瓦特和愛迪生背后的人

創(chuàng)新最驚人之處在于它依然如此神秘莫測。

沒有一位經濟學家或者社會科學家，可以完全理解為何創(chuàng)新會發(fā)生，更不要說它為何會在某時于某處發(fā)生了。

就創(chuàng)新而言，人類歷史上最重要的事件，也許是1700年左右發(fā)生在西北歐的某個地方，由某個或某些法國人或英國人做出來的。

為何如此含糊不清？因為當時沒有人注意到或認識到它的重要性。至于幾個候選人中誰的貢獻最大，人們也同樣存在著困惑。這是一個循序漸進的、跌跌撞撞的變化，沒有頓悟的時刻。這些特征都是創(chuàng)新的典型表現。

那時候，人類第一次通過控制熱量的轉換來做功。

若預言工業(yè)革命必然會出現的話，那么這就是讓工業(yè)革命成為可能的關鍵突破口，因而也促進了現代世界的繁榮。

1700年之前，人類使用熱和功這兩種主要能源（光主要來自熱），人們依靠燃燒木頭或煤炭來取暖和烹飪，他們還用自己的體力或馬以及公牛的體力來移動物體，也就是做功，或者極偶爾地使用水車或風車。

在此時，兩種能源是分開的：木頭和煤炭不做機械功，風力、水力和公牛不產生取暖所需的熱量。

數年后，蒸汽開始把熱轉化成功，世界就再也不復從前的模樣了。紐科門發(fā)動機是第一臺可以做熱—功轉換的實用設備，在熱—功轉換的創(chuàng)新者名單中，托馬斯·紐科門是第一個候選人。

我們沒有紐科門的畫像，他于1729年在倫敦北部的伊斯林頓去世，并且葬在了伊斯林頓某個無名墓地之中?？赡苁撬撵`感來源的丹尼斯·帕潘，也在距離那里不遠的地方靜靜地躺在某個無名墓地之中。

唯一算是得到善終的只有托馬斯·薩弗里，他于1715年在威斯敏斯特附近去世。做了幾年鄰居并且?guī)缀跏峭瑫r代的這三個人（帕潘生于1647年，薩弗里可能生于1650年左右，紐科門生于1663年）在熱—功轉換中都發(fā)揮了關鍵作用，但是他們可能素未謀面。

從智慧和聲譽方面來說，丹尼斯·帕潘都是一個明星。他與那個時代很多偉大的科學家都共事過。于盧瓦爾河畔的布盧瓦出生的帕潘在大學學習的是醫(yī)學。

1672年，荷蘭偉大的自然哲學家，同時也是巴黎科學院院長的克里斯蒂安.惠更斯聘請帕潘做自己的助手，與另外一個聰明的年輕人戈特弗里德·萊布尼茨一起工作。3年后，為逃脫法國國王路易十四（Louis XIV）的反新教迫害，帕潘流亡倫敦。

惠更斯聘請帕潘來探討一個想法，用氣缸中火藥爆炸所產生的真空來驅動機器（從時間上看，這個想法是內燃機的祖先），帕潘很快就意識到蒸汽冷凝可能會更有效。

他甚至在1690—1695年的某個時刻，自己建造了一個簡易活塞和氣缸，蒸汽在冷卻時冷凝，從而使得活塞突然前沖或下降，并借此利用滑輪提起一定的重物。他發(fā)現了氣體發(fā)動機的原理，一旦在活塞下制造出了真空，這個發(fā)動機中空氣的重量就會做功。這是一個通過吸入氣體而非吹出氣體來發(fā)揮作用的機器。

1698年夏，萊布尼茨同帕潘通了信，就發(fā)動機的后一種設計方式進行了交流，發(fā)動機可以通過對火的使用來排水，因為礦井是畜力難以發(fā)揮作用且燃料十分豐富的地方。礦工們卻一直飽受礦井滲水之苦，從礦井中抽水是需要解決的首要問題。

然而，帕潘已經在夢想著用蒸汽來為船提供動力了?！拔蚁嘈?，除了排水之外，這個發(fā)明可以用于很多其他的事情，”他在給萊布尼茨的信中寫道，“至于水上交通，我自以為如果能夠找到足夠的支持，我會很快地實現這個目標?！?/p>

1698年7月25日，帕潘寫信給萊布尼茨討論他的蒸汽船設計的那一天，薩弗里在“利用火產生的推力來排水”上獲得了為期14年的專利。1699年，這項專利又被延長了21年，也就是截至1733年。

