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作者：（美）克雷格·罗奇

出版社：中信出版社

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电的科学史试读：

大家有没有想过，假如你的世界里没有电，会怎么样？没有电，就没有清晨的闹钟声和咖啡机，没有电灯、电暖气和空调，没有高速运转的电机，也没有电脑和手机。

265年前，现代电力科学的发源地——费城，就是这样一个世界。清晨，日出或公鸡打鸣是催人早起的“闹钟”。煮咖啡、做饭用的是简单的柴炉。推动企业发展的是肌肉的力量，或者说是字面意义上的马力。只要计算，就肯定离不开铅笔和纸。没有人可以想象电会给整个世界带来怎样的变化，因为在那个时候，电力是一种异想天开的力量，人类还没有捕获并驯服这种力量。

没有电，城市的夜晚最多只会点缀一些暗弱的光，而且常常潜藏着危险。想象一下，我们正坐在烛光旁边阅读、做针线活儿或者其他必须凑近烛光才能完成的工作。100支蜡烛才能发出与一只100瓦白炽灯泡相当的光。靠近无遮无挡的烛火，意味着衬衫袖子、头发或者窗帘会有着火的危险。但是，危险并不仅限于室内，在室外也可能有摸黑走路、遭遇抢劫甚至后果更严重的危险。唯一值得安慰的是，在没有电灯的夜晚，我们可以欣赏到朗朗夜空的繁星闪烁。

令人惊讶的是，一些大胆的头脑渴望并想象出电这种东西，可谓“见人所未见”。其中，费城的本杰明·富兰克林做出了最重要的贡献。1752年6月的一天，富兰克林在暴风雨中放飞了他的风筝，让世界“看到”了电。很明显，这个实验非常危险，因此人们一直怀疑富兰克林是否真的这样做了。但是，我们没有理由怀疑他做风筝实验的真实性，只不过他做实验时的天气可能并没有那么恶劣。

富兰克林的独特才智无疑是他成功的核心因素，但是他生活的那个时代也是科学技术的一个分水岭，这同样对他的成功起到了不可或缺的作用。当时，科学革命已经改变了人类对宇宙的认识，紧随其后的工业革命又将改变世界经济。牛顿等人已经开始借助精确的数学来解释宇宙力学中的万有引力。最终，富兰克林等人也会用这种方法对电、磁和光进行研究。

与此同时，当时的人普遍采用一些在今天看来十分原始，甚至有点儿残忍的科学和医学方法。举个例子，他们用放血术治疗发烧和感染。乔治·华盛顿和其他许多人可能都死于类似的“治疗法”，而不是在生命晚期染上了某种致命疾病。科学和技术的巨大转变，有时会在生活的许多方面带来不均衡的进展。

本杰明·富兰克林和他的风筝实验代表人类只迈出了一段迷人旅程的第一步。在那之前，没有几个人想象过有电的生活。而在走完这段旅程之后，大多数人已经无法想象没有电的生活了。在时代的需求和社会风俗的推动（很多时候是阻挠）下，许多著名人物（和一些声名狼藉的人）的大胆行动为这段旅程提供了动力。

这些创新者建造的电力基础设施功能强大，即使到了现在，发达国家的每一个居民也离不开它们。本杰明·富兰克林、迈克尔·法拉第、詹姆斯·克拉克·麦克斯韦、尼古拉·特斯拉和阿尔伯特·爱因斯坦等人取得的引人注目的科学进步，为这些基础设施铺下了第一块基石。事实上，爱因斯坦认为电的发现不仅是通向现代物理学道路上的一站，而且其本身就是一条道路。人类对电的理解带来了物理学领域的许多重大突破。

第二块基石是在这一伟大科学的基础上取得的技术进步。人类历尽艰辛，终于在电与磁之间建立了联系，塞缪尔·摩尔斯（Samuel Morse）发明的电报是电磁学的第一个成果。电报的产生是为了交流，这一点很重要。电力业务和电信业务都是同一科学的产物，但是后者在现代技术进步中的发展速度远远超过前者。

电力技术巨头间的第一次战争主要是托马斯·爱迪生与乔治·威斯汀豪斯（George Westinghouse）之间的对垒，尼古拉·特斯拉站在威斯汀豪斯的一边。这也是第一次电流之争。最后，威斯汀豪斯的交流电系统击败了爱迪生的直流电系统。交流电为规模经济的诞生创造了条件，因为发电厂可以与远距离的用户连接在一起。有意思的是，现在很少有人完全清楚威斯汀豪斯和特斯拉所起到的关键作用。

第三块基石是在全美范围内推广电力服务的业务实践活动。为这项活动设立标准的创新型商业巨头塞缪尔·英萨尔（Samuel Insull）充分理解和信任规模经济，他的目标是将发电厂和输电线路的固定成本分摊到越来越多的用户头上，从而降低电价水平。最终，电变成了所有人都用得着而且负担得起的商品。通过这个办法，英萨尔完成了电力的第一次亲民化。

然而，对“大规模”的追求也导致英萨尔陷入困境，这也是时至今日仍然有人认为他臭名昭著的原因。1932年，美国一共有三家控股公司（英萨尔拥有其中一家），它们控制了全美几乎1/2的发电量。当英萨尔的控股公司在大萧条时期陷入困境时，当时的美国总统富兰克林·罗斯福出面指责英萨尔是导致经济危机越发严重的罪魁祸首。

与第三块基石密切相关的第四块基石是政府监管。20世纪初，英萨尔实际上已经邀请美国各州对公用事业实施监管。利用这种监管制度，英萨尔得到了若干专属服务领域（为建立规模经济创造条件的公用事业垄断权），作为交换，各州有权对电力服务实行基于成本的收费方式。然而，联邦监管在大萧条时期出现了。富兰克林·罗斯福就任美国总统后，通过采取一些积极的措施，解散了大型控股公司。这是有史以来美国政府在非战时期采取的规模最大的干预行动之一，导致各州和联邦政府的管辖权发生了冲突，而且这种矛盾直至今天也没有得到任何缓解。

环境监管是政府监管这块基石的一个组成部分，而且是越来越重要的组成部分。宾夕法尼亚州发生的多诺拉烟雾事件起到了重要的推动作用。很多人认为，蕾切尔·卡森于1962年出版的《寂静的春天》是开启现代环境保护运动的一部里程碑式的作品。书中不仅有卡森收集的有关杀虫剂巨大危害的那些令人信服的文件，还反映出卡森的勇气。尽管卡森在访谈与写作中从未直接提及电力行业，但她却对这个行业产生了重大影响。从美国前副总统阿尔·戈尔于2006年拍摄的纪录片《不可忽视的真相》，到美国前总统巴拉克·奥巴马于2015年提出的“清洁能源计划”，这些努力都旨在解决全球气候变暖问题。在这些背后，都可以看到卡森的榜样作用。

