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第3章 一开天辟地(2)

但是,后来波义耳研究火药燃烧时,却发现了意外的情况。火药在真空中放置的红热铁板上,却能燃烧很久,且不发生爆炸。怎么回事?没有空气也能燃烧吗?是不是制火药的硝石中混进了空气呢?于是,他改用在真空中结晶的硝石制成的火药,得到了同样的实验结果。由此他得出的结论是:与硝石混合的物质,在没有空气时也能燃烧,是因为硝石受热时可以得到“与空气相似的活化气体”。他这里说的“活化气体”就是现在说的氧气。当时,他只是说明了燃烧需要空气或“与空气相似的气体”,但却没弄清,空气或“与空气相似的气体”在燃烧时究竟起了什么作用。

正因为如此,他不了解燃烧的本质,才导致他在解释金属燃烧后增重这一现象时,提出了一个错误的“火微粒说”。

波义耳亲自做了锡燃烧的实验,并通过称量,确知燃烧后生成的灰渣比原来的锡更重了。他认为,这是“火微粒”通过烧瓶的玻璃,被金属吸收了。在这里,他错误地把火当成了一种实实在在的有重量的物质。在他的题为《固定火焰并使之可称的新实验》论文中,就提出了这样一个公式:

金属+火微粒=金属灰渣

火是发光放热的一种现象,并非有重量的物质,波义耳产生这种把火看作物质的错误原因,就在于他在实验中只注意到燃烧物金属的重量变化,却忽视了在燃烧物周围的空气有没有变化。这真是“智者千虑,必有一失”。

尽管波义耳的科学观点也有错误之处,但从他一生的科学业绩来看,仍不失是一位伟大的科学家。他在化学、物理学以及哲学方面,都为人类做出了重大贡献。正因为这样,1680年,英国皇家学会推举他担任主席。但是,一向不贪求名誉的波义耳,却谢绝了这个崇高的荣誉。他所希望的是有一个平静的晚年。

波义耳的晚年

波义耳的晚年似乎比别人来得更早一些,因为他的身体素质一直不好,年轻时就经常搜集药方给自己配药。他身上还常常带着温度计,随气温的变化,及时更换衣服。他终生未婚,书和实验室就是他的生活伴侣。53岁的波义耳身体健康已有明显恶化,难以正常工作了。他不得不离开实验室,搬到祖传的庄园去住。

在庄园的日子里,他并没有完全休息。他总结自己35年的科学研究工作,写了不少著作。他还花了不少时间研究哲学和神学,而且写出一些有影响的哲学和宗教论文。

晚年时期的波义耳宗教思想日益浓厚。为研究圣经,他曾学习过希伯来语;为宗教的发展,他还资助在东方的传教活动。

1691年12月30日,64岁的波义耳在伦敦逝世,死后他留下了一大笔财产。根据本人遗嘱,这笔巨款用于举办以传播宗教为内容的“波义耳讲座”。但是,他死后留给人们的真正财富不是金钱,而是用他一生的努力所形成的丰富的科学成就。是他提出了科学的元素概念,才宣告了“炼金时代”的结束,开辟了化学作为一门独立科学的新纪元。

瓦特奠基工业文明

据说,瓦特是由于发现水在沸腾时顶起了壶盖,受到了启发,想到要利用蒸汽作动力而发明蒸汽机。其实这是一个不很确实的说法。在瓦特之前,就有很多人研究过利用蒸汽作动力的机械,并且已经有了抽水用的蒸汽机。瓦特最卓越的贡献是他发明了蒸汽机的外冷凝器,大大提高了蒸汽机的效率,同时还发明了把蒸汽机的往复运动变为回转运动的机构,使蒸汽机成为普遍应用的动力机。正是这种动力机,为人类开辟了一个崭新的时代,即蒸汽动力时代。瓦特因此而被称之为工业文明的开拓者和奠基人。