薩弗里的機器工作原理如下：

置于火上的一個銅管爐把蒸汽送入一個稱為接收器的注滿水的罐子里，進入罐子的蒸汽通過一個逆止閥把水排入銅管。

一旦接收器充滿了蒸汽，來自銅管爐的蒸汽供給便會被切斷，并且接收器被噴灑上冷水，接收器內的蒸汽開始坍縮，并產生出真空。銅管爐通過另外一個管子從下面吸入水，然后再次開始上述循環(huán)。

第一個夢想著可以將蒸汽力量用于實際生產而非娛樂消遣的人是帕潘，把類似的夢想變成了機器的是薩弗里，而紐科門則制造了一種實用的機器，真正發(fā)揮了作用。

托馬斯·紐科門是一位鐵器商，來自德文郡達特茅斯，這在當時更像是一個工程師或鐵匠。1685年，他與玻璃工或管道工約翰·卡利合伙做生意。

那么，紐科門是如何在1712年，也就是帕潘過世的那一年，實現了對蒸汽機完全成熟的設計的？

一個叫馬丁·特里弗德的瑞典人，似乎是唯一真正了解紐科門的人。他與紐科門和卡利一起合作過，在把這種技術帶回瑞典之前，他們在紐卡斯爾建造了好幾個早期的蒸汽機。

根據他的描述，在制造出一個可行的機器之前，紐科門就對蒸汽開展了長時間的試驗，并且當冷水注入氣缸中時，他發(fā)現了一個意外的突破：

在連續(xù)十年的時間里，紐科門先生一直致力于研究這個從未顯示出預期效果的火力機器，除非萬能的“上帝”安排一件幸運的事情發(fā)生（讓它奏效）。

在最后一次嘗試讓這臺機器工作時，隨后的奇怪事件突然導致了遠遠超過預期的效果。

冷水流入包裹著氣缸的鉛制殼體，刺穿了機器上一個用錫焊料修補的缺口。蒸汽產生的熱量導致錫焊料熔化，因而給冷水開辟了一條通路，它涌入了氣缸之中并且迅速地讓蒸汽冷凝，因而產生了真空，真空讓附加在小梁上的重量，也就是水泵里水的重量顯得微不足道。

結果空氣對活塞施加了巨大的壓力，居然讓活塞鏈都斷裂了，活塞撞壞了氣缸的底部和小鍋爐的蓋子，熱水流得到處都是。

所有旁觀者都確信，他們發(fā)現了一種迄今為止在本質上完全不為人所知的無比強大的力量。

紐科門的設計是通過噴射冷水使蒸汽在氣缸中坍縮，然后通過活塞和橫梁杠桿將大氣坍縮下的真空能量傳遞給泵，這種機制要比薩弗里的設計更加安全，也更強勁。

世界上第一臺真正工作的紐科門發(fā)動機，是于1712年在沃里克郡的達德利城堡附近制造的。據特里弗德說，它每分鐘可以抽水12次，每次10加侖，因而從煤礦中抽水的高度可以達到150英尺。

1719年，托馬斯·巴尼給這個機器繪制了一幅版畫，展現出了它精美的復雜性，羅爾特認為，這與“薩弗里粗糙的抽水機或帕潘的科學玩具”存在著本質的差別。他接著寫道：“一項如此重要的發(fā)明被一個人如此迅速地開發(fā)成如此完善的形式，這在技術史上是很罕見的?！?/p>

紐科門蒸汽機是“現代世界之母”，它開創(chuàng)了一個新的時代，技術開始拓展人類的工作，并釋放出巨大的生產力，從枯燥繁重的耕作、盥洗和濟貧院的苦差中解放了越來越多的勞動力。

這是一項關鍵的創(chuàng)新。若按照今天的標準，紐科門蒸汽機是一個龐然大物。

它有一間小屋子那么大，冒著黑煙，叮叮當當地響個不停，還發(fā)出笨重的嘶嘶聲，燃煤所產生的能量大約99%都被浪費掉了。

還要再等數十年的時間，詹姆斯·瓦特的分離式冷凝器、飛輪和傳動軸，以及其他改進才會出現，從而使它的應用領域不再局限于燃料便宜的煤礦開采。

可能在1715年或1716年左右，英格蘭煤炭商里德利家族雇用了紐科門合作伙伴約翰·卡利的兒子——十幾歲的山姆·卡利，讓他北上并在拜克（Byker）制造蒸汽機，目的是排空讓前兩個所有者破產的礦井中的滲水。

