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技术细节和制度创新如何改变历史

发稿时间:2013-07-31 00:00:00

      摘要:国内许多从事社会科学研究的学者,往往低估或者忽视技术的重要细节和复杂性,以及科学发现的不确定性等因素,以简化的线性逻辑构建史实,这很可能会影响对孕育新产业革命诸创新要素的深入认识。我们应重视前因考察,认真分析促成产业革命兴起的因素,改变以往我们的粗线条描述,多一些细笔剖析。今天的中国,需要通过对技术活动细致的了解,实现全方位的不断创新。对产业革命进行历史地思考,是我们为迎接新产业革命所必须作的思想准备。

  关键词 产业革命 科技革命 细节创新

  历史是最好的教科书。在迎接新产业革命到来之时,有必要回顾历史上的产业革命,特别是分析与之伴随的技术革命和科学革命,以及其他不可或缺的要素,揭示重要的历史细节,以增加我们对技术复杂性和科学不确定性的认识,增加我们对制度创新等要素的认识,从而更好地理解历史上何以会发生产业革命,21世纪何以会有新产业革命。

  产业革命与技术革命

  中国知识界对产业革命(或说工业革命)早有一定的了解,这与马克思、恩格斯着作的广泛传播有关,如:马克思在《资本论》第1卷第13章“机器与大工业”中,明确提到18世纪的工业革命,并对技术发明与生产力、生产方式的关系有清楚的阐述。

  改革开放以来,随着西方经济学经典的译介,如保尔·芒图的《十八世纪的产业革命——英国近代大工业初期的概况》、大卫·兰德斯的《解除束缚的普鲁米修斯——1750年迄今西欧的技术变革和工业发展》、乔尔·莫基尔的《富裕的杠杆——技术革新与经济进步》等,我们对历史上的产业革命有了更深入的认识。

  然而,中西文化不同形成的思维差异,以及中国教育体制长期造成的文理隔膜,使国内许多从事社会科学研究的学者未必真正能理解技术。这种情况下,对产业革命的外部因素与社会影响、一般的技术概念等问题容易理解,而对技术的重要细节和复杂性、科学发现的不确定性等因素却容易低估或者忽视,以致造成以简化的线性逻辑构建史实,这很可能会影响对孕育新产业革命诸创新要素的深入认识。

  以第一次技术革命为例,它是指18世纪中叶从英国开始的、与产业革命伴生的根本性的技术变革,以蒸汽机的发明与应用及机器作业代替手工劳动为主要标志。这次技术革命主要表现在五个方面:一是纺织业中机器的发明和应用;二是蒸汽动力技术的发明和改进;三是生产各类机器的机械制造业的形成;四是铁和钢冶炼技术的发展;五是轮船和火车的发明。①应该说,这种概括比较全面,避免了只强调蒸汽机发明而造成的误读。然而,具体看与蒸汽机相关的内容,即感觉到其描述的线性和简化:“1698年,萨弗里发明蒸汽抽水机,经过纽可门等人的进一步改进,初步解决了煤炭开采中的排水难题。1769年,瓦特发明了旋转式蒸汽机,由此,蒸汽机从排水工具成为‘万能动力机’。蒸汽机终于使人们将燃料转化为动力,突破了自然力的局限,为纺织机等提供了强大动力。”②类似的写法在国内并不少见,如一部有影响的科学史着作写道:“改进后的瓦特蒸汽机,成了效率显着、可用于一切动力机械的万能‘原动机’。蒸汽机改变整个世界的时代正式到来了。”③这种一蹴而就的“因果”关系,显然与历史不符。这里无意苛责作者,只是认为,这样的表述可以使大众对瓦特的发明与产业革命有粗略了解,而对当今的科技创新活动没有什么启示意义。

