我小的时候，家里烧开水还需要用铝的水壶（当时叫“炊壶”）。如果水壶的盖子开始叮当作响，这就说明水快开了，要特别留意。
有一次，我母亲告诉我说：你知道水壶的盖子为什么会叮当响吗？那是因为水变成蒸汽之后，把盖子顶开，等开了一条缝，蒸汽跑出去，盖子又落下来。以前英国有个发明家叫瓦特，他看到这个，就发明了蒸汽机。现在我们坐的火车的火车头，开起来冒白气的那种，就是蒸汽机车……
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小时候我听了很多这类故事，长大了也才明白父母的一番苦心，是鼓励孩子从小保持好奇心，留意四处观察。现如今，我大概仍然保留了一些好奇心，但也很尴尬地发现，我们从小接受的教育里，关于科学的许多“故事”并不是真的。
其中最知名的例子是“牛顿被苹果砸到因此发现了重力”，牛顿的确发现了重力，但是否因为“被苹果砸到”则尚无定论，更像为讲故事而讲故事。同样，“瓦特与蒸汽机”的故事也是如此。后来读科学史，才知道瓦特并没有“发明”蒸汽机，只是“改良”了蒸汽机。但是到底如何“改良”，似乎我读到的资料都语焉不详。
所幸，依照我尚存的一点好奇心，最近终于搞明白了瓦特和蒸汽机的故事。今天，我把自己所知分享在这里，如果你也有兴趣，欢迎继续。
瓦特的确没有“发明”蒸汽机，而只是“改良”了蒸汽机。他改良的对象，则是当时已经广泛使用的纽科门蒸汽机。詹姆斯·纽科门（James Newcomen）1664年生于英国的达特茅斯，是一名铁匠。和当时的许多人一样，他观察到水被加热到沸腾之后会变成蒸汽，体积会膨胀约1700倍。纽科门因此想到，能不能依靠蒸汽来做工？
按照这个想法，他在1712年发明了“大气引擎”（Atmosphere Engine为专有名词，注意与今天气象学上的“大气引擎”不同），也叫“纽科门蒸汽机”，这也是世界上第一台实用的内燃机。
这台机器最早的设计今天看起来很简单，纽卡们依靠几个关键部件：阀门、活塞、汽缸、摇臂。蒸汽进入汽缸，推动活塞向上，由摇臂带动远端的连杆做工，等蒸汽散去，活塞落下，再重复这个过程。整个过程看起来很像水烧开时壶盖叮当响，的确可以利用蒸汽提供机械能，唯一的问题是，它的效率太低。
纽科门蒸汽机。来源：wikipedia
纽科门然后想到，为了让活塞复位，可以向汽缸注入冷水，这样蒸汽就会迅速凝结，体积缩小，再把这些水导回锅炉，就可以继续进下一次循环。于是他添加了冷凝水箱，设计了两个联动的阀门，在活塞上升到汽缸顶端时，关闭锅炉阀门，短暂打开冷凝水阀门，注入冷水，活塞会在大气压力作用下回位，这就是今天常见的“下冲程（Downstroke）”。等到活塞回落到汽缸底部，重新打开锅炉阀门，少量冷凝水回到锅炉内，蒸汽重新注入汽缸，开始下一次做工行程。
纽科门蒸汽机的原理并不复杂，也只能做简单的往复运动，在当时仍然大受欢迎。为什么？因为十八世纪英格兰导出都是浅层矿井，渗水严重，矿主迫切需要抽水的办法。纽科门蒸汽机不需要人力干预，就可以完成抽水的任务，自然赢得了大家的喜爱。从1712年之后的六七十年里，纽科梦蒸汽机一直非常流行，直到瓦特拿出改良设计为止。
当时，詹姆斯·瓦特受人聘请，在格拉斯哥大学制造和修理科学仪器。一个偶然的机会，他开始研究纽科门蒸汽机的模型。瓦特坚持认为，纽科门蒸汽机的效率不高，大量能量被浪费了，但始终没有找到诀窍。据说瓦特为此感到心力交瘁，但他鼓励自己说：大自然一定有弱点，只是我们还没找到。