如果工程師約翰·斯密頓的說法可信的話，那么，這臺機器可能是世界上的第三臺或第四臺。為獲得使用這種設計的許可，里德利家族每年向薩弗里的繼承人支付400英鎊的巨款作為專利使用費，并且在制造第一臺蒸汽機上花費了大約1000英鎊。

隨著第一臺蒸汽機建造成功，里德利家族訂購了更多的蒸汽機，到1733年，也就是薩弗里的專利到期的時候，拜克已經有了兩臺，希頓（Heaton）有三臺，杰斯蒙德（Jesmond）和南戈斯福斯（South Gosforth）各有一臺。

瓦特帶來了什么變化？

1763年，一個名叫詹姆斯·瓦特的嫻熟且心靈手巧的蘇格蘭儀器制造師，被要求去維修一臺隸屬于格拉斯哥大學的紐科門蒸汽機，這個東西只能勉強工作。

在努力找出問題的過程中，瓦特意識到，一般的紐科門蒸汽機存在著很早就應該被發(fā)現的一些問題：在每次重新加熱氣缸的循環(huán)中要浪費掉蒸汽所產生的能量的3/4，每一次都要重新注水來讓氣缸冷卻以冷凝蒸汽。

瓦特有了一個利用分離式冷凝器的簡單想法，這樣氣缸就可以一直保持高溫，同時蒸汽被排入一個更冷的容器中進行冷凝。他一舉提高了這種蒸汽機的效率，雖然在當時，他花了幾個月的時間才把金屬加工的想法變成了實用的設備。

在用一個小型測試蒸汽機演示了這個原理之后，瓦特首先與約翰·羅巴克合作獲得了專利，然后又與企業(yè)家馬修.博爾頓共同建造了原尺寸的蒸汽機。

1776年3月8日，也就是由另一個蘇格蘭人亞當·斯密撰寫的《國富論》（The Wealth of Nations）出版的前一天，他們揭開了這臺機器的面紗。

博爾頓想讓瓦特開發(fā)一種方法，把活塞的上下運動轉變成圍繞軸的圓周運動，從而能夠讓面粉廠和其他工廠也可以使用傳動軸。曲軸和飛輪的專利已經被詹姆斯·皮卡德申請了，這在一段時間內使瓦特陷入困境，并且迫使他去開發(fā)一個名為行星齒輪的替代系統(tǒng)。

反過來說，曲軸的想法，也是皮卡德從博爾頓自己位于蘇豪區(qū)工廠的一個不忠誠且喝醉酒的雇員那里得到的，從而使得這個簡單設備的身世從一開始就陷入困惑之中。

這個專利的例子阻礙了對蒸汽機的改善，就像薩弗里的專利阻礙了紐科門蒸汽機的改善一樣，但是瓦特本身滿腔熱忱地捍衛(wèi)著自己的專利，博爾頓擅長利用他的政治關系網為瓦特的各種發(fā)明獲得更長期和廣泛的專利。

到底在多大程度上，瓦特的訴訟延緩了蒸汽作為工廠動力來源的發(fā)展？這是一個很有爭議的問題，但是1800年主專利到期與對蒸汽進行試驗和應用的迅速擴張，卻是同時發(fā)生的。

一份刊物的出版促成了蒸汽機效率的持續(xù)、穩(wěn)步提高，并讓蒸汽機開始向其他行業(yè)滲透，就如同一場開源軟件運動那樣。這份由康沃爾采礦工程師約翰·萊恩創(chuàng)辦的《萊恩蒸汽機報告》（Lean’s Engine Reporter）傳播、擴散了很多不同的工程師在改良蒸汽機上的建議。

瓦特于1819年去世，5年后，人們捐資給他建了一個紀念碑，這在那個時代是不尋常的，因為絕大多數紀念碑都是給那些贏得了戰(zhàn)爭的人樹立的。

《化學家》（The Chemist）這本期刊的編輯曾這樣極富見地地說道：“他和其他公共捐助人截然不同的是，他從來沒有把讓公眾受益作為他的目標，或者假裝這樣做……這個沒有裝模作樣的人實際上賦予世界的好處，要多于所有那些數個世紀以來把照顧公眾的福祉當作自己專門業(yè)務的人?！?/p>