  瓦特发明蒸汽机,制造顺利吗?看看牛津版《技术史》,该书写道:“早期的机器制造商为熟练工程师的匮乏所困。他们的蒸汽机正如其设计所清楚表明的那样,是由铁匠、修造轮子的工匠和木匠各色人等凑在一起制造的。当把零部件装配起来时,很容易发生某些零部件不能工作的情况。瓦特发现,在格拉斯哥可以找到的由最好的工人制作的汽缸,其直径误差也达3/8英寸。”④

  最终,英国工程师约翰·威尔金森于1775年发明大型镗床,解决了瓦特蒸汽机汽缸的关键技术难题。原来,瓦特于1765年发明的著名分离冷凝器,要求汽缸具备良好的气密性,当时由于缺乏镗床,瓦特的第一台蒸汽机的缸体是用锡纸紧贴在硬木块上锻打而成的,制成的汽缸内壁粗糙,误差大,活塞与缸体的间隙需以毡或油布等物填充,致使漏气严重,新发明难以应用。威尔金森经营炼铁厂,由于经常接受锻造火炮的订单,他接触到各种镗孔工具,当时镗床在加工大型工件时,刀具在进给中会因重力影响而下垂,导致偏离基准。威尔金森通过研究,解决了这一问题,他把镗杆支托在两端的轴承上,并将工件固定于托架,使镗床和工件都获得足够的刚性。工作时,镗刀始终与中心轴平行,这样就可镗削出光滑的圆柱形内表面。据瓦特的合伙人博尔顿描述,由威尔金森镗床镗制的50英寸直径的汽缸,其误差不到1先令(旧制英币)的厚度。蒸汽机试验也因汽缸性能的提高而获成功,以此为开端,瓦特蒸汽机顺利进入市场,它的明显优势很快被社会接受。此后20年,瓦特蒸汽机的汽缸基本上都由威尔金森的工厂提供。

  由这一史实可得出认识,一项重大发明,必须要有先进制造技术为保证。不然就只是样品,或图纸。

  轮船和火车的发明是第一次技术革命的重要表征。轮船和火车所用的蒸汽机并不是瓦特蒸汽机的简单搬用,而是经过其他发明家的若干改进。以火车为例,真正使火车成功运行的是英国发明家乔治·史蒂文森(GeorgeStephenson)。史蒂文森生长于矿区,从当蒸汽机司炉助手起步,自学成为技术员,最后成为铁路公司总工程师,可谓是一个奋斗成功的典型。

  1814年,史蒂文森造出了他的第一台火车头“布卢彻号”,此后十几年间,史蒂文森建造了大小十几辆机车,而真正使他扬名的是“火箭号”。1829年4月,为参加公开的火车比赛,史蒂文森在儿子罗伯特的协助下制成新的机车——“火箭号”。该机车有几个重要的创新:一是使用多管锅炉,增加了动力,设置了25条直径均为3英寸的铜制水管贯通锅炉的两端,从而增大了锅炉内水的受热面积,获得更多的蒸汽,这种设计后来在一百多年间(直到蒸汽机车时代结束),成为所有机车锅炉的基础;另一个创新是采用排气管,将废气从气缸中引入烟囱后再放出去,这就大大增加了烟囱的抽力和所保持的压力。1830年9月15日,世界上第一条客运铁路(利物浦——曼彻斯特铁路)正式开通,史蒂文森的“火箭号”率先在这条线路上运行,由此标志着人类进入了铁路时代。

  在史蒂文森之前,已有人发明火车,但所用路轨为生铁铸造,被沉重的机车压裂,直接影响机车运行。史蒂文森与前人不同,为了解决这个问题,他到朋友的铁工厂去试验锻铁轨道。取得成功后,史蒂文森专门申请了铁轨的专利。同时,史蒂文森非常关注铁路的标准化、实用化建设,他提出的轨道间距、碎石枕木路基,拐弯半径等细节设计,后来都成为技术标准,被许多国家采纳。由此可见,一项因其他发明而导致的重大发明,自身又需要若干创新。

