蒸汽机、铁与煤炭
可以说，在18世纪，英国和中国（以及其他几个国家）都面临着人口增长带来的类似（但又不完全相同）的资源短缺问题。英国相对成功地解决了这些问题，但这一成功最初并不是来自更先进的技术，而是源自对外来理念异常开放的态度，以及由此而产生的少量卓越创新。
英国的纺织业也与意大利的丝绸生产商展开了技术对话，其中一些生产商使用的是很早以前在中国发明改进的设备（第六章）。至于蒸汽机的发明，最关键的创造理念来自意大利和德国（特别是大气压力的发现），以及法国人丹尼斯·帕潘（Denis Papin），他在17世纪80年代发明了一种差不多的蒸汽机（但没有把它改进为经济适用的机器）。[6]1712年，英国的托马斯·纽科门（Thomas Newcomen）根据类似的理念开发了一种可以驱动水泵从矿井中抽水的蒸汽机。它的工作原理是在汽缸内通过冷凝蒸汽来形成部分真空空间，然后大气压力就会使活塞下降。图7.2展示了同一类型蒸汽机的后期改良版本，仍然是在汽缸内冷凝蒸汽的基础上工作。这种使用蒸汽动力的方式效率很低，因为汽缸在每个冲程中都要进行冷却和再加热。但是这种蒸汽机烧的是煤，而非木材，在英国，几乎所有的此类蒸汽机都在煤矿使用（主要用于抽水），所以可以用很低的成本获得燃料。
图7.1 通过在封闭的木堆中炭化木材来制造木炭，图中显示了制作的不同的阶段，从刚点燃的木堆（左前）到接近完成的坍塌的木堆（图远景处）。有个人在采伐树苗，以用于新的木堆（远景左侧）［摘自《环球杂志》（Universal Magazine），1747年，由铁桥谷博物馆提供］
在一个多世纪的时间里，英国的木柴价格一直以两倍于大多数商品的速度上涨。煤炭作为一种燃料被越来越广泛地使用。人们纷纷将家庭壁炉和烟囱改造成烧煤的。而工业生产也在努力跟上这一改变，尽管有时煤只有在先转化为焦炭时才适合作为工业燃料使用。1709年，亚伯拉罕·达比（Abraham Darby）在什罗普郡（Shropshire）的科尔布鲁代尔（Coalbrookdale）工作时发现，焦炭可以代替木炭来为高炉供能。很明显，一旦克服了这些技术上的困难，焦炭高炉将使英国钢铁工业摆脱重大的环境限制，即对木炭的依赖。
图7.2 托马斯·纽科门在1712年发明的那种蒸汽机，18世纪70年代由约翰·斯米顿（John Smeaton）加以改进。这台蒸汽机被设计用来从英格兰东北部的一个煤矿抽水。锅炉和汽缸在中间偏左的位置。矿井的顶部在其右边，中间有一根沉重的杆子，用于连接蒸汽机和下面矿井中的水泵［摘自法里《蒸汽机论》（Farey.A Treatise on the Steam Engine），由铁桥谷博物馆提供］(https://www.daowen.com)
因此，英国引入焦炭炼铁被视为一个重要的里程碑，甚至有人称之为工业革命的起点。但是，焦炭炉想要一飞冲天仍需时间，因为产出的产品质量总是参差不齐，难以控制。大约在公元1760年之后，以焦炭炼制铸铁的技术才真正获得成功；然后，这一工业分支开始飞速发展。[7]几个世纪之前，在中国，焦炭高炉的使用使河北地区炼铁工业的生产规模迅速扩张（第一章），但亚伯拉罕·达比在1709年开发的另一种焦炭高炉则是一项完全独立的发明。达比对中国的工艺一无所知。但两地面临的一个共同因素是由林地供应的木炭出现短缺，限制了铁的产量。作为独立发明的典型案例，这种情况说明，即便在不同的地方、不同的时间，同样的环境制约因素也能导向相似的结果。