一段時間之后，一種能源革新出現了，它成為整個能源領域發(fā)明的象征，那就是白熾燈。

白熾燈的一個創(chuàng)新者，居住在距離泰恩河只有幾英里距離的蓋茨黑德（Gateshead），他就是約瑟夫·威爾森·史旺。

1879年2月3日這一天，在700名觀眾的注視下，史旺在紐卡斯爾的文學和哲學學會首先展示了他可以讓電流通過碳絲真空玻璃燈泡照亮他做演講的那個房間。

當時已經使用電力來照明了，采用的形式是弧光燈。問題在于，它非常亮。史旺正試圖解決的問題是光的“細分”，把電流分成小電子流，生成眾多光源以產生溫和的光照。

實現在真空中對一條發(fā)光的金屬線或細絲通電又不至于讓它燒毀是至關重要的。在吹制的玻璃制品內產生足夠的真空，并找到一種可靠地充當細絲的材料，是史旺試圖解決的兩個問題。在1850年他提出第一個原型之后的20多年里，他的進展非常緩慢。

且慢，托馬斯·愛迪生不是發(fā)明了白熾燈嗎？

事實上，到19世紀70年代末，共有21個人都宣稱自己獨立地設計了或極大地改善了白熾燈泡，絕大多數人都是彼此獨立的，這還沒有把那些發(fā)明了協(xié)助生產燈泡的關鍵技術的人計算在內，比如施普倫格爾（Sprengel）的汞真空泵。

史旺是唯一一個工作足夠徹底并且專利足夠好的人，以至于愛迪生都不得不與他一起合作。

白熾燈的發(fā)明史遠非闡明了英雄般的發(fā)明者的重要性，而是講述了一個相反的故事，創(chuàng)新是一種漸進的、逐步提升的、集體性的過程，然而也必然是一個不可避免的過程，白熾燈不可阻擋地從當時各種技術的結合中出現。

鑒于其他技術的進步，它必定會在它該出現的時候出現。

不過坦白地說，愛迪生的名聲依舊當之無愧，雖然他可能并不是白熾燈絕大多數組成部分的第一個發(fā)明者，并且在很大程度上來說，1879年10月22日那個突然讓人發(fā)出驚呼的突破時刻的傳說，的確是建立在回顧性的造神運動的基礎之上的。

但他依然是把所有東西組合在一起的第一人，是把這些東西與生產和配送電力的系統(tǒng)組合在一起的第一人，因而也是用可行的電力系統(tǒng)技術對煤油燈和煤氣燈技術提出挑戰(zhàn)的第一人。

總而言之，靈光一現的說法更加讓人印象深刻，但這是虛榮心在作怪。人們喜歡被看作是才華橫溢的，而非僅僅是辛勤工作的。

愛迪生也正是那個讓白熾燈（幾乎）變得可靠的人。他自鳴得意地聲稱自己發(fā)明了一種燈泡，可以在出現故障之前可靠地持續(xù)工作很長時間，于是他開始瘋狂地尋找能夠證明他所言非虛的東西。在今天的硅谷，這被稱為“偽裝一切，直到成功”。

為了找到制作碳絲的理想材料，他測試了6000多種植物材料。

愛迪生苦苦地祈求著：“在全能之神的工作室的某個地方，有一種強大的纖維，具有幾何形狀，適合我們采用?！?880年8月2日，日本的竹子成為最后的贏家，它能夠持續(xù)工作1000多個小時。

托馬斯·愛迪生比任何人都明白，創(chuàng)新本身就是一種產品。

創(chuàng)新的產生是一種團隊工作，它需要反復試錯。他在電報業(yè)開始了自己的職業(yè)生涯，并且轉型到證券交易所制造股市行情自動記錄收報機，然后于1876年在新澤西的門羅帕克建立了一個實驗室，開始從事他所謂的“創(chuàng)新事業(yè)”，后來又搬到西奧蘭治的一家更大的機構里。

在這里，他組建了一個由200位技術嫻熟的工匠和科學家組成的團隊，并讓他們夜以繼日地工作。前員工尼古拉·特斯拉發(fā)明了交流電，愛迪生對他發(fā)起了長期的攻擊，實際上并沒什么正當的理由，僅僅是因為這項發(fā)明是特斯拉而非愛迪生自己做出的。

愛迪生的方法奏效了，在6年的時間里，他注冊了400項專利。他仍然不屈不撓地聚焦于找到世界所需要的東西，然后發(fā)明一些方式來滿足這種需求，而非反過來。

發(fā)明的方法總是伴隨著反復試錯的過程。

在開發(fā)鎳鐵蓄電池的過程中，愛迪生的員工進行了5萬次實驗。他的工作室塞滿了各種材料、工具和圖書。他最著名的一句話就是，發(fā)明是1%的靈感加上99%的汗水。