  产业革命与科技革命

  严格地说,世界历史迄今共发生过两次科学革命。第一次科学革命发生于16世纪到17世纪末,从伽利略到牛顿的力学研究是第一次科学革命的主线;第二次科学革命发生于20世纪初,相对论和量子论的建立为自然科学理论带来了深刻变革。⑤

  从第一次产业革命看,当时与科学、科学革命没有什么联系,只用到少量科学知识(真空与大气压、动力测定、比热理论等),更多是工匠凭借经验的发明活动。而到第二次产业革命,情况发生了很大变化,科学明显起到了引领的作用,特别是电磁学的创立为电的开发和应用奠定了理论基础。不过,若从前述严格的“科学革命”界定看,第二次产业革命与第一、二次科学革命都没有交集。为了强调科学技术对产业的重要影响,故有不少学者取其他视角,采纳“第×次科技革命”的说法。

  按科技革命的范畴理解,第二次产业革命与第二次科技革命(或说电力技术革命)联系紧密。19世纪70年代起,电的诸多用途得到开发,先是照明系统(局域电弧光照明),继之电力运输系统(有轨电车、地铁)发展起来。电力更重要的运用体现在新兴产业,如电解铝、氯、乙炔等化工产业直接与电力应用有关。

  1825年,丹麦科学家奥斯特(H.C.Oersted)通过钾汞齐还原无水氯化铝,第一次得到了粉末状金属铝,不过仅有几毫克。铝因稀缺,被视为贵重金属。拿破仑三世认为铝轻而硬,可以带来武器装备的革命,慷慨出资支持法国化学家圣·德维尔(SaintDeville)进行工业制铝的研究。1854年,德维尔用还原氯化物的方法制得金属铝,建起世界上第一座铝厂,生产出铝制头盔、餐具和工艺品,因产品少,多供皇室贵族享用。当时,1千克铝高达3000多法郎,几近黄金价格。其后30年间,世界上炼得铝的总量有200多吨。随着小规模的工业生产,铝的价格有所下降。

  德维尔制得铝的那一年,他与德国化学家罗伯特·本生(RobertBunsen)一起,通过电解氯化铝的络合盐得到了金属铝。但当时用蓄电池供电,代价极大,直到1867年发电机问世后,采用电解法炼铝实现工业化生产才成为可能。

  1886年,电解铝技术实现了突破。美国的查理·霍尔(CharlesHall)和法国的保罗·埃鲁(PaulHeroult)两人,几乎同时分别获得用冰晶石—氧化铝熔盐电解法制取金属铝的专利。这也是科学史的一段佳话,因为两人虽然国度不同,但生卒年月相同,且在同样年龄,几乎同时发明了电解铝的方法。⑥

  1888年,德国化学家拜耳(K.Bayer)获得从铝土矿中提取氧化铝的专利,自此氧化铝的来源得到保障。瑞士冶炼公司利用莱茵河的水力发电,能够提供较廉价的电能,电解法显出巨大优势,很快就取代了先前的化学法。电解法是铝工业发展的一个重要里程碑,从此铝工业开始进入新的阶段。

  一旦技术与科学紧密结合,两者彼此推动,会在没有任何预期的情况下,涌现出新发现和新发明,进而又催生新的产业。这方面,电子管堪称范例。

  电子管,又称真空管。电子二极管的发明直接与“爱迪生效应”的发现有关。1883年,美国发明家爱迪生为寻找最佳灯丝材料,在灯泡内碳丝附近安装一个小金属片以抑制灯丝金属的热蒸发。他发现当金属片连接到灯丝正极时,能够检测到微弱的电流,而连接到灯丝负极时,就没有电流。后来这一现象被称为“爱迪生效应”。