今天，科学知识和文化价值的根本性变化催生了一个问题：是否有必要建立全新的电力基础设施？环境问题（尤其是全球气候变化）在电力行业发挥的驱动和主导作用是第一个变化。由于暴风雨和网络战争更加频繁，人们越来越关心门阶（而不是电网）处的电力服务可靠性，这是第二个变化。就像优步（Uber）的崛起体现了人们对运输方式的选择权需求一样，人们在电力供应方面同样有选择权需求，这是第三个变化。这些根本性变化为第二次电流之争埋下伏笔。这一次，对战的双方是完善的电网与行业新领袖（如埃隆·马斯克）提出的“个人能源”，后者经常采用小规模的可再生技术。这些变化还为第二次亲民化创造了条件，个人消费者可以用他们的钱包，为更好的环境保护、更高的门阶服务可靠性和更多的选择权“投出赞成票”。

以上是对电力行业雄心勃勃的发展历程进行的简单回顾，从中可以看出，真正了解过去和准确预测未来的唯一方法就是使用广角镜头——我们必须认真思考265年的电力历史。例如，如果我们的研究从爱迪生开始，就会错过第一块基石（富兰克林、法拉第和麦克斯韦的伟大科学成果）。同样，我们必须调查清楚推动电力工业发展的所有因素。只有对涵盖科学、军事战略和地缘政治（尤其是冷战的地缘政治）的广泛领域进行评估，才能解释核能崛起的原因。只有对汽车行业的战略机遇进行评估，并深入了解汽车文化，才能预见电动汽车的未来。只有透过广阔的视野，我们才能看清美国总统唐纳德·特朗普的看似挑衅性的内阁任命是否为气候问题的建设性妥协打下了基础。

电是整个现代生活的核心，然而，这个革命性力量的完整发展历程仍然没有公之于众。至少目前还没有。第一部分富兰克林时代一个令人敬畏的发明时代第1章富兰克林的风筝实验

他从苍天处取得闪电，从暴君处取得民权。——杜尔哥（1779）

1680年，一则新闻的标题这样写道：“一对父子连同4匹马在犁地时惨遭杀害。”凶手是谁？答案是雷电。接着，这则新闻详细地描述了受害男孩的情况：“他身上的衣服被撕得破破烂烂，帽子也破成了两三块。”而且，他从脖子到后背部位的皮肤都被烧焦了。因此，当时的人对雷电心存畏惧。1766年，一名牧师在布道时预言，雷电将在审判日那天把上帝的怒火倾泻到地球上，“整个地球将‘啪’的一声从中心位置裂开，然后彻底崩塌”。1746年，另一位牧师在布道时表示，人类成功破解雷电这个惊天秘密的希望十分渺茫，他断定“凭人类的能力不可能完全理解它”。

本杰明·富兰克林不愿意接受雷电之谜无法破解这个说法。有一天，富兰克林在暴风雨中放飞了一只风筝，结果发现雷电不仅传递了上帝的愤怒，还可以被视为一种电学现象。想象一下，富兰克林冒险这样做需要多大的勇气！首先，他需要的是学术上的勇气，因为一旦实验失败，他就会在公众面前陷入尴尬境地，并承担非常严重的后果。其次，他所做的并不是在实验室里进行的有安全保证的实验，而是要用到雷电——当时已知的最神秘、最危险的力量之一。

通过风筝实验，富兰克林让人类见到前所未见的世界，同时开创了一个围绕电学展开探索活动的科学时代——富兰克林时代。通过这一切，富兰克林向世人展示了他敢于面对生命与学术危险的勇气。在他非凡的一生中，这些勇气正是激励他不断前进的动力。

在富兰克林生活的时代，他被公认为世界上最重要的科学家之一，一些人称他为“电学领域的牛顿”。但今天，人们往往会低估他的科学贡献。美国在百元纸钞的正面印上了富兰克林的头像，反面是美国独立纪念馆。这个做法合情合理，但是为什么没有表现出他的实验、他的风筝或者他的避雷针呢？一些人认为，如果富兰克林没有在外交上取得成就，就几乎没有人会关注他在科学上做出的贡献。然而，越来越多的现代历史学家开始反驳这种观点。最近，一些学者提出，富兰克林在科学领域的声誉为他成长为美国独树一帜的外交家创造了机会。电学实验和电学理论使他享誉世界，这种名气为他赢得了与法国富人和权贵共进晚餐的机会。借助这些谈判机会，他促成了美法同盟的建立，使英属北美殖民地拥有了军队、船只和补给，从而在约克镇击败英国人，赢得了独立战争的胜利。电力对世界的最大贡献通常被认为是给人类带来了光明，但是对美国来说，它的最大贡献可能是带来了自由。

富兰克林的人生经历具有深远的意义，它告诉我们，科学和科学家在电的历史中发挥了非常重要的作用。因此，电力从根本上有别于其他广泛应用的能源，例如煤和石油。在富兰克林时代，人们认为科学家的智慧可以解决所有问题，不管是技术、政治问题，还是法律、文化问题。试想一下，如果今天的科学家也是无所不能的，我们在全球气候变化等难题上就不会陷入争论不休的僵局以致无法取得进展。第一桶金

有人说，当机遇与天赋发生碰撞时，就会产生成功的火花。对于富兰克林，更准确的说法是，环境与个人抱负的契合帮助他取得了科学上的杰出成就。1706年生于波士顿的富兰克林是那个时代的产儿。当时，科学革命刚刚落下帷幕，对那些拥有充裕的财富和时间的人来说，科学是娱乐和社交活动的一个重要谈资。而且，英属北美殖民地的经济正在迅猛发展，因此富兰克林很快就积累了大量财富。

他的早年生活不仅塑造了他的性格，还为他取得巨大成功奠定了基础。12岁时，富兰克林成为他哥哥詹姆斯经营的小印刷所的一名学徒，学徒期9年。我们先想一想印刷在那个时代的重要性：印刷匠是一个技术工种，印刷所在人们心目中的地位可能相当于今天的谷歌，通常是收集、更新和向有“访问权限”者传播信息的场所。信息传播的影响力极大，历史学家认为印刷术是新教改革、科学革命等重大文化变革的一个重要工具。作为一名学徒，富兰克林在学习印刷技术的同时完成了大量的阅读，学到了很多知识，这是印刷匠独有的一种教育资源。另一位伟大的科学家——迈克尔·法拉第，在他师傅的印刷所里也享受了同样的教育。在富兰克林的心目中，印刷文字逐渐变成了真理的裁定者。他写道：“印刷匠被灌输的信念是：当人们的意见发生分歧时，双方都应同样拥有向公众陈述理由的机会；当真理和谬误公平竞争时，前者一定能战胜后者。”

17岁时，富兰克林放弃印刷学徒身份，离开了波士顿。最终，他在费城定居下来，并同另外一个做过学徒的人——休·迈瑞迪斯（Hugh Meredith），一起创办了自己的印刷所。在做印刷事业的那段时间里，富兰克林取得了一系列成就，充分显露出他广博的才能、过人的智慧和充沛的精力。其中一项成就是，他发明了一种能节约木柴的壁炉——富兰克林炉。他把这一发明称为“又一个太阳”，因为它可以像太阳那样发出光和热。可是，富兰克林没有为他的发明申请专利，这反映了他无私的品格。在电的历史上，是否申请专利是一个反复出现的话题。

