[转贴]我们几千年前就蒸馒头蒸饭，为什么蒸汽机是外国人发明的呢？
TMD，知乎是堕落到一个讲科学史的人都没剩下吗？怎么全剩下些意识形态政棍了？
从1世纪前后开始，世界上到处都有使用蒸汽压力做功的玩具，从中国到罗马全都有。包括走马灯、汽转球、自动门、机械管弦乐队等等。但这些玩具的功率都非常低，因为它们都是常压下的蒸汽机。人类在意识到气压这个东西存在之前，不知道如何通过提高气压来增加蒸汽机的输出功率。因此这些功率小得可怜的蒸汽机除了作为玩具没有实用价值。从这些玩具到真正可以提供生产力的蒸汽机，中间隔着长达2000年的科学突破。
1、“自然厌恶真空”，这是亚里士多德的理论。他认为空气是没有重量的。
2、17世纪早期，伽利略听说水泵最多只能抽水34布拉恰（意大利长度单位，因各城邦不同大约在50-70cm，伽利略用的应该是佛罗伦萨的58.3cm布拉恰），于是说了句“自然厌恶真空”可能是有极限的，最多就这么高。
3、1641年，33岁的托里拆利赶到佛罗伦萨，成了伽利略的助手。几个月后伽利略就去世了，那个水泵抽水极限的问题留在了托里拆利手里。
托里拆利做了一个实验。他没用水——水太轻，需要一根十几米长的管子，实验室根本装不下。他换了水银。 水银密度是水的13.6倍，一米长的管子就够了。
1643年，他把一根长2布拉恰，一端封闭、装满水银的玻璃管倒插在水银盆里。管子里的水银柱先往下落了一截，然后停在约1又1/4布拉恰1指（大约74.85cm，和今天测量的1个大气压76cm水银柱大差不差）的高度，再也不动了。水银柱上方出现了一段真正空无一物的空间——人类历史上第一个人造真空。
托里拆利的结论非常简单：我们生活在空气海洋的底部，空气有重量，这个重量产生了压力。 是大气压力把水银柱”推”到了76cm——不是真空在”吸”，是空气在”压”。
世界上第一支气压计就这样诞生了。
然后托里拆利就死了。
4、帕斯卡：带根气压计爬山（1648年）
法国人布莱兹·帕斯卡（1623-1662）读到了托里拆利的论文。他立刻想明白了一件事：如果空气真有重量，那爬到高处，头顶上的空气少了，气压就该降低。
1648年，帕斯卡自己在巴黎不太方便出远门，于是委托他姐夫弗洛兰·佩里埃带着水银气压计去爬法国中部的多姆山，海拔1465米。
佩里埃老老实实在山脚量了一次，山顶又量了一次。结果跟帕斯卡预料的完全一致：山顶的水银柱比山脚低了一大截。
这件事的意义怎么强调都不为过——它彻底终结了亚里士多德”自然厌恶真空”的理论。空气有重量，重量随高度递减，这就是全部答案。
5、马德堡半球（1654年）
如果说托里拆利和帕斯卡的工作是”书斋里的胜利”，那接下来这位德国人把它搬到了所有人面前——而且是最戏剧化的方式。
奥托·冯·格里克（Otto von Guericke，1602-1686）的身份本身就很有意思。他不是一个全职科学家——他是马德堡市市长。三十年战争把这座城市几乎夷为平地，他一边重建城市，一边在自己家里鼓捣科学实验。
大约1650年，格里克造出了世界上第一台真空泵。原理类似一个反过来的打气筒——能把密封容器里的空气往外抽。
1654年5月8日，格里克搞了一场超级实验。观众是神圣罗马帝国皇帝斐迪南三世和一帮王公贵族。他准备了两个直径约50厘米的铜半球，边缘精密研磨到严丝合缝，中间垫了浸过油和蜂蜡的皮垫圈。用自己发明的泵把球内空气抽空后，他牵来了两队马——每队八匹，一共十六匹——试着把球拉开。
