瓦特和爱迪生背后的人

创新最惊人之处在于它依然如此神秘莫测。

没有一位经济学家或者社会科学家，可以完全理解为何创新会发生，更不要说它为何会在某时于某处发生了。

就创新而言，人类历史上最重要的事件，也许是1700年左右发生在西北欧的某个地方，由某个或某些法国人或英国人做出来的。

为何如此含糊不清？因为当时没有人注意到或认识到它的重要性。至于几个候选人中谁的贡献最大，人们也同样存在着困惑。这是一个循序渐进的、跌跌撞撞的变化，没有顿悟的时刻。这些特征都是创新的典型表现。

那时候，人类第一次通过控制热量的转换来做功。

若预言工业革命必然会出现的话，那么这就是让工业革命成为可能的关键突破口，因而也促进了现代世界的繁荣。

1700年之前，人类使用热和功这两种主要能源（光主要来自热），人们依靠燃烧木头或煤炭来取暖和烹饪，他们还用自己的体力或马以及公牛的体力来移动物体，也就是做功，或者极偶尔地使用水车或风车。

在此时，两种能源是分开的：木头和煤炭不做机械功，风力、水力和公牛不产生取暖所需的热量。

数年后，蒸汽开始把热转化成功，世界就再也不复从前的模样了。纽科门发动机是第一台可以做热—功转换的实用设备，在热—功转换的创新者名单中，托马斯·纽科门是第一个候选人。

我们没有纽科门的画像，他于1729年在伦敦北部的伊斯林顿去世，并且葬在了伊斯林顿某个无名墓地之中。可能是他的灵感来源的丹尼斯·帕潘，也在距离那里不远的地方静静地躺在某个无名墓地之中。

唯一算是得到善终的只有托马斯·萨弗里，他于1715年在威斯敏斯特附近去世。做了几年邻居并且几乎是同时代的这三个人（帕潘生于1647年，萨弗里可能生于1650年左右，纽科门生于1663年）在热—功转换中都发挥了关键作用，但是他们可能素未谋面。

从智慧和声誉方面来说，丹尼斯·帕潘都是一个明星。他与那个时代很多伟大的科学家都共事过。于卢瓦尔河畔的布卢瓦出生的帕潘在大学学习的是医学。

1672年，荷兰伟大的自然哲学家，同时也是巴黎科学院院长的克里斯蒂安.惠更斯聘请帕潘做自己的助手，与另外一个聪明的年轻人戈特弗里德·莱布尼茨一起工作。3年后，为逃脱法国国王路易十四（Louis XIV）的反新教迫害，帕潘流亡伦敦。

惠更斯聘请帕潘来探讨一个想法，用气缸中火药爆炸所产生的真空来驱动机器（从时间上看，这个想法是内燃机的祖先），帕潘很快就意识到蒸汽冷凝可能会更有效。

他甚至在1690—1695年的某个时刻，自己建造了一个简易活塞和气缸，蒸汽在冷却时冷凝，从而使得活塞突然前冲或下降，并借此利用滑轮提起一定的重物。他发现了气体发动机的原理，一旦在活塞下制造出了真空，这个发动机中空气的重量就会做功。这是一个通过吸入气体而非吹出气体来发挥作用的机器。

1698年夏，莱布尼茨同帕潘通了信，就发动机的后一种设计方式进行了交流，发动机可以通过对火的使用来排水，因为矿井是畜力难以发挥作用且燃料十分丰富的地方。矿工们却一直饱受矿井渗水之苦，从矿井中抽水是需要解决的首要问题。

然而，帕潘已经在梦想着用蒸汽来为船提供动力了。“我相信，除了排水之外，这个发明可以用于很多其他的事情，”他在给莱布尼茨的信中写道，“至于水上交通，我自以为如果能够找到足够的支持，我会很快地实现这个目标。”

1698年7月25日，帕潘写信给莱布尼茨讨论他的蒸汽船设计的那一天，萨弗里在“利用火产生的推力来排水”上获得了为期14年的专利。1699年，这项专利又被延长了21年，也就是截至1733年。