1748年，42岁的富兰克林退出印刷行业。凭借经营印刷业务所积累的财富，富兰克林得以在余生用自己的科学天赋服务世界，用外交天赋服务美国。通过不懈努力取得成功的经历，使富兰克林充满自信。他相信，只要全情投入，不论什么事都能做成。富兰克林取得的多项足以让他在任何时代傲视群雄的成就，充分说明他涉猎广泛，他的渊博学识也足以让他在现实的引领下找到实践与政治活动的有效方法。最终，富兰克林全身心投入到服务全世界，特别是美国的事业之中。

然而，我们也不应该因此将富兰克林视为完人。富兰克林喜欢恶作剧，有一次，他跟他的哥哥詹姆斯开了一个玩笑。詹姆斯创办了一份报纸——《新英格兰报》，一天，詹姆斯在家门口发现了一篇署名为赛勒斯·杜古德（Silence Dogood，字面意思是“沉默的行善者”，简称“杜古德夫人”）的文章。詹姆斯很喜欢这篇文章，便将它刊登在1722年4月2日的《新英格兰报》上。在接下来的6个月里，詹姆斯又收到了15篇这样的文章。詹姆斯并不知道，“杜古德夫人”其实是他弟弟本杰明的笔名。除了爱搞恶作剧，富兰克林在放弃学徒身份后还有藐视法律的行为。他有一个私生子，这个孩子的母亲可能是一名妓女。

失败有时是成功道路上不可缺少的一步，富兰克林的第一次伦敦之旅就是这样。当时的宾夕法尼亚州州长威廉·基思（William Keith）答应为他提供介绍信和信用证明，却言而无信，导致18岁的富兰克林在异乡陷入身无分文、孤立无援的困境。富兰克林不得不当了18个月的印刷匠，一边学习印刷技术，一边了解伦敦这座城市。与富兰克林后来的几次伦敦之旅相比，第一次的旅程被人们提及的次数要少得多，但正是因为这段经历，富兰克林成功地塑造了自信自立的品格。蜚声国际的科学家合适的时机和可靠的计划

历史学家、哈佛大学科学史名誉教授伯纳德·科恩（Bernard Cohen）宣称富兰克林是当时“在世的最著名的科学家之一”，理由是富兰克林提出了“第一个令人满意的电学理论”，并且是“这门新科学的主要创造者”。在那个时代，即使简单的沟通也需要通过书信的方式，而且书信寄送需要几天甚至几周的时间。但是，富兰克林在1747—1752年这短短5年的时间里就声名鹊起，主要原因在于，他通过书信向伦敦的彼得·柯林森（Peter Collinson）介绍了自己的电学实验，这不能不令人感到惊奇。

到底是什么让富兰克林从成功的印刷匠转变成世界知名科学家的呢？显然，这样的转变离不开他的学术天赋，但更重要的原因是，富兰克林对时代的需要和关注点有一种敏锐的直觉。在富兰克林时代，“科学”一词的意思是“智慧”，而自然哲学则与今天的物理学相一致。18世纪，最新的实验报告甚至常常被发表在地方性报纸上。做印刷学徒期间，富兰克林通过阅读《旁观者》（Spectator，英国散文家约瑟夫·阿狄生在这份杂志上自豪地宣布，他“把哲学从壁橱、图书馆以及大学院校中解放出来，使其扎根于俱乐部、集会场所、茶桌旁和咖啡屋”）等大众期刊，自学写作。

富兰克林不仅选择了一个合适的时机，还为自己能引起世人关注制订了一个可靠的计划，并逐步把自己培养成今天所谓的“公共知识分子”的形象。他知道，地位低下的英属北美殖民地人民必须得到伦敦的支持，才能有机会成为一个名声在外的科学家。为此，当富兰克林获悉伦敦植物学家、英国皇家学会会员彼得·柯林森正在物色“英属北美殖民地门徒”时，他立刻写信与柯林森取得联系。后来，柯林森向伦敦的英国皇家学会介绍了富兰克林的电学实验。向牛顿定律发起挑战

1687年，艾萨克·牛顿的名著《自然哲学的数学原理》正式出版，比富兰克林出生的时间早19年。牛顿的另一部经典著作《光学》，出版于1704年。这两部作品从本质上看是不一样的，对富兰克林影响更大的是后者。《光学》对富兰克林来说比较容易阅读，因为它是用英语写成的，而不是拉丁语。但是，科恩认为更重要的原因是这部著作“致力于描述设计完美、操作简单的实验”。富兰克林的研究与《光学》都非常关注实验，两者的基本特性也是一致的。牛顿在《自然哲学的数学原理》中指出，万有引力是质量的函数，而与物质的类型无关。《光学》却与这一观点形成了鲜明的对比，因为它非常关注物质的具体类型，以及材料是否导电、有磁性。富兰克林的研究与《光学》具有相同的特点，正如科恩指出的，富兰克林是“信奉牛顿学说的实验科学家”。

富兰克林在科学研究方面一直恪守英国皇家学会的箴言：“不盲目相信任何人。”也就是说，自然法则应该通过实验来发现，而不是想当然。这种凡事讲求实验证据的态度，是牛顿等人发起的科学革命的基础。电学研究是摆在他们面前的一个巨大考验，因为人们很有可能会坚守牛顿的著名发现，而不愿意接受一种不同的新观点。但是，这些大胆的电力科学家并没有畏缩不前，而是勇敢地面对引力和电力之间的差异，即使困惑不解也不退缩。牛顿的万有引力定律描述的是天体之间的吸引力，而电力不仅包括吸引力，还包括排斥力。他们必须解释吸引力和排斥力为什么可以共存，这是前所未有的一个新任务。富兰克林给柯林森写信的目的，就是要解释其中的原因。巧妙的电学实验

1747年5月25日和7月28日，富兰克林先后给柯林森写了两封信，解释他的电学基本理论。整个理论建立在平衡概念的基础之上。当一个物体（如琥珀或玻璃管）中有正常数量的“带电物质”或“电流体”时，物体就会处于正常状态，既不会吸引也不会排斥其他物体。然而，如果物体中的电流体数量减少或者增加，这种平衡将会被打破，物体就会“有电”。富兰克林对这些不平衡状态进行了定义：电流体数量增加的物体带正电，电流体数量减少的物体带负电。这套理论关注的重点是单一类型的带电物质或电流体的再分布情况。

最重要的是，富兰克林的理论解释了吸引力和排斥力。分别带正电和带负电的两个物体或两种材料彼此接近时，就会产生吸引力。也就是说，我们可以认为电流体与爱情一样，具有异性相吸的特点。相反，如果把两个带正电或者两个带负电的物体放在一起，它们就会相互排斥，即同性相斥。富兰克林的理论有时也被称为单流体理论。为了证明这套理论，他设计了一些简单而巧妙的实验。其中一些实验甚至给人一种玩室内游戏的感觉，因为这些带正电或带负电的实验对象都是活生生的人。在一个实验中，甲用丝绸摩擦玻璃，然后把这块带静电的玻璃递给乙；当乙拿到玻璃的时候，可以观察到火花飞溅的现象。解释莱顿瓶实验的科学原理

