14）

1764年，瓦特在苏格兰首府格拉斯哥大学担任“数学仪器制造师”，负责给学校维修各种实验器材之类的机械。当时格拉斯哥大学就有一台纽科门蒸汽机，但是坏掉了。大学原本决定把它运到伦敦去修理，瓦特知道以后，就决定自己先动手试试看能不能修好。在修理过程中，他发现了纽科门蒸汽机的效率损失问题。

瓦特出身于造船世家。受大航海活动的影响，造船业是过去几百年英国最发达的行业。他的父亲在苏格兰港口小镇格林诺克有一家自己的造船作坊，但生意不佳。瓦特自小学了一身造船的手艺，长大后去伦敦一家仪器修理厂当学徒。学成以后，他想回到苏格兰自己开一家修理店。但当时苏格兰的封建行会势力还很强大，开店必须经过修理业行会批准。瓦特的申请被拒绝了，这让他生活陷入困境。

1757年，格拉斯哥大学给了瓦特一个机会，让他在大学校园里边开一个维修车间，并给了他一个“数学仪器制造师”的头衔，帮学校维修各种器械。这就不算是自己开店，也不违反行会规矩。

在格拉斯哥大学里，瓦特结识了物理学家、化学家约瑟夫·布莱克。布莱克在物理学上的主要贡献是区分了热量和温度这两个不同的概念，他由此提出了“比热容”的理论，并创立了测定热量的方法“量热术”。“比热容”这个概念也是今天中学物理学习必须掌握的内容。

用约瑟夫·布莱克的理论，可以计算出水变成蒸汽和蒸汽冷凝之间需要消耗和释放的热量。这个理论对瓦特改良蒸汽机有很大启发。也可能正是因为布莱克对蒸汽热量的研究，让瓦特对修理纽科门蒸汽机产生了兴趣。

瓦特把气缸和冷凝器分离，在气缸外边加上夹层，里面注入蒸汽给气缸加热，保证气缸温度比较高，气缸壁不会过多积水。后来，又设计了抽气泵，把气缸中冷凝后留下的水快速抽走。通过这一系列改进，蒸汽机的效率大大提高了。

但是，随着蒸汽机机械效率的提高，人们对材料的要求也更高了。活塞运动速度加快以后，更好的活塞材料和更好的气缸壁加工变成了技术瓶颈。

几经周折，瓦特最终找到了伯明翰的一家铸造厂，老板马修·博尔顿愿意与他合作。博尔顿的家里世代都是工匠，他因为娶了一个有巨额财产继承权的老婆而大发横财，然后积极投资实业，收购了几家冶金工厂。博尔顿认为蒸汽机前途无量，就出资和瓦特合伙成立公司，他一方面给瓦特投资继续改进蒸汽机，一方面也帮忙解决了活塞和气缸的冶金材料铸造问题。

这样，蒸汽机的最后一个技术难题就剩下金属加工了。要把气缸内壁和活塞外壁切削加工得足够光滑，形状也完全一样，刚好能够严丝合缝地组合在一起而不漏气，还能在蒸汽和大气的压力下不断来回滑动，向外输出巨大的动力，加工难度非常高，传统工艺无法满足需求。

瓦特对此束手无策，只能干着急。

1775年，这个技术终于出现了。它来源于军事工业。

海战需要的火炮对精度要求很高。基于欧几里得几何学发展起来的弹道学、空气动力学等知识有力地促进了英国海军火炮技术的进步。除此以外，金属加工也是制造火炮的必备技术。炮弹和炮膛的关系就跟活塞与气缸的关系一样——尽可能地不漏气而又足够光滑。海军一直在努力改进炮膛加工工艺。英国海军的一位舰长约翰·威尔金森多年来一直钻研此道。他出身于金属工匠世家，从海军退役后回家接父亲的班，管理钢铁厂。这家钢铁厂一直在为海军服务。经过多年不懈的努力，威尔金森终于在1775年造出了一台可以用前所未有的精度来加工炮膛的机器——空心圆筒镗床。

镗床的最早设想来自文艺复兴，是意大利艺术家兼科学家达·芬奇最先构思出来的。后来在军事领域广泛运用，主要由水力驱动，用来加工炮膛。威尔金森镗床也是在军用镗床基础上进行的改良。

威尔金森和瓦特在知道彼此的发明之后都很高兴，因为镗床需要蒸汽机驱动，而蒸汽机需要镗床加工。双方密切配合，1776年，威尔金森做了一台再次改良的镗床，用来给瓦特加工活塞和气缸。威尔金森是铸铁专家，在材料方面也对瓦特有所帮助。1806年威尔金森去世前，特意为自己设计铸造了一口铁棺材，以凸显自己在铸铁和金属加工方面所做的杰出贡献。

把蒸汽机造出来以后，瓦特和博尔顿意识到，如果改良的蒸汽机要用于除了矿井抽水的其他领域，就必须将活塞的前后运动转变成为圆周运动，用来驱动齿轮。当时已经有个叫约翰·斯蒂德的人发明了这个技术而且申请了专利。瓦特想要取得斯蒂德的专利授权，但斯蒂德的开价太高，瓦特感到无法接受。

5年之后，1781年，也就是乾隆皇帝处置理学家尹嘉铨的那一年，瓦特和博尔顿公司雇佣的一名工程师设计出绕开斯蒂德专利的新技术，它可以把活塞前后运动变为圆周运动。蒸汽机这才开始大规模地在非矿山行业中推广运用。起初，主要用于金属加工，包括驱动威尔金森发明的镗床来制造更精密的火炮。这些高精度的新型火炮将在英国入侵中国的鸦片战争中大显神威。

1785年，蒸汽机开始运用于纺织业。

手工业的时代结束，工业的时代开始了。