萨弗里的机器工作原理如下：

置于火上的一个铜管炉把蒸汽送入一个称为接收器的注满水的罐子里，进入罐子的蒸汽通过一个逆止阀把水排入铜管。

一旦接收器充满了蒸汽，来自铜管炉的蒸汽供给便会被切断，并且接收器被喷洒上冷水，接收器内的蒸汽开始坍缩，并产生出真空。铜管炉通过另外一个管子从下面吸入水，然后再次开始上述循环。

第一个梦想着可以将蒸汽力量用于实际生产而非娱乐消遣的人是帕潘，把类似的梦想变成了机器的是萨弗里，而纽科门则制造了一种实用的机器，真正发挥了作用。

托马斯·纽科门是一位铁器商，来自德文郡达特茅斯，这在当时更像是一个工程师或铁匠。1685年，他与玻璃工或管道工约翰·卡利合伙做生意。

那么，紐科门是如何在1712年，也就是帕潘过世的那一年，实现了对蒸汽机完全成熟的设计的？

一个叫马丁·特里弗德的瑞典人，似乎是唯一真正了解纽科门的人。他与纽科门和卡利一起合作过，在把这种技术带回瑞典之前，他们在纽卡斯尔建造了好几个早期的蒸汽机。

根据他的描述，在制造出一个可行的机器之前，纽科门就对蒸汽开展了长时间的试验，并且当冷水注入气缸中时，他发现了一个意外的突破：

在连续十年的时间里，纽科门先生一直致力于研究这个从未显示出预期效果的火力机器，除非万能的“上帝”安排一件幸运的事情发生（让它奏效）。

在最后一次尝试让这台机器工作时，随后的奇怪事件突然导致了远远超过预期的效果。

冷水流入包裹着气缸的铅制壳体，刺穿了机器上一个用锡焊料修补的缺口。蒸汽产生的热量导致锡焊料熔化，因而给冷水开辟了一条通路，它涌入了气缸之中并且迅速地让蒸汽冷凝，因而产生了真空，真空让附加在小梁上的重量，也就是水泵里水的重量显得微不足道。

结果空气对活塞施加了巨大的压力，居然让活塞链都断裂了，活塞撞坏了气缸的底部和小锅炉的盖子，热水流得到处都是。

所有旁观者都确信，他们发现了一种迄今为止在本质上完全不为人所知的无比强大的力量。

纽科门的设计是通过喷射冷水使蒸汽在气缸中坍缩，然后通过活塞和横梁杠杆将大气坍缩下的真空能量传递给泵，这种机制要比萨弗里的设计更加安全，也更强劲。

世界上第一台真正工作的纽科门发动机，是于1712年在沃里克郡的达德利城堡附近制造的。据特里弗德说，它每分钟可以抽水12次，每次10加仑，因而从煤矿中抽水的高度可以达到150英尺。

1719年，托马斯·巴尼给这个机器绘制了一幅版画，展现出了它精美的复杂性，罗尔特认为，这与“萨弗里粗糙的抽水机或帕潘的科学玩具”存在着本质的差别。他接着写道：“一项如此重要的发明被一个人如此迅速地开发成如此完善的形式，这在技术史上是很罕见的。”

纽科门蒸汽机是“现代世界之母”，它开创了一个新的时代，技术开始拓展人类的工作，并释放出巨大的生产力，从枯燥繁重的耕作、盥洗和济贫院的苦差中解放了越来越多的劳动力。

这是一项关键的创新。若按照今天的标准，纽科门蒸汽机是一个庞然大物。

它有一间小屋子那么大，冒着黑烟，叮叮当当地响个不停，还发出笨重的嘶嘶声，燃煤所产生的能量大约99%都被浪费掉了。

还要再等数十年的时间，詹姆斯·瓦特的分离式冷凝器、飞轮和传动轴，以及其他改进才会出现，从而使它的应用领域不再局限于燃料便宜的煤矿开采。

可能在1715年或1716年左右，英格兰煤炭商里德利家族雇用了纽科门合作伙伴约翰·卡利的儿子——十几岁的山姆·卡利，让他北上并在拜克（Byker）制造蒸汽机，目的是排空让前两个所有者破产的矿井中的渗水。