1746年，荷兰一所大学的一位研究人员进行了一个被他描述为“新颖但可怕的实验”。他就是莱顿大学的马森布罗克（Musschenbroek），他在实验中研发的设备被人称作“莱顿瓶”。莱顿瓶就是一个普通的玻璃瓶，里面装了一些水，一根铜线浸没在水里。加州大学伯克利分校的历史学家海尔布伦（Heilbron）说，“标准”的莱顿瓶“内外两侧还有金属箔”。莱顿瓶内侧的金属箔通过铜线与一根金属棒连接。用丝绸摩擦过的玻璃管携带的静电传递到金属棒上后，又会通过铜线传递到瓶体内侧的金属箔上。这时，瓶体内外两侧的金属箔就会产生电性相反、电量相等的电荷。因为玻璃是一种很好的绝缘体，所以两种电荷无法汇合到一起，只能保持对峙状态。

这为什么是一个“可怕的实验”呢？马森布罗克把他的右手放在莱顿瓶外侧，把左手放在向瓶体内侧传输静电的那根铁棒上，这样一来，他的身体就变成两个带异性电荷物体之间的通路。结果是，他“全身颤抖，如同被闪电击中一般”。

在解释莱顿瓶实验时，科学家们产生了分歧，富兰克林与法国人让–安东尼·诺莱（Jean-Antoine Nollet）分属不同的阵营。尽管诺莱在现代的知名度远不及富兰克林，但是海尔布伦认为，1745—1752年，诺莱的理论都是“有史以来得到最广泛认可的电学理论”。

富兰克林提出的正负电荷概念可以解释莱顿瓶的特性，因此他的理论最终取得了胜利。海尔布伦写道，莱顿瓶“瓶体内壁”聚集有电火花，“是因为它无法通过”玻璃向外传递。换句话说，富兰克林的理解是正确的，玻璃瓶的作用其实就在于很好地扮演了绝缘体的角色。瓶体内侧的电荷增加，意味着它需要以电火花的形式释放多余的电荷，而这种排斥力只能通过瓶体外侧的等量异性电荷来中和。诺莱亲自完成了这个可怕的实验，以至于他“蜷缩成一团，差点儿喘不过气来”。但是，他无法解释莱顿瓶实验的原理，只能断言这是一个“特例”。1747年7月，富兰克林给伦敦英国皇家学会写了一封信，解释了莱顿瓶实验的科学原理。这项成就进一步提升了他在国际科学界的声誉。闪电是电

富兰克林在这场理论之战中取得的胜利产生了深远的影响。一个地位低下的英属北美殖民地科学家与受教育程度很高、资金十分充足的欧洲科学家进行正面交锋，并且取得了最终的胜利。这不仅帮助他赢得了个人声誉，还使英属北美殖民地科学家的不懈努力得到了回报，赢得了国际科学界的认可。富兰克林的成功表明，美国科学家的奋斗精神绝不弱于他们的欧洲同行。

然而，这次科学上的胜利对他的国际声誉的影响力，与他的电学实验相比就相形见绌了。富兰克林通过实验证明，把闪电视为与电力等同的一种作用力，是对闪电的最合理解释。富兰克林并不是第一个提出这种观点的人，但他是成功提出这种观点并激励人们通过实验进行验证的第一人。1750年7月，富兰克林在一封写给柯林森的信中提出了“岗亭实验”。首先，准备一个密闭岗亭，可以容纳一个人站在里面的绝缘体上。其次，在岗亭顶部安装一根指向天空的铁棒，长度为20~30英尺。实验的目的是把天空中的闪电引到铁棒上，进而研究闪电的本质。

有人认为，闪电源自风暴云携带的电荷，闪电又会将这些电荷传导到云层下方最高的物体上，无论该物体是教堂的塔尖还是高大的橡树。富兰克林希望检验这个说法是否属实。1751年4月，富兰克林所写的书信被结集出版，这本书就是《电学实验与观察》（Experiments and Observations on Electricity）。法国人孔德·德·布丰（Comte de Buffon）阅读之后，非常欣赏富兰克林的这本著作，就邀请让–弗朗索瓦·达利巴尔（Jean-François Dalibard）在电学实验员德罗尔的帮助下，把富兰克林的这本书翻译成法语。布丰一直对诺莱及其同事心存强烈的不满，原因有不少，例如，他与诺莱的支持者热内–安东尼·费舍尔·德·列奥米尔（René-Antoine Ferchault de Réaumur）之间有个人恩怨，两人曾经面对面或者通过第三方侮辱过对方。布丰对富兰克林的研究如此感兴趣，也是这种不满情绪的一种反映。既然富兰克林反对诺莱的观点，也就是反对列奥米尔，因此布丰愿意推广富兰克林的观点。

1752年5月，布丰、达利巴尔和德罗尔等获得了公开宣传富兰克林观点的第一个良机。他们准备再现富兰克林的某些实验，法国国王路易十五也将亲临实验现场。他们三人决定实施富兰克林的“岗亭实验”，由达利巴尔在位于巴黎郊外20英里的村庄马利拉维尔准备好实验设施。5月10日，布丰和德罗尔开始操作这个危险的实验。通过铁杆和铜丝的碰触，他们“看到了人类有意识地从天空中引来的第一个火花”。达利巴尔向位于巴黎的法国科学院报告了这次实验的情况。这次实验证实了“闪电与电的亲缘关系”，以及富兰克林对避雷针的判断是正确的：“头部较尖、安装在高处并且接地的金属杆”可以预防雷电危害。马利拉维尔实验成功地证明电学研究不是“玩具物理学”，而是一种非常重要的探索途径，可以解释一种主要的物理现象。

富兰克林在暴风雨中放风筝的目的是证明闪电是电，这个实验是岗亭实验的一个变体，完成时间是在1752年6月。此时，三名法国人已经在马利拉维尔成功地完成了他们的实验，但是富兰克林还没有收到这个消息。引发公众想象的是风筝实验，而不是岗亭实验。因此，哲学家伊曼纽尔·康德把富兰克林称为“现代的普罗米修斯”。

富兰克林在1752年10月写给柯林森的信中介绍了他的风筝实验。风筝的主体是两根交叉的雪松木条，上面系着一条丝绸手帕。风筝的顶端伸出一根细金属丝，连接着一条长长的绳子。在绳子末端、接近富兰克林手持处的位置，系有一把金属钥匙，钥匙下面连接着另一条丝绸手帕。风筝放飞时，富兰克林的手就抓着这条丝绸手帕。整个装置虽然非常简单，却可以驯服大自然的力量。