實際上與其說他所從事的是發(fā)明，倒不如說是創(chuàng)新，是把想法變成切實可行的、可靠的且經濟實惠的現實。

相較于白熾燈這項創(chuàng)新所展示出來的漸進性本質而言，創(chuàng)新的結果就是顛覆性地變革了人們的生活方式。人工照明是文明最偉大的禮物之一，而讓它變得便宜的恰恰是白熾燈。

在1880年，工作1分鐘所獲得的平均工資，可以讓你從一盞煤油燈上獲得4分鐘的光亮;到了1950年，工作1分鐘所得到的平均工資，相當于用白熾燈提供超過7個小時的照明費用。到了2000年，這個時長達到了120個小時。

人工照明第一次進入普通人的生活，它驅散了冬夜的寒冷，同時也增加了閱讀和學習的機會，順帶說一句，這也降低了火災的風險。這種創(chuàng)新并不存在顯著的負面影響。

白熾燈占據統(tǒng)治地位達一個世紀之久，并一直持續(xù)到21世紀的頭十年。當它讓位于新技術時，這也是在脅迫之下而出現的，是不得已而為之。也就是說，它必須被禁止了，因為它的替代品太受歡迎了。

2010年左右，為削減二氧化碳排放，全球各國政府在緊湊型熒光燈泡（節(jié)能燈）制造商的游說下做出了決定，以法令的形式“逐步淘汰”白熾燈，這被證明是一種愚蠢的行為。

緊湊型熒光燈這個替代品需要太長的時間預熱，并不像廣告所說的那樣持久耐用，而且廢品的處置也會帶來一定的害處，它們還昂貴得多。單就英國這一個國家的支出來說，強制購買所支付的費用，以及伴隨這種購買而出現的補貼估計，就達到27.5億英鎊左右。

如果政府能夠多等幾年的話，它們會發(fā)現出現了一個更好的替代品，它就是發(fā)光二極管。

在白熾燈和緊湊型熒光燈都被迅速地拋棄之前，緊湊型熒光燈只維持了6年的統(tǒng)治地位，廠商們也因為發(fā)光二極管成本的下降和質量的提升而停止生產這兩種燈泡了。

這就好像是政府在1900年強迫人們去購買蒸汽汽車，而不是等待擁有更好的內燃機車輛一樣。

發(fā)光二極管燈（以下稱LED燈）實際上蓄勢待發(fā)很久了。

它背后的現象是半導體有時候在導電時會發(fā)出暗淡的光，這種現象于1907年在英國被首次觀測到，并且蘇聯(lián)于1927年首次進行了研究。

1962年，通用電氣一個名為尼克·何倫亞克的科學家，無意中發(fā)現了用砷化鎵磷化物制造出能發(fā)明亮紅光的發(fā)光二極管的方法，他當時正嘗試著開發(fā)一種新型激光。

能發(fā)黃光的發(fā)光二極管很快就在孟山都的實驗室里制造了出來，到20世紀80年代，手表、交通信號燈和電路板中已經用上了發(fā)光二極管。

在日本日亞化學工作的中村修二于1993年用氮化鎵開發(fā)出發(fā)藍光的發(fā)光二極管之前，人們一直認為發(fā)光二極管是不可能發(fā)出白光的，這使得LED燈一直未進入主流的照明領域。

人們用了20年時間才把這種固態(tài)照明的價格降到合理的水平。

如今這種情況已經發(fā)生了，不過它的影響是顯著的。

LED燈的耗電量特別小，甚至沒有連接電網的家庭也可以使用太陽能電池板實現很好的照明，這對于貧窮國家那些位于偏遠地區(qū)的房屋來說是一個寶貴的禮物。它們讓智能手機里有了明亮的閃光燈。

它們的散熱量非常小，從而使得在室內大規(guī)模種植生菜和草本植物的“立體”農業(yè)成為可能，尤其是在利用可調諧的發(fā)光二極管來產生最適合光合作用的波長方面。

創(chuàng)新是一項團隊活動、一項集體性事業(yè)，它遠不止人們普遍認知的那樣，很少有人是單打獨斗的，創(chuàng)新的功勞和署名資格是令人困惑又充滿神秘感的。

然而與絕大多數團隊活動不同的是，創(chuàng)新通常不是一項精心設計的、有計劃的或者可以管理的事情。

創(chuàng)新主要通過試錯得以運行，這是自然選擇的人類版本，并且它通常是伴隨著在尋找其他東西時出現的巨大突破而被無意中發(fā)現的：它是非常偶然的。

本文選編自《創(chuàng)新的起源：一部科學技術進步史》，馬特·里德利著，王大鵬、張智慧譯，機械工業(yè)出版社授權刊載，2021 年6 月出版。