如果工程师约翰·斯密顿的说法可信的话，那么，这台机器可能是世界上的第三台或第四台。为获得使用这种设计的许可，里德利家族每年向萨弗里的继承人支付400英镑的巨款作为专利使用费，并且在制造第一台蒸汽机上花费了大约1000英镑。

随着第一台蒸汽机建造成功，里德利家族訂购了更多的蒸汽机，到1733年，也就是萨弗里的专利到期的时候，拜克已经有了两台，希顿（Heaton）有三台，杰斯蒙德（Jesmond）和南戈斯福斯（South Gosforth）各有一台。

瓦特带来了什么变化？

1763年，一个名叫詹姆斯·瓦特的娴熟且心灵手巧的苏格兰仪器制造师，被要求去维修一台隶属于格拉斯哥大学的纽科门蒸汽机，这个东西只能勉强工作。

在努力找出问题的过程中，瓦特意识到，一般的纽科门蒸汽机存在着很早就应该被发现的一些问题：在每次重新加热气缸的循环中要浪费掉蒸汽所产生的能量的3/4，每一次都要重新注水来让气缸冷却以冷凝蒸汽。

瓦特有了一个利用分离式冷凝器的简单想法，这样气缸就可以一直保持高温，同时蒸汽被排入一个更冷的容器中进行冷凝。他一举提高了这种蒸汽机的效率，虽然在当时，他花了几个月的时间才把金属加工的想法变成了实用的设备。

在用一个小型测试蒸汽机演示了这个原理之后，瓦特首先与约翰·罗巴克合作获得了专利，然后又与企业家马修.博尔顿共同建造了原尺寸的蒸汽机。

1776年3月8日，也就是由另一个苏格兰人亚当·斯密撰写的《国富论》（The Wealth of Nations）出版的前一天，他们揭开了这台机器的面纱。

博尔顿想让瓦特开发一种方法，把活塞的上下运动转变成围绕轴的圆周运动，从而能够让面粉厂和其他工厂也可以使用传动轴。曲轴和飞轮的专利已经被詹姆斯·皮卡德申请了，这在一段时间内使瓦特陷入困境，并且迫使他去开发一个名为行星齿轮的替代系统。

反过来说，曲轴的想法，也是皮卡德从博尔顿自己位于苏豪区工厂的一个不忠诚且喝醉酒的雇员那里得到的，从而使得这个简单设备的身世从一开始就陷入困惑之中。

这个专利的例子阻碍了对蒸汽机的改善，就像萨弗里的专利阻碍了纽科门蒸汽机的改善一样，但是瓦特本身满腔热忱地捍卫着自己的专利，博尔顿擅长利用他的政治关系网为瓦特的各种发明获得更长期和广泛的专利。

到底在多大程度上，瓦特的诉讼延缓了蒸汽作为工厂动力来源的发展？这是一个很有争议的问题，但是1800年主专利到期与对蒸汽进行试验和应用的迅速扩张，却是同时发生的。

一份刊物的出版促成了蒸汽机效率的持续、稳步提高，并让蒸汽机开始向其他行业渗透，就如同一场开源软件运动那样。这份由康沃尔采矿工程师约翰·莱恩创办的《莱恩蒸汽机报告》（Lean’s Engine Reporter）传播、扩散了很多不同的工程师在改良蒸汽机上的建议。

瓦特于1819年去世，5年后，人们捐资给他建了一个纪念碑，这在那个时代是不寻常的，因为绝大多数纪念碑都是给那些赢得了战争的人树立的。

《化学家》（The Chemist）这本期刊的编辑曾这样极富见地地说道：“他和其他公共捐助人截然不同的是，他从来没有把让公众受益作为他的目标，或者假装这样做……这个没有装模作样的人实际上赋予世界的好处，要多于所有那些数个世纪以来把照顾公众的福祉当作自己专门业务的人。”