风筝高飞时，一旦闪电击中风筝顶端的金属线，绳子就将电流传送到金属钥匙上。然后，钥匙与富兰克林就构成了一个“莱顿瓶”，可以传输、储存电荷。闪电释放的电荷一旦被引入莱顿瓶，就可以看出它与当时科学家使用的静电并没有什么不同。由此可见，富兰克林的这个实验远没有那么可怕。由于富兰克林手握的那条丝绸手帕对于他的生命安全而言有至关重要的作用（富兰克林认为，正是因为这条丝绸手帕，电荷将驻留在那把钥匙上），因此他建议后来的实验者最好站在小型建筑物内，以保证身体和手握的丝绸手帕不会被暴风雨淋湿。

这个实验的危险是显而易见的。富兰克林在风筝实验中把自己完全暴露在闪电面前，极有可能遭遇生命危险。1753年7月，科学家乔治·里奇曼（George Richman）试图在圣彼得堡的公寓里实施富兰克林的风筝实验，结果不幸意外身亡，用生命的代价证明了这个实验的可怕。里奇曼的讣告不仅介绍了他在科学界的声望，还告诫人们电学实验的危险性不可忽视。里奇曼受过良好的教育，是俄罗斯科学院圣彼得堡科学中心的会员，他的去世是科学界的一大损失。正如讣告所指出的，他很清楚“后果”，但他“希望抓住一切机会”，测量出“雷雨云”携带的电量。里奇曼的死亡以及实验显而易见的危险性，让有些人不禁怀疑富兰克林根本没有在暴风雨中完成他的风筝实验。这种疑虑直到今天也没有被打消。

哈佛大学历史学家伯纳德·科恩明确表示富兰克林确实进行了风筝实验，但他也承认有人持不同观点。在1952年的一篇文章中，科恩提到了柯里尔与艾夫斯绘制的关于风筝实验的石版画，并指出这幅画是一个彻头彻尾的错误。最后，科恩总结道，对富兰克林风筝实验真实性的任何怀疑都没有“合理的理由”。科恩还说，有充分的证据证明其他人重现过这个实验，所以我们没有任何理由怀疑富兰克林。然而，质疑的声音一直存在。2003年，作家汤姆·塔克（Tom Tucker）出版了《命运的闪电》（Bolt of Fate）一书，明确地表达了自己的观点。塔克重点分析了富兰克林的恶作剧倾向，认为风筝实验是又一个经典的富兰克林式恶作剧。如果富兰克林不像他所说的那样亲自完成了风筝实验，这件事在很大程度上就是一种欺骗，人们也不可能接受像善意的恶作剧这样的解释。富兰克林没有理由撒谎，他只要提出岗亭实验的构想并安排达利巴尔完成这个实验，就能赢得国际声誉。正如科恩所说的那样，富兰克林的风筝实验可能没有柯里尔与艾夫斯在石版画中表现出来的那种戏剧性效果，但我们不能因此断言他根本没做过这个实验。发明避雷针

富兰克林不仅是一位富有创新精神的实验科学家，他还非常善于将科学知识应用于实践。在1753年出版的《穷理查年鉴》一书中，富兰克林描述了他最重要的发明——避雷针，标题是“如何保护房屋等免受闪电破坏”。他首先指出，针对“雷电的恶行”，“仁慈的上帝欣然”为我们提供了某种程度的保护。具体来说，这种保护措施就是一种“小铁棒”，“一端插在潮湿的地里，深度为三四英尺”。另一端则位于“建筑物的最高点，伸出的长度为6~8英尺”。接着，他补充说道，铁棒上端还应该连接一根一英尺长的黄铜电线。只要屋顶上装有这样的装置，他就可以保证房屋“不会受到闪电的破坏”，因为闪电会被“避雷针的尖端引过来，然后沿着金属线传导到地面，因此不会对任何事物造成破坏”。

尽管在今天看来，避雷针没有任何难以理解的地方，有时甚至给人一种古朴的感觉，但它是人类在科学（发现闪电是一种电学现象）和技术（人类可以用它来挽救生命财产）这两个方面取得的一个来之不易的成就。同样，我们更不能低估它在人类与自然的斗争中的象征意义——它代表人类在哲学上可能取得的进步，以及胜利的天平正在向人类倾斜。

避雷针还告诉我们，政治在所有涉及技术的争论中可以发挥什么样的作用。英国人在避雷针的形状设计上曾有过不同意见，有人认为应该采用富兰克林提议的“尖尖的形状”，有人则倾向于英国科学家本杰明·威尔逊（Benjamin Wilson）的建议，认为应该采用“球形把手”的形状。海尔布伦称这是一场“滑稽的战斗”。争论始于1772年，有人问英国皇家学会，如何让一个装满火药的军火库免受闪电的威胁？虽然威尔逊持有不同意见，但是英国皇家学会下设的委员会最后认定尖头避雷针的预防效果更好。然而，1777年，英国珀弗利特镇遭到雷电的破坏，尽管在兵工厂和其他建筑物附近都安装了尖头避雷针。当然，富兰克林所在的美国此时已经发动了独立战争。英国国王乔治三世也加入了这场争论，他要求英国皇家学会修改它的决定。科恩转述了英国皇家学会主席约翰·普林格（John Pringle）爵士的答复：“陛下可以修改国家的规律，但不能逆转或改变自然的规律。”毋庸多言，普林格因此丢掉了他在英国皇家学会的工作。海尔布伦说，站在“自然界的高度看，（球形和尖形）这两种避雷针的头都是一个点”，因此，这种争论是“滑稽可笑”、毫无必要的。当然，在这之后，政治仍然没有停止对科学研究的干涉。艰巨的外交使命在科学界声名鹊起

作为一名美国外交家，富兰克林在法国享有盛誉，但是，我们在前面说过，越来越多的现代历史学家认为，富兰克林在国际科学界的良好声誉为他的外交生涯创造了便利条件。哈佛大学的美国历史教授乔伊斯·卓别林（Joyce Chaplin）说得更为直接：“不能说富兰克林是一名热衷科学研究的政治家，他从政是‘研而优则仕’的结果。这是因为在18世纪，科学已经成为公共文化的一部分。”

有大量的文献资料可以证明富兰克林是一位蜚声国际的科学家。早在美国独立战争爆发与富兰克林前往法国之前，他的著作《电学实验与观察》（1751年）就已经有5个英文版本了，并被翻译成其他三种语言。此外，富兰克林还因其对科学的巨大贡献而获得诸多奖项和荣誉学位。1753年，他获得英国皇家学会颁发的科学奖章——戈弗雷·科普利爵士奖章。在富兰克林获奖之前，只有英国皇家学会的英国国籍会员才可以获得这项殊荣。在他的一生中，富兰克林还获得过哈佛大学、耶鲁大学、威廉玛丽学院、圣安德鲁斯大学和牛津大学的荣誉学位。富兰克林先后成为英国皇家学会、德国哥廷根威廉皇帝协会（今马克斯·普朗克研究所的前身）和巴黎皇家科学院的会员。当时，法国科学院总共只有8名外籍会员，富兰克林就是其中一位。两次前往英国