显而易见，11世纪中国的焦炭高炉之所以没有像后来的英国高炉那样带来突破性的变革，是因为中国的创新没有得到蒸汽机的补足。到1734年，在英国的采煤区，有多达100台这样的机器正在从矿井中抽水。一些因大水泛滥而无法踏足的煤层现在可以开采了。对于蒸汽机的发展来说，它很幸运有这么多矿井亟待其帮助，毕竟最开始的时候，蒸汽机只有在煤矿中使用时才能盈利。纽科门蒸汽机的热效率（thermal efficiency）只有0.5%左右，还要耗费大量的燃料。当时蒸汽机的另一个局限在于，它只被设计为抽水装置，因此没有用于矿井的极少数蒸汽机也只被用于各种装饰性喷泉，比较著名的是在伦敦和欧洲各地的大花园中。[8]
尽管有这些不足之处，但蒸汽机还是迅速与钢铁工业产生了密切联系。制造蒸汽机最难的地方就是制造汽缸。它必须用金属铸造，而这一过程与铸造大钟或大炮面临着同样的困难（大钟或大炮最初是用青铜制造的，后来才有可能用铁铸造）。同样，蒸汽机汽缸起初是用黄铜制造的，但1718年，一个铸铁汽缸在科尔布鲁代尔问世了。18世纪20年代，更多的铁汽缸被制造出来，到1731年，为蒸汽机机铸造铁汽缸已经成为科尔布鲁代尔当地的一项常规业务。
在这一地区，蒸汽机的抽吸作用也首次被用来为高炉鼓风。中国的高炉依赖人工驱动的风箱（图1.1），只是偶尔会使用水车。在英国，高炉是由水力风箱鼓动的。因此，在干早时，高炉作业经常不得不停止。1742年，科尔布鲁代尔用一台蒸汽机抽水，从而使水力风箱可以一直保持运转。在接下来的几年里，带铁制汽缸的泵被引入以取代风箱，从1776年开始，同样是在什罗普郡，这类机器开始直接由蒸汽机来驱动。这使高炉摆脱了对水力的依赖，另一个限制铁的生产的因素也就此消除。因此，蒸汽机的发展是与钢铁和煤矿行业共生的，后两者都需要蒸汽机来实现生产发展，同时也为蒸汽机的进步迭代做出了贡献。
18世纪中期，当人们尝试改善早期焦炭炉炼铁的不完善之处时，也是在詹姆斯·瓦特（James Watt）开始对蒸汽机进行彻底改造之前，英国解决木材和燃料短缺问题的办法，主要是从木材和木炭资源更丰富的国家来进口。英国使用的铁大约有一半来自瑞典和俄国的木炭炉。一段时间以来，俄国在逐步建立规模庞大的制铁业，到1780年左右，它成了世界上主要的铁出口国。同时，英国通过从瑞典和俄国（还是这两个国家）以及北美进口木料，部分解决了造船用木材的短缺问题，但一些船主选择干脆在国外建造船只。据称，1774年，英国大约有三分之一的新船都是在美国东部沿海地区建造的，尽管这种做法很快就被独立战争打断了。英国东印度公司也经常在印度建造船舶，在拿破仑战争期间，英国皇家海军也开始在印度建造战舰。
这样一来，通过技术革新和海外活动，英国克服了单纯依赖陆地资源所带来的经济增长的限制。将海外土地吞并，开发为殖民地的举动，也在扩大英国的资源基础方面发挥了关键作用。然而，有人认为，工业界仍然面临着资源短缺的问题，大约到1820年之后，英国不断增加的人口中的大多数人的生活水平才有了显著提高。
有些历史学家用人均铁产量（即总人口中的人均产量）的估计值来说明，当铁工业摆脱了对木炭燃料[9]和水力的依赖后，其生产水平就有可能取得突破性的提高。在大多数前工业化经济体中铁的人均年产量低于两千克，以英国为首的西欧在18世纪90年代超越了这一数字，到1805年，其人均铁消费量可能达到了5到6千克。[10]