马匹嘶鸣，缰绳绷紧，十六匹马拼命使劲……
半球纹丝不动。
然后格里克打开阀门，让空气重新流进去。只是轻轻一碰，两个半球就自己分开了。
在场的人都看傻了。
这件事的影响远超物理课堂。它把”大气压力”从一个抽象的学术概念变成了所有人都能直观感受的东西——空气不仅有重量，它的力量大到离谱。地球大气在每平方厘米表面上施加的力，大约相当于一公斤的重量。
这一点非常非常重要。不认识到气压差能够带来巨大的功率，蒸汽机就永远只能停留在小玩具上面。
接下来，真空泵传到了英国，直接启发了下一环的关键人物。
6、波义耳、胡克和气压定律（1660年代）
罗伯特·波义耳（1627-1691），这位化学家想自己搞一台空气泵做实验，但他的工匠说这东西太难做了。于是他找了个帮手——罗伯特·胡克（1635-1703）。胡克可能是那个时代最天才的实验家和工匠，他给波义耳造出了一台比格里克原版更好用的空气泵。
用这台设备，波义耳和胡克在1662年发现了一条基础定律：温度不变时，气体体积和压强成反比——就是今天中学生都背过的波义耳定律（PV = 常数）。
理论上的里程碑。但这事真正重要的地方在于——波义耳的实验室里，马上要来一个改变世界的人。
7、巴本锅和蒸汽活塞的雏形（1679-1690年）
丹尼斯·巴本（647-约1712），法国物理学家。他的人生轨迹基本把当时欧洲所有科学中心串了一遍。
巴本在巴黎读的医学，但没当几天医生就迷上了物理。他先跑去了荷兰，给大科学家克里斯蒂安·惠更斯（就是搞出光的波动说的那位）当助手。惠更斯当时在搞一个更疯狂的项目：用火药爆炸推动活塞。火药发动机最后不可行，但在惠更斯的实验室里，巴本第一次接触到了“膨胀气体推活塞”这个想法。
1675年，巴本又跑到了伦敦，加入了波义耳的实验室。
波义耳的实验室里，巴本开始琢磨一个问题：水沸腾产生的蒸汽，加上自己从波义耳那里学到的压力知识，能不能让水蒸气产生实际用途？1679年，他搞出了一个叫“消化器”的装置——一个完全密封的铁锅，里面水被加热成高压蒸汽，能把骨头都煮成酥的。为了防止炸锅，他还设计了世界上第一个安全阀。
这个“消化器”就是现代高压锅的直系祖先——中文里叫“巴本锅”。
但巴本想的远不止炖肉。他注意到高压锅里的蒸汽力量极大。1690年，在德国莱比锡大学教书期间，巴本画出了人类历史上第一张蒸汽活塞发动机的设计图。
他的构想是这样的：在汽缸底部放少量水，加热变成蒸汽，蒸汽膨胀推活塞上升；撤掉火源让蒸汽冷却凝结，汽缸里形成真空，大气压力把活塞压回去——一个完整的工作循环。
这就是后来所有蒸汽机的基本原理。巴本甚至造出了一台能运转的小模型。
但有一个要命的问题：他的手工精度根本不够。活塞和汽缸之间的密封怎么都做不好，蒸汽不断泄漏。他也找不到足够的钱和工业条件把设计做成实用的机器。1712年前后，巴本在贫困中去世，他的构想只能留在纸面上。
8、萨弗里的“矿工之友”（1698年）
就在巴本跟活塞密封死磕的时候，英国康沃尔郡的矿井遇到了大麻烦。
矿井越挖越深，地下水哗哗往里渗。当时的排水全靠马力和水力，成本高到很多矿场快撑不住了。
当时全世界只有英国有这个问题。其他国家大多森林覆盖率还行，犯不着去挖煤炭，或者挖煤炭也是挖露天煤矿。至今挖煤都是高风险行业，古代挖煤更是人均寿命不到20岁的自杀性工作，但凡有一点出路没人愿意当煤矿工人。但英国12世纪就把自己的森林砍光了，没办法只能下矿井挖煤。而偏偏英国的煤矿含水量爆表，于是这里就成为蒸汽机的孵化场。