一段时间之后，一种能源革新出现了，它成为整个能源领域发明的象征，那就是白炽灯。

白炽灯的一个创新者，居住在距离泰恩河只有几英里距离的盖茨黑德（Gateshead），他就是约瑟夫·威尔森·史旺。

1879年2月3日这一天，在700名观众的注视下，史旺在纽卡斯尔的文学和哲学学会首先展示了他可以让电流通过碳丝真空玻璃灯泡照亮他做演讲的那个房间。

当时已经使用电力来照明了，采用的形式是弧光灯。问题在于，它非常亮。史旺正试图解决的问题是光的“细分”，把电流分成小电子流，生成众多光源以产生温和的光照。

实现在真空中对一条发光的金属线或细丝通电又不至于让它烧毁是至关重要的。在吹制的玻璃制品内产生足够的真空，并找到一种可靠地充当细丝的材料，是史旺试图解决的两个问题。在1850年他提出第一个原型之后的20多年里，他的进展非常缓慢。

且慢，托马斯·爱迪生不是发明了白炽灯吗？

事实上，到19世纪70年代末，共有21个人都宣称自己独立地设计了或极大地改善了白炽灯泡，绝大多数人都是彼此独立的，这还没有把那些发明了协助生产灯泡的关键技术的人计算在内，比如施普伦格尔（Sprengel）的汞真空泵。

史旺是唯一一个工作足够彻底并且专利足够好的人，以至于爱迪生都不得不与他一起合作。

白炽灯的发明史远非阐明了英雄般的发明者的重要性，而是讲述了一个相反的故事，创新是一种渐进的、逐步提升的、集体性的过程，然而也必然是一个不可避免的过程，白炽灯不可阻挡地从当时各种技术的结合中出现。

鉴于其他技术的进步，它必定会在它该出现的时候出现。

不过坦白地说，爱迪生的名声依旧当之无愧，虽然他可能并不是白炽灯绝大多数组成部分的第一个发明者，并且在很大程度上来说，1879年10月22日那个突然让人发出惊呼的突破时刻的传说，的确是建立在回顾性的造神运动的基础之上的。

但他依然是把所有东西组合在一起的第一人，是把这些东西与生产和配送电力的系统组合在一起的第一人，因而也是用可行的电力系统技术对煤油灯和煤气灯技术提出挑战的第一人。

总而言之，灵光一现的说法更加让人印象深刻，但这是虚荣心在作怪。人们喜欢被看作是才华横溢的，而非仅仅是辛勤工作的。

爱迪生也正是那个让白炽灯（几乎）变得可靠的人。他自鸣得意地声称自己发明了一种灯泡，可以在出现故障之前可靠地持续工作很长时间，于是他开始疯狂地寻找能够证明他所言非虚的东西。在今天的硅谷，这被称为“伪装一切，直到成功”。

为了找到制作碳丝的理想材料，他测试了6000多种植物材料。

爱迪生苦苦地祈求着：“在全能之神的工作室的某个地方，有一种强大的纤维，具有几何形状，适合我们采用。”1880年8月2日，日本的竹子成为最后的赢家，它能够持续工作1000多个小时。

托马斯·爱迪生比任何人都明白，创新本身就是一种产品。

创新的产生是一种团队工作，它需要反复试错。他在电报业开始了自己的职业生涯，并且转型到证券交易所制造股市行情自动记录收报机，然后于1876年在新泽西的门罗帕克建立了一个实验室，开始从事他所谓的“创新事业”，后来又搬到西奥兰治的一家更大的机构里。

在这里，他组建了一个由200位技术娴熟的工匠和科学家组成的团队，并让他们夜以继日地工作。前员工尼古拉·特斯拉发明了交流电，爱迪生对他发起了长期的攻击，实际上并没什么正当的理由，仅仅是因为这项发明是特斯拉而非爱迪生自己做出的。