  “爱迪生效应”引起约翰·弗莱明(JohnFleming)的兴趣。弗莱明1877年入剑桥大学跟随著名物理学家麦克斯韦(JamesClerkMaxwell)学习,后获得博士学位。1881年,弗莱明出任伦敦爱迪生电灯公司顾问,正是出于职业的敏感,弗莱明盯住“爱迪生效应”。经过多次实验,弗莱明研制成一种能够利用“爱迪生效应”进行整流和检波的特殊灯泡——“弗莱明阀”,它有一根灯丝和围住灯丝的金属圆筒电极(作阳极),当灯丝加热时,阳极加正电压能使电流通过,而加负电压就没有电流通过。由于电子很轻,惯性很小,“弗莱明阀”可使无线电信号被检波成为人们所需的信息。

  在“弗莱明阀”的启发下,不久,电子三极管问世。电子三极管的主要功能是信号放大,它由美国电子工程师李·德福雷斯特(LeedeForest)发明。1906年,受弗莱明研究的启发,德福雷斯特在二极管的两个电极之间加了一个金属栅极,他发现当调整栅极电流大小时,其整流和检波作用更加灵敏,由此成为一种新的电子器件。正是电子二极管、三极管的发明,催生出电子管产业,又与其他的电子元器件制造组成规模化的电子产业。

  电力作为新能源应用,推动建立了新产业;技术与科学紧密结合,使新发现和新发明涌现,又催生新的产业。

  产业革命与其他创新因素

  产业革命的兴起、发展也离不开其他创新因素,如公司制度、专利保护、科学学会、工业实验室、大学教育等,且在不同阶段呈现不同变化。这里集中分析科学学会、工业实验室和专利制度的作用。

  17世纪,科学知识还远不为公众所了解,科学活动主要集中于少数科学精英。然而,正是这种精英的活动,促进了科学知识和科学精神的传播,为后来科学的社会化奠定了基础。17世纪,一批科学机构顺应时代潮流诞生,其中最重要的有佛罗伦萨的齐曼托学院、伦敦皇家学会和巴黎科学院,许多科学家、发明家都与这些科学机构有密切的联系。

  伦敦皇家学会于1662年7月经特许准予成立,其全称为“伦敦皇家自然科学促进会”。皇家学会一开始就形成惯例,即把具体的研究项目分配给小组或会员个人,并要求他们及时向学会汇报研究成果。早期的会议都是会员作报告或演说,演示实验,或展览各种稀奇的东西,并对所引发的问题进行讨论。随着时间的推移,逐渐建立了若干委员会来指导学会各部门的活动。如贸易委员会从事工业技术原理的研究,向学会提出的报告涉及诸如海洋运输、矿业、冶金、纺织业等。此外,还有天文学、化学、解剖学等学科委员会。

  皇家学会也集中讨论迫切的技术问题。当时木材大量用作燃料,用于造船、建筑,使森林资源急剧减少,煤炭便成为冶炼金属的替代燃料。而铜、铁、煤矿越挖越深,导致井下排水困难,现实需求促使抽水机的发明,也形成对蒸汽机的高度关注。

  科学精英活动后来也演化出新形式。19世纪下半叶出现专门的研发机构,吸引了新型的科技人才。以德国为例,19世纪70年代,随着茜素染料的开发成功,德国的几大化学公司,如拜耳(Bayer)、巴斯夫(BASF)和赫斯特(H·chst)都积极招募科学家,建立自己的实验室,极大促进了科学研究与产业的结合。1900年,美国通用电气公司学习德国的经验,建起工业研究实验室。经过十几年的努力,通用电气在照明技术上取得突破,占领了照明器件和设备的主要市场。通用电气的研发机构展示的技术优势,在1910年前后推动了美国工业研究实验室发展的高潮。1900~1914年间,大量的科技人才涌入大企业,从事专门的研发活动。1914年,第一次世界大战爆发,欧洲国家深陷战火,而美国利用此机会后来居上,科学研究与技术、生产密切结合,大大提升了国力。战后,美国工业研究实验室快速扩增,一直持续到二次世界大战前。