一个叫托马斯·萨弗里（1650-1715）的英国军事工程师看到了商机。1698年，他申请专利，造了一台叫“矿工之友”（The Miner’s Friend）的蒸汽泵。
萨弗里的做法很直白：把蒸汽灌进一个容器，然后往容器外壁浇冷水让蒸汽冷凝——容器里气压骤降形成真空，把井下的水吸上来；再灌高压蒸汽把水推到更高处。
这机器确实能抽水。但问题很多：没有活塞，效率奇低；高压蒸汽动不动就把容器炸了；而且扬程也非常低。
“矿工之友”在商业上一塌糊涂，但萨弗里在专利里写的措辞极其宽泛——“用火力驱动抽水”——这几个字后来让他的后人从纽可门那里白白分了不少钱。
9、纽可门（1712年）
萨弗里还在费劲推销他的“矿工之友”时，德文郡有个人正在默默做自己的研究。
托马斯·纽可门（1664-1729），职业是铁匠，同时在浸信会当平信徒传教士。他的日常工作就是打铁、修工具、修矿山设备，所以对矿井排水的问题太熟了。
纽可门没上过大学，但他自己订阅了当时最前沿的科学期刊，读到了巴本关于蒸汽活塞的文章，也了解了萨弗里的蒸汽泵。更关键的是，他是铁匠。他能自己动手把精密金属零件造出来，这恰恰是巴本这辈子最缺的东西。
纽可门在他的铁匠铺里折腾了将近十年。他的方案把前人的好东西都揉在了一起：
采纳了巴本的活塞-汽缸方案，但把汽缸做得超大（直径两三米），密封靠手工研磨做到他那个年代能实现的最好程度。 保留了萨弗里用冷水冷凝蒸汽造真空的方法，但把冷凝和抽水分开做在两个容器里。 加了一根巨大的木制摇臂杠杆，一头连活塞，一头连水泵。 1712年，世界上第一台真正能用的“大气式蒸汽机”在达德利城堡附近的煤矿开始工作了。
它的循环很巧妙：
往汽缸灌低压蒸汽，蒸汽推着沉重的活塞往上升 活塞到顶后，往汽缸里喷一股冷水——蒸汽瞬间凝结，汽缸形成真空，大气压力（每平方厘米整整一公斤）把活塞往下压 活塞下拉的力通过杠杆传给另一头的水泵，把矿井水抽上来。注意：推动活塞下降的力量来自大气压力而不是蒸汽压力。
每小时12个冲程，每个冲程能把约45升水举到50米高。按今天的标准笨重到可笑——每生产一吨煤，它自己就要烧掉一大块——但它不需要风，不需要河流，不需要马。烧煤就行。
纽可门蒸汽机迅速铺到了全英国的煤矿，欧洲大陆和北美也有安装。它用了超过60年。
10、瓦特的顿悟（1765年）
蒸汽机能用了。但”能用”跟”好用”之间，隔着一道巨大的鸿沟。
纽可门蒸汽机有个先天残疾：每次循环，汽缸都要被蒸汽加热一遍，然后再被冷水浇冷。 刚烧到快沸腾的汽缸马上浇冷，浪费的能量夸张到什么程度？——四分之三的燃料都花在了反复加热汽缸本身上，跟做功没半毛钱关系。
1763年冬天，格拉斯哥大学请一个叫詹姆斯·瓦特（1736-1819）的仪器制造师修理一台教学用的纽可门蒸汽机模型。
瓦特那年27岁。苏格兰造船工匠家庭出身，身体不好，没完成过正式的学徒训练，但手艺极好，被格拉斯哥大学特聘来修精密仪器。在修复这台纽可门模型的时候，他被它的低效震住了——烧了一大堆煤，活塞动了几下就停了。他决定搞清楚蒸汽机到底哪儿出了问题。
1765年春天的一个星期天，29岁的瓦特在格拉斯哥绿地上散步。走过一座老洗衣房的时候，一个念头突然撞进了他脑子：“蒸汽是有弹性的流体——它会不会自己冲进一个真空里去？”