1765年的某一天，瓦特灵感闪现，他忽然意识到：纽科门蒸汽机向汽缸注入冷水，本意只是为了让蒸汽凝结，却连汽缸也一起降温了。为了提高蒸汽机的效率，汽缸必须维持在恒定的温度，需要降温的只是蒸汽而已。换句话说，冷却水应该只用来单独冷却蒸汽。瓦特同时也想到，为了提升效率，应当从顶部（而不是底部）引入新的蒸汽。
瓦特制造的第一个冷凝器。来源：Wikipedia
按这个想法，瓦特制造了第一个原型蒸汽机，这是一个庞然大物，高达7.3米，汽缸直径1.27米，由大量黄铜管、阀门、杠杆组成，瓦特还给它配备了调速器、飞轮，最终带领一台泵，可以以每分钟十五次的速度喷水、压气或执行其它任务。一旦这台机器运转起来，会发出巨大的噪音、剧烈的震动。围观者无不赞叹自然的伟大力量。
但是瓦特对这台蒸汽机并不满意，因为蒸汽机工作时会喷出大量的蒸汽，把整台机器笼罩其中。瓦特很清楚，蒸汽外泄就意味着能量损失，他需要保证活塞和汽缸之间的密封。
然而工业革命还需要瓦特的蒸汽机来引领，在这之前，生产几乎全靠手工完成。拿汽缸来说，铁匠首先打造铁板，然后锻造成圆环，最后密封边缘。可以想像，本该是圆形的汽缸一定不圆，在某些地方，活塞和汽缸之间有巨大的摩擦，平添阻力，在某些地方，两者之间又有巨大的缝隙，白费蒸汽。瓦特为此伤透了脑筋，他想了各种办法，比如用皮革、软木、橡胶、纸张，甚至用马粪来填补间隙，但是全都失败了。
恰恰就在此时，瓦特接到了一个订单，来自Bersham的成功企业家、冶金专家威尔金森（John Wilkinson）要求他提供一台蒸汽机，用以驱动铁厂的鼓风箱。看到瓦特的困扰之后，威尔金森一眼就洞穿了问题所在：瓦特的汽缸加工精度太差。于是事情发生了奇妙的反转，客户变成了主顾，主顾变成了客户，威尔金森转而为瓦特制造汽缸。
约翰·威尔金森是个传奇人物。他1728年出生，父亲伊萨克·威尔金森是最早使用焦炭替代煤炭进行冶炼的那批人之一，威尔金森子承父业，顺理成章成为铁匠铺老板（IronMaster）。但是他能出名创富，并不是因为冶炼，而是因为加工。
18世纪，皇家海军已经成为对英国非常重要的武装力量，但皇家海军仍然被一个问题搞得焦头烂额，那就是炮管的安全性。那时候，火炮炸膛并不是什么罕见的事情，一旦发生，轻则炮手丧命，重则舰船损毁。
原因不难理解，当时的火炮由铸造而成。先把铁水注入模具，等铁水逐渐冷却，工匠把炮管固定在一个平面上，用锋利的切割工具从炮口深入，将内管打磨光滑。可以想见，这个过程全凭手工，打造出来的炮管必然存在厚薄不均的现象，甚至内管可能都不能保证笔直。当时，火炮质量低劣、事故频发的现象，一度震惊了海军总部的高级将领。
为此皇家海军想尽了办法，用更好的模具，更熟练的工人，都无济于事。真正解决它的人，正是另辟蹊径的威尔金森。
威尔金森的办法与其他人都不一样：他要打造实心的炮管。理由是，如果铸造空心炮管，而且需要加工，他无法保证冷热均匀，必然出现气泡和海绵状部位。但如果打造实心炮管，相当于铸造圆柱体，却有足够的把握避免这些现象。
根据威尔金森的设计，一旦实心炮管铸造完毕，会被紧紧固定到加工设备上，不能移动分毫，然后以水车带动炮管绕轴线旋转。在另一边，锋利的钻头同样被固定，不能移动分毫。两部分以轴线对齐，炮管不断靠近钻头，如此加工出炮膛。
今天保存在爱尔兰的炮管。来源：Wikipedia