  专利制度可溯至1624年英国颁布的《垄断法》(TheStatuteofMonopolies),这是世界上第一部具有现代意义的专利法。

  18世纪初,英国进一步改善专利制度。专利法中要求发明人必须充分地陈述其发明内容并予以公布,以此作为取得专利的“对价”(Consideration)。这样,专利制度就以合同的形式反映出来。专利的取得成为一种订立合同的活动:发明人公布他所研制出的新产品或新技术,以换取公众在一定时期内承认他对研制成果的专有权。按照这种要求,“专利说明书”出现了,这标志着具有现代特点的专利制度形成,它对于打破技术封锁、交流和传播科学信息,具有重要的意义

  1790年,美国通过了美国的第一个专利法;1791年,法国创建了专利制度,即著名的《拿破仑法典》中有关工业产权的规定,这也是成文法的代表作。法国专利制度有别于英国专利法律体系,它的建立对一批法国殖民地国家有重要影响。

  19世纪,在英、法两大专利法律体系的影响之下,先后有俄国(1814年)、荷兰(1817年)、西班牙(1820年)、巴西(1859年)、印度(1859年)、阿根廷(1864年)、加拿大(1869年)颁布了本国的专利法。后来,德国于1877年、日本于1885年也颁布了专利法。到19世纪末。实行专利制度的国家已达45个。至此,专利制度经过200多年的形成和发展,其作用已被越来越多的国家所承认和重视。

  不过,专利制度在各国实施情况不一,不免遇到波折,一些国家为制度建设付出了一定代价。在英国,19世纪40年代,发明者不断向议会提出请愿,表达对无法获得专利和奖励的不满,抗议在1851年达到高潮。为此,议会宣布成立一个专门委员会以审理有关专利系统的问题。委员会通过广泛调查形成建议,最后促使议会通过了《1852年专利法修正案》,建立单独的专利局,并且简化了管理程序。

  在美国,1836年专利系统发生了重大变化,专利申请人不能再像1793年以来那样,在申请之后自动获得专利。相反,他们需要提交详细的规格说明,指出该发明的创新性和效用。专利审查人员将审查所有申请,并且在授予专利之前验证权利请求的创新性。

  在德国,1877年颁布专利法,这个专利法是在大染料公司帮助下制订的,显然考虑了染料工业的需要。德国专利法有两个显着特点:一是单独的工艺也受保护;二是收到专利申请,专利局要审查,以确保这项专利是新的。新专利法极大促进了德国合成染料工业的研发活动。

  19世纪80年代,国际保护公约建立。起因是1873年奥匈帝国举办国际发明博览会,当向其他国家发出参展邀请时,出于对参展发明缺乏足够的法律保护的顾虑,许多国家都不愿参加。奥国政府为此决定,在博览会举办期间对参展发明提供临时保护措施。与此同时,由比利时、西班牙、巴西、法国、意大利等十几个国家发起,在举办博览会时召开国际会议,讨论专利权的国际保护问题。经过两次国际会议的讨论,终于在1883年签订了《保护工业产权巴黎公约》。《巴黎公约》后经多次修订,每次修订会议结束时都通过一个新的公约文本。