仪器修理工

1736年,瓦特出生于英国当时的造船业中心格拉斯哥市附近的格林诺克镇。父亲是一个有经验的造船木工,祖父和叔父也都是机械工人。瓦特从小体弱多病,而且由于家境贫苦,少年时代的瓦特,不能按期上学,没有受到系统的学校教育。由于身体不太好,行动十分稳重的小瓦特,曾一度被认为是一个“愚钝而不聪明的人”。瓦特的母亲是一位智力过人的聪明女人,他成为瓦特的启蒙老师。瓦特跟这样一位天才的母亲学习文学和有关知识。13岁时,瓦特开始学习数学,15岁时,又学习了《物理学原理》,这时的瓦特已开始显露出自己的天才。

瓦特的少年时代,基本上是在父亲所在的工场里度过的,并和手工劳动结下了不解之缘,这无疑决定了他以后的发展方向。瓦特跟随父亲劳动的车间,主要是制造船舶所需的装备,制作船舶等所需的各种小型木工器具,或进行船头装饰的雕刻,制作跑架、滑车、泵、辘轳等。对瓦特来说,这里是一个最好的学校。在劳动中,他不仅用手,而且注意开动脑筋,留心各种各样的事情,如扛料时为什么左肩上用条木棒托住后部便省力些?为什么拉锯时用力要均匀、姿势要摆正?等等。在这所特殊的学校里,少年瓦特不但学会了操纵机械或使用器具,学到了作为一名精密机械工所应掌握的各种技能,而且获得了丰富的关于机械的感性知识,培养了爱好机械的兴趣。

1753年,瓦特的母亲去世,父亲又经商失败,迫使瓦特决意要自己外出谋生。1754年6月,18岁的瓦特在父亲的指导下,带着少量的工具和一个皮制围裙前往格拉斯哥,投奔到母亲的一位亲戚那里当学徒,学习修理教学仪器。由于业务上的联系,使他结识了格拉斯哥大学的罗伯特·迪科教授。迪科很欣赏这位技艺娴熟、又勤学好问、肯于钻研的年轻人,并极力劝说他前往伦敦。作为当时欧洲经济文化的中心,伦敦聚集了一大批优秀的器械制造工匠,迪科希望瓦特到这个大都市进一步学习深造,施展才华。

1755年6月7日,瓦特骑马来到伦敦。但为了找师傅,却颇费了一番周折,最后好不容易才投奔到约翰·莫根门下,学习仪表修造技艺。由于勤奋好学,他很快学会了制造难度较高的象限仪、方位罗盘、经纬仪等精密器械。瓦特在给父亲的信中说:“我虽然没有熟练工人做得那样快,但是,我可以做得和他们一样好。”由于家庭收入低微,他不得不时常挤出时间,到外面找点苦而重的活来干,以便挣些钱交纳学徒费。这样,除星期六外,他每天几乎都要工作到深夜九点多钟。瓦特的身体本来就不好,加上如此繁重的劳动和艰苦的生活,因而健康状况更是每况愈下。他曾在信中写道:“经常像撕破咽喉一样的咳嗽,背像针刺一样疼痛,全身感到懒倦。”一年后,他带着衰弱的身体重返故乡。一年的学徒生活使他倍尝辛酸,但是也使他练就了精湛的手艺,培养了坚韧不拔的性格。

故乡海滨的清新空气,与家人团聚的愉快心情,使瓦特很快恢复了健康。1756年,20岁的瓦特再一次来到格拉斯哥,想以修理仪器的身份开业,但当地的行会因他学徒期未满(当时规定学徒必须七年才能“满师”),不准许他开业。正当他感到绝望之是,迪科再一次帮助了他。在迪科教授的推荐下,瓦特于1757年来到格拉斯哥大学附设的教学仪器厂当仪器修理工。这成为他生活的转折点,并由于一个偶然的机会,使他走上了改进蒸汽机的征途。