爱迪生的方法奏效了，在6年的时间里，他注册了400项专利。他仍然不屈不挠地聚焦于找到世界所需要的东西，然后发明一些方式来满足这种需求，而非反过来。

发明的方法总是伴随着反复试错的过程。

在开发镍铁蓄电池的过程中，爱迪生的员工进行了5万次实验。他的工作室塞满了各种材料、工具和图书。他最著名的一句话就是，发明是1%的灵感加上99%的汗水。

实际上与其说他所从事的是发明，倒不如说是创新，是把想法变成切实可行的、可靠的且经济实惠的现实。

相较于白炽灯这项创新所展示出来的渐进性本质而言，创新的结果就是颠覆性地变革了人们的生活方式。人工照明是文明最伟大的礼物之一，而让它变得便宜的恰恰是白炽灯。

在1880年，工作1分钟所获得的平均工资，可以让你从一盏煤油灯上获得4分钟的光亮;到了1950年，工作1分钟所得到的平均工资，相当于用白炽灯提供超过7个小时的照明费用。到了2000年，这个时长达到了120个小时。

人工照明第一次进入普通人的生活，它驱散了冬夜的寒冷，同时也增加了阅读和学习的机会，顺带说一句，这也降低了火灾的风险。这种创新并不存在显著的负面影响。

白炽灯占据统治地位达一个世纪之久，并一直持续到21世纪的头十年。当它让位于新技术时，这也是在胁迫之下而出现的，是不得已而为之。也就是说，它必须被禁止了，因为它的替代品太受欢迎了。

2010年左右，为削减二氧化碳排放，全球各国政府在紧凑型荧光灯泡（节能灯）制造商的游说下做出了决定，以法令的形式“逐步淘汰”白炽灯，这被证明是一种愚蠢的行为。

紧凑型荧光灯这个替代品需要太长的时间预热，并不像广告所说的那样持久耐用，而且废品的处置也会带来一定的害处，它们还昂贵得多。单就英国这一个国家的支出来说，强制购买所支付的费用，以及伴随这种购买而出现的补贴估计，就达到27.5亿英镑左右。

如果政府能够多等几年的话，它们会发现出现了一个更好的替代品，它就是发光二极管。

在白炽灯和紧凑型荧光灯都被迅速地抛弃之前，紧凑型荧光灯只维持了6年的统治地位，厂商们也因为发光二极管成本的下降和质量的提升而停止生产这两种灯泡了。

这就好像是政府在1900年强迫人们去购买蒸汽汽车，而不是等待拥有更好的内燃机车辆一样。

發光二极管灯（以下称LED灯）实际上蓄势待发很久了。

它背后的现象是半导体有时候在导电时会发出暗淡的光，这种现象于1907年在英国被首次观测到，并且苏联于1927年首次进行了研究。

1962年，通用电气一个名为尼克·何伦亚克的科学家，无意中发现了用砷化镓磷化物制造出能发明亮红光的发光二极管的方法，他当时正尝试着开发一种新型激光。

能发黄光的发光二极管很快就在孟山都的实验室里制造了出来，到20世纪80年代，手表、交通信号灯和电路板中已经用上了发光二极管。

在日本日亚化学工作的中村修二于1993年用氮化镓开发出发蓝光的发光二极管之前，人们一直认为发光二极管是不可能发出白光的，这使得LED灯一直未进入主流的照明领域。

人们用了20年时间才把这种固态照明的价格降到合理的水平。

如今这种情况已经发生了，不过它的影响是显著的。

LED灯的耗电量特别小，甚至没有连接电网的家庭也可以使用太阳能电池板实现很好的照明，这对于贫穷国家那些位于偏远地区的房屋来说是一个宝贵的礼物。它们让智能手机里有了明亮的闪光灯。

它们的散热量非常小，从而使得在室内大规模种植生菜和草本植物的“立体”农业成为可能，尤其是在利用可调谐的发光二极管来产生最适合光合作用的波长方面。

创新是一项团队活动、一项集体性事业，它远不止人们普遍认知的那样，很少有人是单打独斗的，创新的功劳和署名资格是令人困惑又充满神秘感的。

然而与绝大多数团队活动不同的是，创新通常不是一项精心设计的、有计划的或者可以管理的事情。

创新主要通过试错得以运行，这是自然选择的人类版本，并且它通常是伴随着在寻找其他东西时出现的巨大突破而被无意中发现的：它是非常偶然的。

本文选编自《创新的起源：一部科学技术进步史》，马特·里德利著，王大鹏、张智慧译，机械工业出版社授权刊载，2021 年6 月出版。