等一下。如果让蒸汽在单独的容器里冷凝，而不是在汽缸本身里呢？汽缸一直保持高温，冷凝器单独保持低温——就不用反复加热和冷却汽缸了！
这就是分离式冷凝器的灵感。
11、往复式蒸汽机：真正改变世界
分离式冷凝器直接省掉了四分之三的燃料。1769年瓦特拿到了专利。1775年瓦特遇到了马修·博尔顿，伯明翰的一个顶尖制造商。博尔顿的索霍制造厂有全英国最好的金属加工能力，恰好解决了瓦特最头大的问题——精密汽缸做不出来。两人一拍即合。博尔顿-瓦特公司成立，蒸汽机从此进入大规模商业化时代。
瓦特也没有停在分离式冷凝器上。接下来十几年他一直在改：
双动式汽缸：蒸汽轮流从活塞两端进入，活塞往复两个行程都做功，效率翻倍。
行星齿轮 + 曲柄连杆：把活塞的来回直线运动变成旋转运动。这个改动太关键了，蒸汽机从此不只能抽水，还能驱动纺织机、轧棉机、机床，任何需要旋转动力的机器都能接上。
平行运动连杆：一个巧妙到令人咋舌的机械结构，保证活塞杆绝对垂直不偏。
离心调速器：一个小装置，靠旋转离心力自动调节蒸汽进气量，让蒸汽机稳定在设定转速。这算得上是历史上最早的自动反馈控制系统。
瓦特不是“发明”了蒸汽机。蒸汽机在他之前早就有了。他是把它从一台只能吭哧吭哧抽水的笨拙热机，变成了一种通用的、高效的、可控的动力源。
从伽利略到瓦特，大约140年，横跨意大利、法国、德国、荷兰、英国五个国家，牵涉十几位科学家和发明家。
这不是一个人的故事。这是一个科学接力棒一棒一棒传下来的故事。
亚里士多德扔出了一个错误问题，伽利略发现了这个问题的裂缝，托里拆利用一根水银管给出了第一个正确答案，帕斯卡让人扛着气压计爬了座山来验证它，格里克拉来十六匹马演给皇帝看，波义耳和胡克把它变成了一条数学公式，巴本蹲在厨房里用高压锅窥见了蒸汽的力量、画出了活塞的草图，纽可门用铁匠的手把它做成了能转的机器——最后，瓦特在一个没事干的星期天下午散步时，想明白了怎么不让它浪费能量。
大气压力一直都在。人类花了两千年才真正“看见”它，又花了一百年学会“驯服”它。
这才是蒸汽机真正的故事。
其实理清楚了这一段科学史，我们很容易理解中国到底在哪一步走向了另一条岔道，错失了工业革命。
1、古代中国对于气压的研究到了哪一步？
比很多人想象的要深。因为中国古人很早就意识到“气”是有重量的，而且意识到压力产生于“外气迫之相著”这比其他国家的科学家要领先很多年。从汉代开始，中国人设计了大量定性演示大气压 / 负压效应的实验，比如战国汲酒器、西汉铜瓮雷鸣、唐代虚管悬液、宋代拔火罐，可重复、设计巧妙、早于西方千年以上。而且在此基础上，中国人也知道气压是有限的，因此对于高扬程提水需要多级水泵。
那么差在哪一步呢？答案是定量研究。这并不是说中国人不会定量研究。中国人在水泵、虹吸管单级汲水高度问题上其实是有大量研究的，但是给出的值并不是10米，而是6-8米。
为什么没有得到过10米这个值？其实原因并不复杂，因为中国人用的是木管和竹管，这俩天生闭气不严，所以达不到理论大气压下10米的扬程。
其实伽利略给出的34布拉恰的扬程数据也是错的。后来有些科普文硬说是30英尺或者33英尺，当然都是瞎扯，伽利略一意大利人怎么也不会用英尺这个单位。当然意大利也有对应英尺（foot）的皮埃德，但是这个单位各城邦之间差得更大，因此科学研究一般都是用布拉恰，差距多少小一点。
没有合适的研究工具，无论是中国人还是意大利人都测量不出来气压。