这个过程在今天看来无比简单，任何一台机床都可以做到。但要知道那是在18世纪70年代，不要说机械化，工业革命也尚未开启，甚至连今天习以为常的各种计量单位都不存在，威尔金森的想法可谓石破天惊。后来他进一步改良，炮管不动，钻头转动。他断言，只要保证稳定性，保证两边精确沿轴线对齐，加工过程中钻头没有任何弯曲、晃动，“结果必然准确无误”。
更重要的是，威尔金森的制造方法与之前不同，不依赖任何个人的手艺和经验，而是“以机器制造设备“观念的萌芽，在当时，这是重大的突破。
基于此，威尔金森制造的炮管，每一根都无比精确（以当时水平来看），堪称完美无瑕。皇家海军发现，无论发射什么炮弹，既不用担心炸膛，更不用担心炮弹的飞行轨迹——之前因为炮膛不够精确导致炮弹乱飞的情况再也没有出现过。
威尔金森早早为他的加工方法申请了专利，配合皇家海军源源不断的订单，他声名大噪，赚得盆满钵满。但是，他并没有就此止步，醉心于风流场的同时，仍然在孜孜探求新的应用。所以，当他在1775年遇到瓦特之后，他的发明才真正找到了改变世界的窗口。
对威尔金森来说，为瓦特制造汽缸，与为海军制造炮管大同小异。但是对瓦特来说，这无异于天降奇兵。直径1.27米的汽缸，活塞与气缸之间的间隙最大只有2毫米——这是1776年，威尔金森为瓦特制作的第一个汽缸的公差。这台蒸汽机运转的场面焕然一新，平滑流畅，嗡嗡作响，再没有外泄的蒸汽。见到这画面，瓦特和威尔金森眉开眼笑，但他们没有想到的是，这奇妙的组合，由此开启了工业革命的序幕。
今天回顾这个故事，我们能想到什么？从我自己出发，大概有几点让我印象深刻：
第一，瓦特冥思苦想改进纽科门蒸汽机的过程，很像软件开发中的“关注点分离”。最终他找到了诀窍：汽缸成了冷凝的瓶颈，应当冷凝的只有蒸汽，而不是汽缸。软件开发中我们经常需要反复思考，才能把最核心的部分剥离出来，其实这个道理也可以应用在很多方面。比如说，某种程度上，这有点像外卖——门店成了后厨的瓶颈，如果食客不用局限在门店用餐，后厨的能力才能得到充分释放。
第二，科技的进展从来就不是科学本身的进展，实践和技术的价值不容忽视。瓦特通过思考，找到了纽科门蒸汽机效率低下的关键，但是如果没有遇到威尔金森，他的设计也只能停留在蓝图上而已。今天，看起来互联网提供了海量的知识，但真正做一点事情就会发现，还有大量的知识、技能、经验是没有形成文字，在互联网上不存在的。即便是今天的技术人员，与现实世界多打交道，勤动手，勤思考，一定不是坏事。
第三，重大的科技进展往往不是一个人、一家企业能够“包干”，而是由多个“术业有专攻”的个人或者团体协同、接力完成的。甚至协同和接力的方式都不能提前预料到，只能用因缘巧合来解释。如何创造这种生态，让个体能专注于自己的兴趣所在，结果又能互相协同，这是个非常复杂的问题。
第四，对待过去，我们应当多看积极的方面，不要忽略时代局限。我至今仍然很感激父母在我小时候讲了很多与科学的故事，鼓励我去探索，尽管今天看来许多故事的叙述未必准确，许多探索的方向未必准确，但这都不要紧，要紧的是培养孩子对于世界的好奇。相应的，我们也应当更加包容。把故事讲得更好，应当是今天我们对自己的要求。
最后，如果你对这类内容感兴趣，欢迎留言和赞赏，那样我会更有动力继续写下去。
参考阅读
The Perfectionists: How Precision Engineers Created the Modern World, by Simon Winchester
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