冷凝器的发明

1763年的一天,格拉斯哥大学的一位教授约翰·安德逊找到瓦特,委托他修理一台纽可门蒸汽机的模型。好奇心很强的瓦特早就对用蒸汽作动力的机械发生了兴趣。他曾听到他的一些朋友,如格拉斯哥大学副教授布莱克等人谈起过纽可门蒸汽机的事。他也曾搜集过有关蒸汽动力的资料,还曾作过高压蒸汽的实验,但就是一直没有机会接触过蒸汽机。安得逊教授的委托无疑为他了解蒸汽机提供了一个难得的机会。但此时的瓦特也许未曾料到,这次机会不但改变了他自己一生的命运,而且由于他对蒸汽机的改进,改变了整个社会生产的面貌,促进了工业革命的迅速到来。

瓦特在接受了修理纽可门蒸汽机的任务之后,没有满足于仅仅把有毛病的地方修好,而是把机器全部拆开,一个零件一个零件地研究,以便弄清它的构造原理,然后针对问题,再进行修理。瓦特凭借多年当修理工的经验,很快便把机器修好了。但当试车时,瓦特发现这种机器动作缓慢,且不是连续的。进一步试验便发现了一个更大的问题,这种蒸汽机消耗能量太大,效率很低,燃烧13吨煤,只能产生75马力的动力。面对修好的纽可门蒸汽机,瓦特陷入了沉思:能不能对它加以改进,使其动作再快一些,效率再提高一些呢?正是在修理和试验的过程中,瓦特树立了要从根本上改进蒸汽机的志向,并持之以恒地开始了对蒸汽机的研究。

大概连小学生都知道,蒸汽机是由瓦特发明的。这话既对又不完全对。说它对,是因为瓦特确实发明了一种和以前完全不同的蒸汽机,使蒸汽动力获得了普遍的应用;说它不完全对,那是因为在瓦特之前就有人发明了蒸汽机。将蒸汽作为动力的想法,古人就有。二千多年前古希腊人希罗就曾发明了以蒸汽为动力的精巧装置;达·芬奇也曾设计过用蒸汽开动大炮的图样。在当时的中学课本上就已开始讲授真空、大气压等物理知识,这些也都与蒸汽机的发明有关。自1643年托里拆利发现了真空,证实了大气压力的存在,后来,德国的格里凯又用人工办法法制造了真空。1662年,波义耳则发现了气体体积和压力成反比的定律。正是在这些科学认识的基础上,适应社会发展对动力的需要,在18世纪才发明了蒸汽机。

到18世纪的时候,人们为什么想要发明蒸汽机呢?这是因为从17世纪以来煤炭已经成为冶炼钢铁的主要燃料,对煤炭的需要日益增加,矿山数量增加,矿井也越挖越深。为了能正常地进行采煤,就必须不断地抽出矿井里的水。当时只能靠马拉辘轳推动水泵抽水。为此,不少矿山都要饲养几百匹马,这种办法既麻烦又费钱。人们急需寻找一种更有效的排水动力机械,由此产生了“以火提水”的设想,就是要创造一种以火力或热能推动的排水泵。

第一台实用的蒸汽泵是由英国的一个叫萨弗里的上尉于1698年首先发明的。他继承了前人的发明成果,利用蒸汽冷凝使一个容器产生真空,在大气压力作用下,将井下水吸入容器中,再通入蒸汽,利用蒸汽压力把容器里的水排出。这样循环操作就可以把井水抽到井外。但由于它效率低,加之没有活塞,容易发生爆炸事故,所以没有引起人们的重视。1705年,苏格兰铁匠纽可门发明了一种比较实用的带活塞的蒸汽机。它先向汽缸通入蒸汽,推动活塞向上运动,然后再向汽缸通入冷水,使蒸汽冷凝,缸内形成真空,这样便可以利用大气压力使活塞反向运动,以此带动水泵排水。纽可门蒸汽机基本上满足了矿山抽水的需要,几乎在英国所有的矿井都应用了这种蒸汽机,实际上它只不过是一台蒸汽排水机。