  与产业革命相关的诸多要素,在不同期间、不同国家经常发生变化,内容也与时代和实践俱进。

  产业革命史的启示意义

  学习和研究产业革命史,对于前瞻未来、迎接新产业革命不无意义,这里主要谈三点启示性认识。

  认识产业革命兴起的各种因素。可以说,我们对西方的真正认识是从鸦片战争中的“坚船利炮”开始的,在敌不过经工业化武装的强硬对手之后,不得不改变态度学习他们的技术和科学。其间多经波折,从器物层面到制度层面,制度层面再到文化层面。直到20世纪30年代初,中国民族工业化初有模样,又为日本侵略所毁。新中国成立后,高度重视工业化建设,但学习的却是一边倒的苏式工业化,缺少技术创新的内涵。待到改革开放,蓦然回首,汽车仍是30年一贯的“解放”牌,电子管收音机、盘式录音机都已是西方淘汰的产品。我们大力引进各种“先进”生产线,盯住高新技术,极力追赶,却在无意中耗竭了资源,破坏了环境。我们几乎没有认真思考,为什么要步工业化国家之后尘?把原因归结为“闭关锁国”、“错失机遇”,这是把问题简单化。借着迎接新产业革命到来,有必要认真学习产业革命历史(包括技术史、科学史)。过去,我们过分强调西方产业革命的结果(且是部分),如大工业形成,造就无产阶级、世界市场、商品倾销……;今天,我们应重视前因考察,认真分析促成产业革命兴起的因素,认识众多因素长期积累而成的力量,改变以往我们分政治、经济、社会几大块的粗线条描述,多一些细笔剖析,唯有此,才能在当下把我们与西方比较,看是否具备孕育新产业革命的种种因素,从而真正谈“抓住机遇”。

  认识技术演化的复杂性。产业革命史也是技术演化史,技术在演化中的复杂性不断增加。或因组成部件多构成的复杂,或因自动控制表现的复杂,或因分门类技术形成的复杂。如铁路技术早期简单,在发展中逐渐增加复杂性,分出制造机车、车辆的技术,修建铁路的技术(又分建桥梁、挖隧道技术),管理铁路的技术(分通讯、信号技术)等。

  看似简单的部件,因涉及材料、加工等技术,也有其复杂性。前述的瓦特蒸汽机,因用到镗床技术,就比手工敲打要复杂。要炼优质钢,就需精选矿石,严格操作规程,这也显得复杂。如果低估了这种复杂性,仅凭满腔热情,就会犯“大炼钢铁”的错误。

  产业史表明,每达到一个工业发展阶段,技术的复杂程度都会上升一两个台阶,这为产品制造标准设置了更高的门槛。正因如此,对操作工人的受教育程度、综合素质能力就会提出新的要求。过去习惯说工人是蓝领,管理者是白领,而在未来新产业革命中,工人和管理者,就不可能还是这种简单区分。对此我们要有清醒的认识。改革开放以来,在我国沿海地区,许多企业大量雇用学历不高的农民工,上岗前的培训时间也短,只能表明技术的复杂性不够。这种情况究竟能持续多久?

  认识从发明到产品的丰富内涵。由于传统文化的影响,我们习惯于把一个“发明”同一个发明家联系起来。古代就有“伯益作井”、“巧倕作舟”、“鲁班发明锯”的传说;现代科技又有爱迪生发明电灯、莱特兄弟发明飞机的故事。

  事实上,一个重大的发明物要经多人之手。就原创的意义讲,我们可以认为某一个“发明”是某一个发明家的产物。然而,从这个“发明”问世到成为我们生活中熟悉的产品,其前后却有着许多发明者的努力。

  就以爱迪生的电灯为例。19世纪90年代,爱迪生的发明专利到期,此后其他公司的工程师继续努力,先后试用锇、钽等金属灯丝,性能有一定改善。最终,威廉姆·库利治(WilliamCoolidge)在1910年发明出钨丝灯丝,彻底替代碳化竹丝,照明强度提高2到3倍,寿命提高了1倍。

  重大的发明绝非“毕其功于一役”,我们使用的产品,都经过一系列的改进,距最初的发明已相差甚远。

  对产业革命进行历史思考,是我们为迎接新产业革命所必须要作的思想准备。今天的中国,需要踏踏实实地学习,通过对技术活动细致的了解,实现全方位的不断创新。

  注释

  125中国科学院编:《科技革命与中国的现代化》,北京:科学出版社,2009年。

  3吴国盛:《科学的历程》,北京大学出版社,第262页。

  4[英]查尔斯·辛格等:《技术史》(第Ⅳ卷),上海科技教育出版社,边码163。

  6戴吾三等:《影响世界的发明专利》,北京:清华大学出版社,2010年。

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