瓦特的蒸汽机：推动工业革命和人类文明进步

史海钩沉

1736年，瓦特出生在苏格兰一个机械工匠世家。长大后的瓦特在工厂做过短工、在钟表店当过学徒，还在大学负责修理教学仪器，也正是这些经历，让他积累了丰富的机械修理知识。

一次，瓦特接到修理纽科门蒸汽机的任务，这是世界上最早的蒸汽机。在修理过程中，瓦特发现纽科门蒸汽机因气缸时冷时热导致蒸汽利用率低，因活塞活动断断续续导致速度慢还容易漏气。他由此产生了改良蒸汽机的念头。瓦特认真研究了蒸汽机的结构和工作原理，并经常与大学的教授们进行讨论，为之后的改进工作奠定了理论基础。

瓦特很快获得了新的蒸汽机发明专利，但这并不意味着他的蒸汽机改良之路是一帆风顺的。1773年，瓦特接连遭遇人生重大打击——事业上的资助者约翰·罗巴克破产以及妻子去世。就在瓦特决定带着六个未成年的孩子奔赴俄国时，一名叫马修·博尔顿的工厂主挽留了他。

在重视专利保护的英国，瓦特的蒸汽机发明专利具有较大的价值。马修·博尔顿以1200英镑从罗巴克手中买到了专利份额，并全力支持瓦特改良蒸汽机。1781年，瓦特终于制造出了双动蒸汽机（又称万能蒸汽机）。这种从两边推动活塞的蒸汽机极大地提高了蒸汽的利用率，其工作原理一直沿用至今。

瓦特改良的蒸汽机很快被推广到全世界，并被广泛应用于采矿、纺织和冶金行业，极大地推动了工业的发展和人类文明的进步。为了纪念瓦特，人们把功率的单位定为“瓦特”。

溯源揽胜

16世纪以来，英国经济就已经开始表现出快速向前跃进的势头，但真正将英国推向世界前沿的是18世纪60年代开始的英国工业革命。这场革命以棉纺织业的技术革新为开端，以瓦特蒸汽机的改良和广泛使用为枢纽，以19世纪三四十年代机器制造业机械化的实现为基本完成的标志。

相较于在英国最发达却又最受政府严格控制的毛纺织业，新兴的棉纺织业没有传统的阻碍，反而具备良好的技术革新环境。18世纪以前，英国棉纺织业面临着原料靠进口、技术落后的艰难处境，为求生存，一场势在必行的技术革命在棉纺织业中开始了。

随着棉纺织机的发明和推广，原来依靠的人力、畜力、水力等动力已经不能满足新形势下的生产需求，蒸汽机虽然已经被发明出来，但笨重且效率低，只能在矿井中使用，难以推广到其他行业。在此背景之下，蒸汽机的革新成了一种迫切的需要。詹姆斯·瓦特总结了前人的经验，经过多次试验和不断改进，终于制成了万能蒸汽机。

瓦特改良的蒸汽机最早应用于轻工业。1782年，韦奇伍德的伊特鲁里亚陶瓷厂大规模采用博尔顿和瓦特的铸造厂生产的联协式蒸汽机，以及伯明翰厂生产的动力机床，进行机械化陶瓷生产。随后，蒸汽机又陆续用于棉纺织业、冶金业、采矿业、交通运输业等。1784年英国建立了第一座蒸汽纺纱厂，1814年英国工匠乔治·史蒂芬森研制出第一台蒸汽机车……瓦特改良的蒸汽机不仅推动了相关行业的机械化，也是人类第一次工业革命的重要标志，它使人类由以人力为主的手工劳动时代进入了机器大生产的蒸汽时代。

英国工业革命持续了近一百年，在此期间，各工业部门相互促进和推动，从轻工业到重工业、从工作机到发动机都发生了连锁反应，最终形成了一个机器生产的完整体系。它不仅使得英国的社会生产力迅猛发展，而且使英国成为世界第一工业大国和全球性帝国，它所取得的技术成果和经验惠及西欧和北美、东欧和亚洲。

