也许只有蒸汽机的发明可以和火的使用相提并论，蒸汽机将火变成“力”，从此根本改变了人类在自然界的地位。当我们不再靠着自身和家畜肌肉收缩的微薄力量从事生产活动，并且变得越来越“力大无穷”时，征服自然的雄心和创造财富的激情便与日俱增了。工业革命的大幕是在蒸汽机的轰鸣声中徐徐拉开的。

 

1851年伦敦首届世博会上，琳琅满目的蒸汽机便成了水晶宫的宠儿和展览品的大宗。从早期的瓦特蒸汽机到伊万斯的高压蒸汽机，一个巡礼式的回顾展吸引了各国工程师和参观者。水晶宫西北46米外，是世博会的动力房，8个锅炉共800马力，通过直径22厘米的地下管道将高压蒸汽送到机械展览区。闻名遐迩的内史密斯展出了最新式的蒸汽锤和水压机。林林总总的起重机、纺织机、印刷机、脱粒机、信封机、车床、圆锯在蒸汽机的驱动下现场演示，各展风姿。齿轮的铿锵和皮带的节奏正是工业时代的旋律。

 

瓦特发明蒸汽机早已成为家喻户晓的常识，但恩格斯的见解显然更准确：蒸汽机是第一个真正的国际发明。且不说古希腊人和达·芬奇所作的探索，法国科学家巴本和英国工程师塞维利应该是蒸汽机的先驱。1712年，英国铁匠纽可门制造的人类第一台实用蒸汽机风行了半个多世纪，主要用于矿井抽水。当锅炉里的水变成膨胀1600倍的蒸汽充满汽缸后关上阀门，再通过喷水的办法让汽缸冷却造成真空，大气的压力便能推动活塞做功了。但气缸每一冲程的忽冷忽热造成了能量极大浪费。

 

1769年，格拉斯哥大学的仪器修理工瓦特对纽可门蒸汽机进行了根本性改造，设置了分离冷凝器，确保气缸在恒定温度下工作，使热效率提高6倍。此后10年间瓦特锲而不舍，先后5次对蒸汽机进行完善，通过行星齿轮和惯性飞轮将活塞的往复运动变为旋转运动；使用平行四边形运动杆，让气缸单向做功变为“两头受气”的中国风箱式双向做功；利用炮筒镗床精密加工减少漏气并安装锅炉压力表；通过离心调速器的负反馈作用控制进气阀门，保持蒸汽机稳定的输出——这是机械工程中自动控制的最早尝试，具有特殊的理论和实践意义。

 

“马力”的概念是瓦特“科普思维”的产物。为了向人们说清一台蒸汽机到底多大“力气”，应该有个形象的类比和换算，而最合适的参照显然是马了。瓦特测量了一匹马在标准磨坊里走一圈为75.4英尺，每分钟走2.4圈，平均负荷为180磅，计算后得出“马拉动33000磅并每分钟走1英尺所输出的功率”为1“马力”。1882年，西门子提议将功率单位定为瓦特并沿用至今。

 

蒸汽机的研究和改进直接诞生了热力学，人们再不把“热素”当做“金木水火土”中的一种物质，并且发现了水在汽化和液化过程中吸收和放出的“潜热”、不同物质升高1度的“比热”。每个时代的思考只能被那个时代所思考着的事物所决定，法国科学家卡诺提出了热力循环理论，焦耳、开尔文、克劳修斯确立了热力学第一、第二定律，都是大规模的蒸汽机实践催开的科学理论之花。

 

蒸汽机家族的最高礼遇和最大荣耀，也许莫过于“主宰”1876年费城世博会了。美国工程师考里斯制造的蒸汽机早在1867年巴黎世博会和1873年维也纳世博会上便声誉鹊起并连获大奖，这次他向费城世博会捐赠了当时世界最大的1400马力蒸汽机，重56吨。比肩耸立的双汽缸高14米，巨型飞轮直径9.1米。5月10日下午，10个足球场大小的机械馆万头攒动，唱诗班、军乐队过后鸣炮100响，美国总统格兰特和巴西国王佩德罗二世由考里斯陪同登上机械馆中央5米高的平台，共同握住考里斯蒸汽机的手柄，启动了这个庞然大物，宣告费城世博会正式开幕。刹时间全馆大大小小的无数机器一起“醒来”，它们的能量全都来自考里斯蒸汽机驱动的数英里连杆和皮带上。在世博会举行的6个月里，考里斯蒸汽机的飞轮始终按照每分钟36转的速率“静悄悄”运行——声音甚至比缝纫机还轻，一个值守人员坐在机器旁悠闲地看报——直到11月10日总统宣布世博会闭幕的一刻才戛然停息。考里斯蒸汽机是机械馆不倦的“心脏”，也是整个世博会不灭的“火炬”，许多报纸称它为美国力量和技术的化身，音乐家专门谱写了《考里斯进行曲》，著名诗人惠特曼被考里斯蒸汽机的魅力所深深感染，他特地搬来一把椅子，坐在这位“钢铁运动员”前面细细端详半小时之久。