然而，科学界的好名声并不能保证外交上百分之百的成功，富兰克林两次前往英国的经历就证明了这一点。两次任务中只有一次取得了成功，他遭遇的失败远远超过他取得的胜利。1757—1762年，富兰克林第一次来到英国，代表宾夕法尼亚州殖民地议会与威廉·佩恩（William Penn）的继承人进行谈判。此行他需要实现一个比较尴尬的目标：说服佩恩家族作为业主，同意殖民地政府向他们征收房产税，以增加殖民地的财政收入。乔伊斯·卓别林说，宾夕法尼亚州殖民地议会认为富兰克林在伦敦“享有盛名”的猜测是正确的，富兰克林的确“因为其电学天才、科普利奖章获得者和美洲著名哲学家的身份在伦敦大出风头”。尽管富兰克林的名声很好，但在1762年他的第一次任务接近尾声时，佩恩家族的一名成员指责他为“居心叵测的恶棍”。不过，1760年8月，“富兰克林赢得了胜利”，因为“英国枢密院的大多数成员都支持宾夕法尼亚州殖民地议会，而反对佩恩家族”。

富兰克林在英国的第二次任务花费了更长时间，从1764年开始至1775年结束，为期11年。这一次，他需要解决的问题更加微妙，也更加危险，后来直接引发了美国独立战争。同第一次任务一样，富兰克林的第二次任务也是以一次枢密院会议的形式结束的。但是，与第一次不同的是，富兰克林的第二次英国之旅不仅颗粒无收，而且遭受了巨大损失。虽然没有明确说明，但是那次枢密院会议的议程就是对富兰克林将英国任命的马萨诸塞州州长的私密信件公之于众的行为提出谴责。枢密院会议的到会情况通常都不是很好，但大多数政治精英都出席了这次会议，其中包括负责北美殖民地事务的国务大臣达特茅斯勋爵、坎特伯雷大主教、伦敦主教等重要人物，还有首相弗雷德里克·诺斯勋爵。会议委托副检察长亚历山大·韦德伯恩亲自询问富兰克林。著名的富兰克林传记作家布兰茨（H.W.Brands）写道，旁听席上坐满了人，“在他们的大笑和欢呼声中，副检察长对富兰克林的行为和性格进行了猛烈抨击”。韦德伯恩对富兰克林在电学研究上取得的成就进行了攻击，指责富兰克林在信件泄密这一事件中发挥了“导体”的作用。此外，富兰克林邮政局局长的身份也遭到了嘲讽。韦德伯恩说，今后他会“认为文化人是一个讽刺性称呼”。

韦德伯恩的意思是，富兰克林和英属北美殖民地应该正确认识自己的身份。在英国人的心目中，殖民地在任何方面都不能与其相提并论。但是，富兰克林显然可以与最伟大的英国人相媲美，他在科学研究上取得的成就，即使按照英国人的标准，其创新性也足以令人称羡。此外，富兰克林出身于普通家庭，他的所有成就都是靠他自己的努力取得的。也许就是在那一天，所有人生而平等的理念开始在他的头脑中生根发芽。可以肯定的是，正是从那天开始，富兰克林的目光就坚定地转向了革命。与法国结盟

枢密院会议结束后不久，回到英属北美殖民地的富兰克林又接受了另一项艰巨的任务：前往法国争取支持。对于70岁的富兰克林来说，这次法国之旅不仅是对他体力的一次考验，也是对他职业的一次考验。他要在恶劣的天气状况下坐船穿越险恶的水域，只有他的两个年幼的孙子陪他一起。他需要说服法国国王路易十六为英属北美殖民地提供货币和军事支持，从而摆脱英国国王乔治三世的统治。这显然是一项非常艰巨的任务。但是，富兰克林接受了挑战，并最终成功地完成了任务。就这样，这位在电的发现上做出卓越贡献的科学家变成了为美国独立战争保驾护航的“避雷针”。在此后几百年的时间里，电力的开发和应用在美国取得了长足的发展。

富兰克林是如何完成这项艰巨任务的呢？法国人知道富兰克林，因为富兰克林不仅击败了法国科学家诺莱的电学理论，而且在富兰克林提出闪电是电的猜想之后，第一个成功证实这个猜想的实验——岗亭实验，也是由法国人在法国境内完成的。

尽管好名声帮助富兰克林迈出了成功的第一步，却不足以保证他取得成功。作为一名外交家，富兰克林不仅口才出众，而且目光敏锐。他清楚地知道，法国之所以愿意结盟，是因为法国有其自身的利益诉求，法国的政要也对他本人有所图。他明白，在法国能够呼风唤雨的那几个人都喜欢“在餐桌上”讨论问题，富兰克林正好长于此道。他不俗的谈吐既可以吸引人们的注意，又不会因过于标新立异而让人避之唯恐不及。富兰克林的外交家身份并不仅限于特定时间或者场合，还对他的生活方式产生了深远的影响。

富兰克林成功地融入当时的欧洲文化，这对于一个美国人来说是极不寻常的。1757—1785年，富兰克林的大部分时间都是在欧洲度过的。历史学家莫里斯·毕夏普（Morris Bishop）认为，富兰克林在科学界的声誉为他敲开了“欧洲科学文化界”的大门，并最终帮他找到了“在学术上志趣相投的伙伴”。电学研究并没有沦落为无人关注的实验室工作，而是成为精英们在晚宴上津津乐道的热门话题。毕夏普指出，富兰克林的学术水平在他的国家几乎无人能及，“来到法国之后，他终于有了如鱼得水的感觉”。尽管国家不同，但是周围人好奇的目光还是让这位科学家、外交家备受鼓舞。

富兰克林在事业上取得了巨大的成功，但他的个人生活却很痛苦。他的儿子威廉选择支持英国，并离开了他。富兰克林说：“在垂暮之年被自己唯一的儿子抛弃，真的让我悲痛欲绝、心如刀绞。”在整个美国独立战争期间，威廉都待在监狱里。独立战争结束后，威廉背井离乡，在伦敦度过了他的余生。富兰克林留给世人的遗产

法国经济学家杜尔哥用一句话精辟地概括了富兰克林的历史地位：“他从苍天处取得闪电，从暴君处取得民权。”取得闪电使富兰克林成为一名重要的科学家，取得民权则使富兰克林成为一位世人瞩目的政治家。他的双重身份赋予他独一无二的特点，人们在讲述历史时很难把他归到某一个类别之中。他到底是那个时代造就的幸运儿，还是造就那个时代的创新者呢？

首先，他是那个时代造就的幸运儿。一方面是因为在他生活的那片土地，人们对自由的呼声益高，为他攀爬社会阶梯创造了便利条件。另一方面是因为科学革命已经开始，全社会的人都对科学产生了浓厚的兴趣。他凭借自己的成果跻身科学界的核心地位，而美国独立革命又把他推向了外交事务的舞台中央。其次，当富兰克林放弃印刷所的那份学徒工作和后来舒适安逸的中产阶级生活，并在好奇心的引领下开始进行科学探索和政治生涯之旅时，他实际上正在拉开富兰克林时代的帷幕。