1825年，英国解除机器输出的禁令，机器大量出口，新兴技术和技术人员向外流动，这直接导致其他资本主义国家工业革命周期的缩短。同时，英国工业革命也深刻影响了人类的技术革新。继蒸汽机发明后，其他动力技术也不断被发掘出来——叶轮机、汽油发动机、电动机等相继诞生，与此同时，伴随而来的还有汽车、飞机等的发明。可以说，工业革命的过程是技术不断革新、发明促进发明的过程，也是人类文明不断加速和跃进的过程。

知史明智

亚历山大大帝通过战争消除了古代世界的闭塞，促进了东西方文化的交流和经济的融合。战争在一定程度上推动了文明的交流，而技术的发展和革新是在根本上促进人类文明的整体进步和跃进。1851年，英国在伦敦举办了第一届世界博览会，向世界展示其工业革命的成功，并宣告英国“荣光”时代的到来。通过英国崛起的历史，我们可以清晰地看到科学技术对一个国家的繁荣富强起到的关键作用。

正如科技革命将英国推向世界第一工业大国的位置，也正是新一轮的科技革命让英国将世界的主导权交付给科技取得重大发展的美国。这些历史经验充分表明科技革命对世界格局变革和国家地位变化的重大意义。我国曾以“四大发明”等科技成果行走在世界前列，也因近代屡次错失工业革命的机会落后于其他国家。因此，掌握了核心科学技术，就是打开了走向时代前沿的大门。

科学技术是第一生产力，国家之间的竞争既是文明的竞争，也是科技力量的角逐，更是人才的竞争。我们设想一下，假如1773年陷入人生低谷的瓦特去了俄国，那对于英国而言该是何等的损失？挽留下瓦特的人虽然是马修·博尔顿，但起根本作用的还是英国对科技的崇尚、对专利的保护和对人才的重视，毕竟吸引马修·博尔顿的是瓦特手中持有的新蒸汽机发明专利。英国早在16世纪就开始实行专利法，并非常认真地保护专利，由此吸引了欧洲的科学家们在此聚集，并引发了社会对发明和发明家的狂热崇拜，马修·博尔顿便是发明技术的崇拜者。英国工业革命的兴起既有瓦特被留下来的偶然性，也有英国重视科技、保护科技人才的必然性。

进入21世纪，科技的能量空前活跃，新一轮的科技革命蓄势待发。“科学技术从来没有像今天这样深刻影响着国家前途命运，从来没有像今天这样深刻影响着人民生活福祉。”习近平总书记曾在全国科技创新大会上这样强调科学技术的重要意义。科技兴则民族兴，科技强则国家强，迈入世界科技强国的行列需要科技的不断创新，也需要对科技人才的重视和保护。

网事拾遗

你知道什么是前沿科技吗？前沿科技就是基础理论和高技术领域中的那些具有前瞻性的、先导性的和探索性的重大理论和技术。这些技术引领着国家未来的发展，以及未来技术的更新换代，包括新兴产业的发展。2019年1月2日阿里巴巴达摩院发布了《2019十大科技趋势》，我们可以通过这份报告“触摸”一下科技在当下和未来演进的脉搏。

趋势1：城市实时仿真成为可能，智能城市诞生

城市公共基础设施的感知数据与城市实时脉动数据流将汇聚到大计算平台上，算力与算法发展将推动视频等非结构化信息与其他结构化信息实时融合，城市实时仿真成为可能，城市局部智能将升级为全局智能，未来会出现更多的力量进行城市大脑技术和应用的研发，实体城市之上将诞生全时空感知、全要素联动、全周期迭代的智能城市，大大推动城市治理水平的优化提升。

趋势2：语音AI在特定领域通过图灵测试(https://www.xing528.com)

随着端云一体语音交互模组的标准化、低成本化，会说话的公共设施会越来越多，未来每一个空间都至少会有一个可以进行语音交互的触点。随着智能语音技术的提升，移动设备上的实时语音生成与真人语音可能将无法区分，甚至在一些特定对话中通过图灵测试。针对这一领域的规则甚至法律会逐步建立，引导行业走向规范化。