瓦特所要修理的正是这样的蒸汽机。他也就是在这样的基础上开始了对蒸汽机的研究。经过对纽可门机的分析研究,联系到他在听他的老朋友布莱克讲课时,所了解到的关于潜热和比热的知识,受到启发,终于找到了纽可门机的症结所在:纽可门蒸汽机利用向汽缸喷冷水获得真空,这样活塞每上下运动一次,汽缸都要冷却一回;第二次进入的蒸汽首先要加热汽缸,待汽缸本身的温度升高后,才能推动活塞。这样一方面因蒸汽浪费造成了效率低,另一方面则因时间耽搁造成动作慢且不连续。由此,他得出结论:为了使蒸汽有效地推动活塞,首先必须设法使汽缸保持与进入的蒸汽相同的温度,其次必须使进入的蒸汽尽快冷凝,以获得缸内负压或真空。通过上述分析,使瓦特明确了改进的方向。采用什么办法达到这两项要求呢?他针对这一问题开始了新的研究,并经常利用瓶子、竹筒等工具进行试验,遇到不懂的问题就四处向人请教,简直达到了废寝忘食的程度,一度使一些人误认他的神经失常了。转眼将近两年的时间过去,对于如何改进,瓦特仍是感到一筹莫展。

1765年5月的一个星期日,瓦特正因试验没有取得任何进展而灰心丧气的时候,新婚不久的妻子马格丽特·米拉——一位温柔而有主见的女性,见他日夜苦思,食不甘味,夜不成眠,就劝他不要把自己搞得太紧张了,利用假日到郊外玩一玩,散散心。于是,瓦特接受了妻子的建议,信步来到了城外的草原上。他抬头向远处的天空望去,见片片白云在湛蓝的天空下飘动。这白云多像蒸汽啊!一想到蒸汽,瓦特的脑子又进入了工作状态。随着脚步不自觉地继续前移,瓦特的脑海里突然跃出了一个想法:蒸汽本身是有弹性的物体,当蒸汽膨胀后,一定会往真空的地方移动。如果在汽缸外另设置一个容器,蒸汽就可以进入这个容器内进行冷却,这样,无需再冷却汽缸,蒸汽就可以冷缩,而汽缸也就可以保持在高温状态了。

犹如艺术家获得灵感一样,这一想法使瓦特兴奋不已。他带领几个助手按这一想法开始进行试验,经过夜以继日的努力,好不容易造出了一台带有分离冷凝器的蒸汽机。不料,这台蒸汽机几乎不能工作,效果反而不如纽可门蒸汽机,原因即在于汽缸和活塞间的密封不好,四处漏汽。

由于试验的耗费,使瓦特的经济状况倍感艰辛,无力继续试验。从天性上说,瓦特本是个性格忧郁的人,而且对痛苦和不安有些神经质,一碰上不顺利的事就会表现出心灰意冷的情绪。每遇到这种情况,妻子米拉总是温柔地鼓励他,为此,瓦特十分感激她,把她当成自己的主心骨。这次又是在妻子的鼓励下,瓦特又重振精神,在别人的资助下,继续试验。可是接着的数次试验,也都因材料和工艺问题未很好解决而失败了。恰在这时,伯明翰一位有远见的实业家马瑟·博尔顿看到了蒸汽机的潜在用途,主动请瓦特到他的工厂里去进行发明试验,并给以经济上的资助。在这里,瓦特又用了三年多的时间反复试验,并在有经验的制造枪膛的工人帮助下,制造出了较精密的汽缸和活塞,终于在1769年制成了装有冷凝器的新型蒸汽机,在试转中获得了预期的效果。冷凝器的发明是瓦特对蒸汽机改进的第一大贡献。

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