富兰克林在265年前提出的电学核心理论与现代理论并不矛盾。今天，科学家认为所有的物质都是由原子组成的。按照人们对原子的基本（但不完整的）理解，电子围绕原子核运转，原子核则包含质子等其他粒子。电子和质子都带有电荷，人们主观规定电子带负电荷，质子则带正电荷。在这种原子结构中，富兰克林提出的异性电荷相互吸引的规则是适用的。因此，绕原子核运动的电子会被质子吸引，正是因为这种吸引力，原子中的不同粒子被紧紧地吸附在一起。在大多数材料中，原子中的正电荷和负电荷数量正好相等，所以它们是电中性的。然而，在某些材料中，原子中的电子有可能被其他原子“拿走”。当这种情况发生时，掠夺者就会有多余的电子，原子间的平衡态势就会被打破。电其实就是这种不平衡情况的一个特征——电子的“运动”。

富兰克林在英属北美殖民地的地位是无人可及的。同时代的人，包括那些认识他和那些只听过他的大名的人，都承认他是一个天才。乔治·华盛顿在给晚年富兰克林的一封信中写道：“因为善行而受景仰，因为才华而被崇拜，因为爱国而受尊敬，因为仁慈而被爱戴，这一切将激起人们对你的亲切拥戴。你可以得到的最大安慰，就是知道自己没有虚度一生。”

当富兰克林于1790年4月去世时，超过2万人参加了他的葬礼，这相当于费城一半的人口。法国国民议会史无前例地宣布为富兰克林的去世哀悼三天，巴黎皇家科学院的一位秘书用一句话概括了法国人民的感受：“一个人去世了，两个世界都在为他哀悼。”因为失去富兰克林而深感悲痛的这两个世界，可能不仅是指旧世界和新世界，也指科学界和政治界。第2章瓦特的蒸汽机

富兰克林驯服了闪电，瓦特则驯服了蒸汽……现在还不知道蒸汽机沦落为电的附庸需要多长时间。——安德鲁·卡内基（1913）

如果说富兰克林通过电力的普遍生产与广泛应用为世界的发展奠定了第一块基石，那么我们也可以说，詹姆斯·瓦特在工业革命期间完善蒸汽机技术的行为为人类的进步铺设了第二块基石。

乍一看，电和蒸汽似乎毫无关系。可以说，科学与技术各自的舞步真的令人难以捉摸，只有纵览历史，才可以看出两者之间高度的契合性。这种契合性在两个方面表现得最为明显。一个方面是，在全世界的电力生产过程中，第一个步骤大多是通过燃烧煤炭、天然气等燃料或者利用核反应中产生的热量来制造蒸汽。然后，利用这些蒸汽驱动涡轮机，使磁体在线圈中旋转，进而产生电，也就是富兰克林“看到”的电子“流”（后来，迈克尔·法拉第证实富兰克林没有看错）。

另一个方面是，蒸汽机大量出现在工厂中，不可避免地将工厂与机械动力的应用紧密地联系在一起，也为电动机的应用提供了同样广阔的舞台。这一转变标志着工业革命的开始。如果制造商不热衷于蒸汽机的机械动力，电动机可能就不会有取代古老动力系统的机会，人类也将无法获得电动机带来的巨大经济效益。

更广泛地说，蒸汽发电是一项技术，为我们提供了技术变革的早期范本。由于技术变革是解决现代社会几乎所有问题的一个手段，因此我们有必要研究这个范本——一部由毅力、合作、专利和生产力共同演绎的蒸汽机技术发展史。坚毅的匠人

在詹姆斯·瓦特去世多年之后，他的孙女婿詹姆斯·吉布森（James Gibson）博士给自己的岳父写了一封信，描述了瓦特早年沉迷于蒸汽研究的传奇故事。童年的瓦特体弱多病，为了让他变得健康，家人将他送到了农村。吉布森写道：“吃饭时，长辈们发现瓦特坐在客厅的壁炉旁，手里拿着一个盘子……他把盘子伸向从装着沸腾茶水的水壶嘴冒出的蒸汽，然后认真地观察蒸汽接触冷冰冰的盘子后冷凝成水时盘子与壶嘴之间的距离。”吉布森怀疑这可能是瓦特“第一次见识到蒸汽的力量和灵活性”。瓦特在自己的实验笔记里也记录了他如何利用茶壶来研究潜热背后的科学原理，并因此取得他人生的第一个重大科学发现。我们也许不能断言瓦特走上创新之路与他童年时期的这段经历有着不可分割的关系，但他天生的好奇心、耐心的观察，以及对精确测量的浓厚兴趣，对他的科学研究来说大有裨益。

1736年，詹姆斯·瓦特出生于苏格兰的格里诺克，并在那里度过了无忧无虑的童年。他的父亲是一名成功的商人、造船工人和木匠，因能制造精密测量所需的机械仪器而在当地小有名气。瓦特最先表现出来的是他超常的数学能力，他的阅读面也非常广，还可以在工作台上制作水泵和滑轮等机械装置的模型。1753年，瓦特遭遇了两大困境，先是他的母亲去世了，之后他父亲的财富又大幅缩水。家庭的经济损失使得瓦特急需一份工作，于是他把目光投到了数学仪器制造这个生计上。第二年，瓦特搬到格拉斯哥，成为约翰·安德森（John Anderson）和罗伯特·迪克（Robert Dick）的学生。这两个人都是格拉斯哥大学的自然哲学教授。1755年，瓦特前往伦敦，寻找短期学徒工作。数学仪器制造商约翰·摩根（John Morgan）为他提供了一年的学徒期。1756年，20岁的瓦特回到格拉斯哥。因为他没有达到7年的学徒期，所以格拉斯哥的行业保护协会不同意他从事仪器制造工作，但是格拉斯哥大学允许他这样做。当时，这所大学大家云集，经济学家亚当·斯密和化学家约瑟夫·布莱克（Joseph Black）都在这里任职。格拉斯哥大学为瓦特提供了一个专门的工作室，让他从事仪器制造工作。从此，发明创造的大门向他敞开了。

一名仪器制造人员是如何成为世界知名的发明家和科学家的呢？要回答这个问题，先得从科学与瓦特终生从事的仪器制造工作之间的联系谈起。仪器制造人员是科学革命背后的“无名英雄”，所有领域的科学家都离不开这些“工匠”提供的工具。气象学家需要气压计，化学家需要实验分析工具，外科医生需要钳子和医疗设备。牛顿深入研究各种关系的测量和量化，并引发了科学革命，而仪器制造人员是测量数据精确度的重要保证。从本质上说，仪器制造人员提供的尖端设备是推动科学技术迅猛发展的重要因素。

格拉斯哥大学有一个蒸汽机模型需要修复。这个模型非常珍贵，是早期发明家托马斯·纽科门（Thomas Newcomen）设计的。1764年，约翰·安德森教授请瓦特完成它的修复工作。这台蒸汽机的结构非常简单：蒸汽被注入汽缸之后，就会推动活塞向上运动；蒸汽冷却后，活塞就会下落。活塞上下运动时，活塞杆也会随之上下运动，完成做功冲程。这台蒸汽机的常规用途是从矿井中泵水，煤矿井和其他矿井的排水需要，对蒸汽机技术改进提出了要求。正是这些改善采矿技术以充分开采矿藏的努力，使得工业革命在英国爆发，随后又向世界各地蔓延。