 

1876年费城世博会的重要贡献之一，是确定了“锅炉马力”的“先进标准”。此前蒸汽机行业将锅炉的功率定义为每10平方英尺受热面积产生1锅炉马力，不能很好反映锅炉的真实效率，费城世博会评委们制定了新的标准，将锅炉马力定义为 “每小时把30磅100华氏度的水转化为1平方英寸70磅压力的饱和水蒸汽”。世博会的锅炉房堪称样板：20个整齐排列的锅炉每个70马力，通往展区的地下管道长100米、直径46厘米。有了强大高效的锅炉，蒸汽机才能有足够的“底气”。

 

蒸汽机带动形形色色、千差万别的机器一起工作，正是社会生产的写照和缩影，凡是“力气活”蒸汽机都能干。无数纺织厂、钢铁厂、木材厂、造纸厂、印刷厂不再需要临河而建，吱呀作响的水轮让位给高效的蒸汽“座机”，而移动式和便携式蒸汽机则服务上门，完成着挖掘、起重、钻探、消防等任务。过去几十匹马编队都无法拉动的犁铧，如今把千里荒野变成了“被开垦的处女地”，“让布法罗草原化为美国的早餐”。收割机、脱粒机、轧花机纷纷来到了田头地角。这是一个水火激荡、蒸汽鼎沸的年代，1888年，美国已经拥有蒸汽机1440万马力，英国拥有920万马力。人类文明从来没有出现过如此的急剧转折和骤然加速。

 

1878年巴黎世博会上，各款蒸汽机再次领尽风骚。法国施耐德钢铁公司制造了一台硕大无朋的蒸汽锤，高20米，仅铁砧就重达320吨。这是自古以来力气最大的“铁匠”，一锤砸下去有100吨。远远超过了“亚军”德国克虏伯公司50吨的弗瑞兹汽锤。1878年巴黎世博会举办的重要动机便是尽快走出普法战争失败的阴影，“第三共和”要向全世界证明法国仍然是第一流强国。不过在巴黎世博会上赢得无数人仰望和惊叹的蒸汽锤只是木制的仿真模型。施耐德钢铁公司坐落在巴黎和里昂之间的克鲁梭，中国青年才俊邓小平曾经在这里勤工俭学。汽锤是制造大型发动机长轴、活塞杆和大炮筒最关键的重型机械，锻打不仅改变工件的形状，而且改善金属的颗粒结构和力学性能。有记者报道施耐德蒸气锤既有雷霆万钧的力量，又有毫厘不爽的精确，能够打碎坚果的果壳而不损坏果仁，打破蛋壳而不伤害孵成的小鸡。直到1891年美国伯利恒公司买走专利并制造了125吨汽锤，施耐德汽锤才失去“第一把交椅”的地位。今天，这个蒸汽时代的“恐龙”已经成为法国克鲁梭重要的旅游景点。有趣的是，它“外八字”形的四条腿、腰间的平台和挺拔的身躯都酷似埃菲尔铁塔，但却比埃菲尔铁塔早了11年。

 

刺破青天的埃菲尔铁塔是1889年巴黎世博会最灿烂的明星和最辉煌的遗产。这个300米高的“通天塔”面临的最严重挑战之一，便是如何确保安全有效的“垂直交通”。当时的“电梯”技术尚在襁褓之中，根本无法在这样庞大而复杂的世界最高建筑上尝试。埃菲尔铁塔安装的5部液压升降机分别由美国奥迪斯公司和法国公司提供，全都用蒸汽机驱动，锅炉房建在南角墩下。可以说，1889年巴黎世博会期间，是蒸汽机把200多万游客送上了埃菲尔铁塔之巅。至于人们津津乐道的1853年纽约世博会上奥迪斯展示了第一部“安全电梯”，更是压根儿与电无涉，完全靠蒸汽机对缆绳直接收放，因此只能称为“动力升降机”。

 

人类交通运输的历史也因为蒸汽机的发明而重新书写了。1851年伦敦世博会上，各类蒸汽船和船用蒸汽机便如雨后春笋争荣并茂，2000吨海船“维克罗伊埃及号”的2∶1模型富丽华贵，瓦特公司最新的700马力的螺旋桨发动机冠绝一时；刚刚步入“少年时代”的火车头则五花八门、“憨态”可掬。古代交通和近代交通的分界线在于使用动力的不同，实际上，伦敦世博会的10多万件展品和620万观众都是汽船和火车运来的。

 

《科学时报》 (2010-5-7 A2 要闻)