趋势3：AI专用芯片将挑战GPU的绝对统治地位

当下数据中心的AI训练场景下，计算和存储之间数据搬移已成瓶颈，新一代的基于3D堆叠存储技术的AI芯片架构成为趋势。AI芯片中数据带宽的需求会进一步推动3D堆叠存储芯片在AI训练芯片中的普遍应用。而类脑计算芯片也会在寻找更合适的应用中进一步推动其发展。在数据中心的训练场景，AI专用芯片将挑战GPU的绝对统治地位。真正能充分体现Domain Specific的AI芯片架构还是会更多地体现在诸多边缘场景。

趋势4：超大规模图神经网络系统将赋予机器常识

单纯的深度学习已经成熟，而结合了深度学习的图神经网络将端到端学习与归纳推理相结合，有望解决深度学习无法处理的关系推理、可解释性等一系列问题。强大的图神经网络将会类似于由神经元等节点所形成网络的人的大脑，机器有望成为具备常识，具有理解、认知能力的AI。

趋势5：计算体系结构将被重构

无论是数据中心或者边缘计算场景，计算体系将被重构。未来的计算、存储、网络不仅要满足人工智能对高通量计算力的需求，也要满足物联网场景对低功耗的需求。基于FPGA、GPU、ASIC等计算芯片的异构计算架构，以及新型存储器件的出现，已经为传统计算架构的演进拉开了序幕。从过去以CPU为核心的通用计算而走向以应用驱动（Application-driven）和技术驱动（Technology-driven）所带来的Domain Specific体系结构的颠覆性改变，将加速人工智能甚至是量子计算黄金时代的到来。

趋势6：5G网络催生全新应用场景

第五代移动通信技术将使移动带宽大幅度增强，提供近百倍于4G的峰值速率，促进基于4K/8K超高清视频、AR/VR等沉浸式交互模式的逐步成熟。连接能力将增强至百亿级，带来海量的机器类通信及连接的深度融合。网络向云化、软件化演进，网络可切片成多个相互独立、平行的虚拟子网络，为不同应用提供虚拟专属网络，加上高可靠、低时延、大容量的网络能力，将使车路协同、工业互联网等领域获得全新的技术赋能。

趋势7：数字身份将成为第二张身份证

生物识别技术正逐渐成熟并进入大规模应用阶段。随着3D传感器的快速普及、多种生物特征的融合，每个设备都能更聪明地“看”和“听”。生物识别和活体技术也将重塑身份识别和认证，数字身份将成为人的第二张身份证。从手机解锁、小区门禁到餐厅吃饭、超市收银，再到高铁进站、机场安检以及医院看病，靠脸走遍天下的时代正在到来。

趋势8：自动驾驶进入冷静发展期

单纯依靠“单车智能”的方式革新汽车，在很长一段时间内无法实现终极的无人驾驶，但并不意味着自动驾驶完全进入寒冬。车路协同技术路线会加快无人驾驶的到来。在未来2至3年内，以物流、运输等限定场景为代表的自动驾驶商业化应用会迎来新的进展，例如固定线路公交、无人配送、园区微循环等商用场景将快速落地。

趋势9：区块链回归理性，商业化应用加速

在各行业数字化的进程中，物联网技术将支撑链下世界和链上数据的可信映射，区块链技术将促进可信数据在流转路径上的重组和优化，从而提高流转和协同的效率。在跨境汇款、供应链金融、电子票据和司法存证等众多场景中，区块链将开始融入我们的日常生活。随着“链接”价值的体现，分层架构和跨链互联将成为区块链规模化的技术基础。区块链领域将从过度狂热和过度悲观回归理性，商业化应用有望加速落地。

趋势10：数据安全保护技术加速涌现

各国政府都会趋向于推出更加严厉的数据安全政策法规，企业将在个人数据隐私保护上投入更多力量。未来几年，黑客、黑产攻击不会停止，但数据安全保护技术将加码推出。跨系统的数据追踪溯源相关的技术，比如水印技术，数据资产保护的技术以及面向强对抗的高级反爬虫技术等将得到更加广泛应用。

历史回声

科学尊重事实，服从真理，而不会屈服于任何压力。

——中国生物学家、教育家　童第周

什么知识最有价值，一致的答案就是科学。

——英国哲学家　赫伯特·斯宾塞