瓦特发现，纽科门蒸汽机的效率非常低。想让活塞上下运动做功，需要燃烧大量的煤才能产生足够多的蒸汽。瓦特亲手做了一些实验，结果发现了约瑟夫·布莱克的潜热理论。布莱克和瓦特各自发现，刚开始给水加热时，热量会促使水的温度升高，我们每次烧水时也都可以观察到这个结果。然而，水温升高的情况与人们的预想并不相同。一旦温度达到212华氏度（100摄氏度），即水的沸点，水温就会保持不变。与此同时，水会变成蒸汽。作用于水并促使水温升高的那部分热量被称为“显热”，而将水以及其他液体转化为蒸汽等气态的那部分热量叫作“潜热”。布莱克之所以称其为“潜热”，是因为我们无法测量这些热量的温度。瓦特断定，纽科门蒸汽机汽缸里的蒸汽在每个冲程都会冷凝或者冷却，导致潜热流失，从而降低了蒸汽机的效率。

瓦特设计了一个独立冷凝器，实现了重大突破。为了保持蒸汽机汽缸的温度，他打算把蒸汽抽到另一个独立容器中，让蒸汽在那里冷凝成水。瓦特在独立冷凝器中制造了一个真空环境，这样一来，蒸汽就会从汽缸涌进冷凝器，并在那里冷却，而汽缸的温度不会降低。1796年，约翰·罗比森（John Robison）教授在一次演讲中指出，瓦特之所以能够实现这个重大突破，是因为他综合运用了自己的多项天赋。罗比森说，在参观瓦特的仪器制造工作室时，“那些精致的仪器让我大开眼界……接下来，我看到瓦特变成了一名工匠，这没有出乎我的意料。但是之后，我却惊奇地发现，他还是一位哲学家。”罗比森接着说道，“他的双手把一切都变成了科学。”在瓦特眼中，科学本就是水到渠成的事情，但财富却难以掌控。改良蒸汽机

发明家往往需要找到外部投资者将他们的发明转化为商业上的成功。瓦特既不是第一个，也不是最后一个有这种需求的发明家。把蒸汽机模型变成可以真正从矿井中泵水的全尺寸发动机，还需要做大量的工作。瓦特的良师益友约瑟夫·布莱克再次向他伸出了援助之手。刚开始布莱克是自掏腰包，后来又把瓦特介绍给潜在的投资者约翰·罗巴克（John Roebuck），帮助瓦特的研究顺利地进入了下一个阶段。当时，罗巴克的煤矿遭遇了严重的井下积水问题，而纽科门蒸汽机的泵水效率十分低下，无法解决这个问题。

罗巴克在苏格兰中部低地的沿海城镇拜罗斯托尼斯附近拥有一个名叫金尼尔的庄园，他允许瓦特在这个庄园里制造全尺寸蒸汽机。但到了最后关头，罗巴克却没有办法继续为瓦特提供经济支持。1766年，在前进道路上屡遭挫折的瓦特被迫出售了自己的仪器制造工作室，并开始从事测绘工作，来维持全家人的生计。在此期间，瓦特认识了马修·博尔顿（Matthew Boulton）。当时，博尔顿在英国伯明翰市郊的索霍区创办了第一家大型制造工厂，已经是一位赫赫有名的成功商人。在瓦特后来取得的成就中，博尔顿发挥了至关重要的作用。

1769年，瓦特取得了第一项蒸汽机专利。与其他法律一样，专利法也有其优缺点。在当代社会，我们更有可能想到拥有专利权的好处：专利是发明者的权利保证，既是一种保护，也是一种激励。但在瓦特的时代，人们对专利的看法却往往是负面的，认为专利有可能导致垄断，因此专利的数量不多。博尔顿等人建议瓦特为他的发明申请一项范围宽泛的专利，以防止其他人通过略微改动他的创意去获取不正当利益。

当时的专利法导致瓦特、博尔顿跟他们的对手苦苦纠缠了30年。有人说，这是因为他们的专利客体太模糊了，受保护的对象是一个原理，而不是这个原理的应用技术。这个问题相当复杂，再一次反映了科学与技术的“舞步”的确令人难以捉摸。潜热这个全新的科学发现（或者更宽泛地说就是热力学）是否可以证明瓦特基于原理申请的这项专利是合理的呢？或者说，瓦特和博尔顿应该针对独立冷凝器这项具体技术申请专利？专利申请是否必须具体描述这项技术？如果进行了具体描述，一旦专利过期，其他人就可以利用并改良这项技术。关于是否申请以及如何申请专利的问题，人们意见不一。这给瓦特带来了无穷烦恼，也曾让塞缪尔·摩尔斯头疼不已，直到今天仍然是一个不好决断的难题。2015年，《经济学人》杂志指出：“今天的专利制度名义上是为了推动进步，实际上却为创新设置了重重障碍。”

在全尺寸发动机的研发工作于1769年启动并成功申请专利之后，一系列的挫折接踵而至。时隔4年，祸不单行的惨剧在瓦特身上重演，他在关键时刻接连遭遇了两次严重的挫折。先是他的投资人约翰·罗巴克破产，导致瓦特在经济上捉襟见肘；接着，他的妻子佩吉又离开了人世，这对瓦特而言是一个沉重的打击。佩吉于1764年与瓦特结婚，9年后去世。当时瓦特37岁，他们生养的6个孩子还没有全部长大成人。

1774年，在发明独立冷凝器后的第9个年头，瓦特将他的蒸汽机搬到了博尔顿建在索霍的工厂。伯明翰是白手起家的创业者的天堂，是一个以自由创业、跻身上流社会的捷径和宗教信仰自由闻名的地方（富兰克林以及其他英属北美殖民地居民就曾受到这种自由精神的激励）。历史学家阿诺德·汤因比（Arnold Toynbee）说，当“亚当·斯密猛烈抨击企业制度时，他脑海里想到的可能是格拉斯哥行业保护协会不同意瓦特从事仪器制造工作的具体例子”。伯明翰是一个“自由城市”，这里的自由有助于他的事业得到蓬勃发展。1775年，英国政府将瓦特的专利有效期延展了24年，这让瓦特与博尔顿有了喘息的机会。

随后，瓦特和博尔顿着手制造蒸汽机。他们招募了一些人手，其中包括约翰·威尔金森。威尔金森之所以被人称作“钢铁大王”，是因为他认为所有人都可以而且应该使用他制造的铁器。瓦特使用的锡质汽缸一直存在质量问题，威尔金森有一项专利技术，那就是炮筒镗床。利用这项技术，再用铁代替锡，就可以解决蒸汽机汽缸的质量问题。此外，博尔顿还招募了威廉·默多克（William Murdoch）。后来，在

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