那托里拆利用的什么？
他用的玻璃管。对于这个古代中国人只能骂骂咧咧离场。中国恰好没点亮透明玻璃这条科技树。所以中国人虽然更早地知道了空气有重量有压力，但是距离制造并观察到人造真空就差那么一层窗户纸，就是突不破。
玻璃，是欧洲科学领域反超中国的一件至关重要的法宝。
2、从托里拆利到瓦特，并不是一个国家的事情
在从真空到蒸汽机，100多年中这一科学的接力棒在意大利人、法国人、德国人、英国人之间反复流转，才最终孵化出了蒸汽机。
这是信息交流的胜利。
信息交流是科学技术发展最大的推动力。
在人类科学发展的漫长脉络中，从古希腊文明萌芽到近代科学革命，几乎所有重大科技突破，都是跨地域、跨时代信息交流与知识接力的成果，蒸汽机的诞生绝非个例，而是贯穿千年科技发展史的普遍规律。古希腊从波斯、埃及、巴比伦获取早期的科学知识框架；欧几里得整合古希腊各地几何研究成果，编撰《几何原本》，将零散的几何公理、定理系统化、体系化；阿基米德融合力学、浮力与数学知识，奠定静力学基础。这些珍贵的学术成果并未随古希腊覆灭而消亡，而是通过古籍抄录、地域传播，传入拜占庭帝国，再经阿拉伯学者翻译、校勘、增补，在中世纪的文化寒冬中完整保存下来。
阿拉伯文明成为东西方科学交流的核心枢纽，承接古希腊数理成果，吸纳古印度数字体系、东方工艺技术，完成了知识的融合升级。花拉子米在希腊代数雏形与印度计数法基础上，创立系统化代数学；阿拉伯工匠借鉴东西方机械知识，改良自动机械、水利装置，这些知识典籍通过商贸、游学、文化交流反向传回欧洲，为文艺复兴后的科学爆发埋下伏笔。
反观各类文明中孤立诞生的技术与思辨，无论是中国古代的气压实验、蒸汽动力雏形玩具，还是各文明零散的数理观察，皆因缺乏广泛、持续的信息交流，只能停留在经验层面，无法形成体系、迭代升级。从古希腊知识奠基，到阿拉伯文明传承融合，再到近代欧洲跨国学术互通，几千年科学史清晰印证，正是不间断的信息流转、知识共享、跨国接力，让零散经验升华为科学体系，让零星发明迭代为近代技术文明。
而古代中国，非常遗憾，由于地理上的封闭性，中国人极难接触到其他文明的科学成果。《几何原本》一直到17世纪初才传到中国，透明玻璃的制造则要等到清代中后期，微积分传到中国时都二鸦了（1859年的《代微积拾级》）。当然这里面有满清故意限制外来科学技术传入的原因，但放在几千年的尺度上，主要障碍还是地理阻隔。
更糟糕的是，自秦始皇统一中国以来，因为古中国太能打了，导致中国周边地区尤其是黑龙江到阿尔泰山的广袤区域给打成了“武德高地”。两千年来一直是这里的征服者向西祸害别人，西方来的军队连中国的边都摸不到就给匈奴、柔然、突厥、回鹘、契丹、蒙古这一堆大爹给干废了。上一次能祸祸中国的西来民族还得是周幽王那时候的事情，最后给齐桓公干趴下的。这导致西方时不时能够通过东来的征服者获得中国的科学技术成就，但中国反而更难获取西方传来的科学技术。
福兮祸所伏，祸兮福所倚，中国独特的地缘环境塑造了中华文明的独特气质，也错失了引领科学革命的机会。
3、印刷术与字母文字碰撞产生的质变
这一点国内论述比较少，但是如果你注意一下从真空到蒸汽机的发展脉络，你就会发现他们的信息流转速度要远远快于古代中国。托里拆利制造出了真空，这个消息很快就传到了帕斯卡那里，马德堡的真空泵，很快就出现在波义尔的实验室。这是因为17世纪的欧洲已经有了划时代的信息传播工具——期刊。
在此之前，科学信息主要通过专著、师徒、书信等方式转播，但是17世纪的欧洲先后发明了报纸和期刊，这让科学技术信息传播的速度和广度都大幅度增加了。纽可门只是一个铁匠，但是他却可以通过订阅学术期刊，随时随地了解最新的科学信息。他正是在期刊上看到了巴本锅，并在其基础上发明了纽可门蒸汽机。中国铁匠并非不识字，甚至可能家里有几本书，但是订阅学术期刊这种事情得到新中国建立以后才能做到。
报纸和期刊，依托是活字印刷术的大面积普及。注意，中国虽然发明了活字印刷术，但并没有进行大面积普及。因为汉字活字印刷的成本仍然不低，而且木活字和泥活字速度慢、字体不规整、损耗大。中国最早期的报纸《察世俗每月统记传》、《东西洋考每月统记传》都是木刻雕版印刷的，不仅一个月才出1期，而且每期只有几页，内容少得可怜。一直到二次鸦片战争之后，手摇 / 蒸汽平版印刷机引入中国，中国的报纸和期刊才逐渐发展起来。
但这仍然没有解决汉字印刷的难题。1860 年代至 1970 年代，汉字印刷长期被 “字多、排慢、改难、污染重、自动化难” 五大难题卡住，一百多年基本困在 “铅与火” 里。字母文字仅几十个字母，汉字常用约 6000 字，总数数万，一字一模，还要分字体、字号。手工刻钢模一天仅能完成 1–2 个汉字，凑齐一套常用字模就要数年时间。铅字架占地巨大，拣字工要在数万字中来回查找，劳动强度极高，因此汉字出版物始终面临排版效率极低，出版周期漫长的困境。一个报纸版面就要1天来排版，一本书往往要一年。我们常常说老一代文字工作者搞汉语拼音化是希望汉语教学简单，其实相比起教学来说，印刷才是难以解决的问题。20世纪以后，全球已经普遍使用打字机，就中国到1970年代还在搞蜡印，我小时候学校出卷子都还是老师们一笔一划在蜡纸上写的题，然后一张卷子一张卷子地刷出来。汉字印刷的难题一直到激光照排、GB2312字库、五笔输入法、WPS的逐一发明，才真正得到解决。
而欧洲在古腾堡印刷机之后，因为字母文字天然适配活字印刷，因此印刷业很快发展起来。虽然早几百年印刷机都被拿去印圣经了，但是到17世纪，量变终于引起了质变。使用印刷教材的大学规模扩大，各种学会开始组建。1603年，意大利建立了最早的自然科学学会猞猁学院，1660年代，英国和法国分别成立了皇家科学院。学会印刷的期刊彻底改变了科学知识传播模式。当时英国皇家科学院每月出版一期《哲学汇刊》，每期32页，刊登10–20篇文章。
到18世纪，在英国、法国等较为富裕的欧洲国家，印刷品对于社会的渗透已经非常深入，由此带来的是科学技术的进一步下沉。像纽可门、瓦特这样的工匠可以获取科学界最新的前沿成果。炮兵学校的毕业生可以熟练使用微积分。查尔斯·梅西耶（彗星猎人）、斯蒂芬·格雷（电之父）这样的中下层平民也能参与天文学与物理学的前沿研究。这在以往任何年代、任何地方都是不可想象的事情。
他们由此在各行业的科学技术水平上普遍超过中国，并为工业革命做好准备，当不足为怪。
总之，印刷术和字母文字碰撞所带来的质变，为17世纪的欧洲带来了一次信息传播的革命，而这次信息传播革命，反过来触发了17世纪的现代科学黎明，并在18世纪为工业革命铺平了道路。
今天，在这个AI时代，汉字毫无疑问是最高效、最简洁、最精确的信息载体。但是在几百年前，汉字却是中华文明发展的玻璃天花板，使得中国发明造纸术和印刷术的含金量大幅度下降，使得中国全民普及科学知识延迟了很长时间。
怎么说呢？一代版本一代神吧。