瓦特与工业革命

技术不可能弯道超车

今年8月25日，是詹姆斯·瓦特逝世203周年纪念日。提起瓦特，很多人的第一反应都是——那个发明蒸汽机的人。但事实上，并不是瓦特发明了蒸汽机，而是他大大改良了蒸汽机，让蒸汽机产生了巨大的工业生产价值。

红色壹号酒业小编翻阅牛津《技术史》里的《工业革命》第6章，就会发现：如果没有前人的发明和创造，无论瓦特多么天才，也不可能凭空造出具有实用价值的蒸汽机。技术的进步，像科学一样，需要经年累月的积累，需要数辈人的努力，才有可能实现突破，而绝不可能“弯道超车”。

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最早的蒸汽动力驱动装置

已知最早的由蒸汽动力驱动的装置，是公元1世纪希罗设计的“风神轮”，也叫汽转球。它可以被认为是反动式汽轮机的原型，但只是一种哲学上的玩具，并不能产生任何显见的动力。

希罗还发明了另一种热机，机器中空气在加热时产生的膨胀力，被用于驱动水槽中的水通过一个虹吸管升到一只悬挂着的水桶中，随着重量的增加水桶会下降，从而打开一扇由平衡锤关闭的神庙门。

▲古罗马数学家希罗，与他发明的“汽转球”

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1600多年后，蒸汽的重新应用

直到17世纪，人们的注意力才再次转向了从热量中获得动力。波尔塔(1538-1615)在他的《灵学三书》中，不仅阐明了作用在液面上的蒸汽压力是如何驱使水从水槽中上升的，而且解释了蒸汽的凝结如何产生吸力，从而可以从水位较低的水面吸水。1615 年，法国的一位花匠科斯描述了一座用蒸汽驱动的观赏喷泉。

意大利建筑师布兰卡(1571-1640)是第一个认识到作用在轮子四周叶片上的喷射蒸汽流可以使轮子转动的人。1629年，他描述了根据这一原理工作的一类冲击式汽轮机，它是通过三倍减速齿轮连接到一对落锤上的。这一设计由于过于粗糙而无法达到工作要求，使得这一概念直到19世纪才得到运用。

▲A：设想的烟道机，热空气由烟道上升，使轧钢机工作；B：设想的由热空气驱动的捣碎机

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关键一步：大气压的发现

一个导致蒸汽机的发明的重要步骤是大气压力的发现。

据说由于科西莫二世——托斯卡纳大公的工程师们在制造从50英尺深处抽水的抽吸泵时没有取得成功(虽然经验已经证明提升30英尺左右是其极限)，于是便向伽利略(Galileo，1564-1642)求助。

伽利略开始进行试验，这一试验在他去世后由他的学生托里拆利(1608-1647)继续进行。1643年，托里拆利宣称大气施加的压力等于约30英寸长的垂直水银柱的压力，而且正是这一压力决定了通过抽吸使液体可以被提升的高度。

托里拆利预言此压力将随海拔的增高而降低，这一论点被帕斯卡(1623-1662)提出的一个实验所证实。他在1647年将一只气压表带到了奥弗涅的一座4800英尺高的山顶上，水银柱在登高过程中下降了约3英寸。

这一发现表明，利用大气压力对活塞上做功是可能的，由此导致了许多国家开始进行试验工作并最终发明了蒸汽机。

▲约1654年，冯·居里克在一次表演中显示了甚至连16匹强壮的马也不能拉开两个被抽空了空气的半球。

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第一次用蒸汽汽缸驱动活塞

有几位早期的发明家曾设想用火药的爆炸力作为一种动力来源。这一思想通常是利用火药爆炸来产生真空，从而可以从大气的压力中获取动力。

因此，惠更斯(1629-1695)在1680年提出了一种火药蒸汽机的形式，其中爆炸发生在汽缸内一个活塞的下面，该活塞由平衡锤提升到一个较高位置，几乎所有的爆炸气体都通过自动的释放阀门逸出。随着残留的部分气体的冷却，空气的压力会迫使活塞下降，这样就可以提起重物。

在惠更斯用这一装置做第一次实验时，他有了一位助手帕潘1647-1712?)。帕潘1690年设计的发动机由一根直径约 2.5英寸的竖管组成， 配有活塞和连杆。只要将少量的水加到管子的底部，在管子外部加热，产生的蒸汽会将活塞推到管子的顶部，并由抓钩的吊住。当通过冷却管子使蒸汽凝结时，用手放开抓钩，大气压力会迫使活塞下降。因此，这一管子必须完成三重任务，即锅炉、发动机汽缸和冷凝器。

帕潘的发动机表明了一种原理，但是并无实用价值。然而，他是第一个应用蒸汽在汽缸中驱动活塞的人，而且还指出了一种周期性的操作，后来由纽科门将其付诸实际应用。

▲法国物理学家丹尼斯·帕潘，帕潘也是高压锅的发明人

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蒸汽机不断改良，迈向实用化

在那些日子里，人们感觉到最需要的机械是抽水设备。

在众多关注这一主题的人中，就包括军事工程师萨弗里。他采用的原理是：在一密闭的容器中，由于蒸汽的冷凝，能使水位升高到大气压力所允许的最大高度，保留住水并对它施加安全范围之内的最高蒸汽压力，驱使水位升得更高。

▲左：萨弗里的“矿工之友 ”，一种靠火力汲水的蒸汽机；右：帕潘的萨弗里机的改进型，1705年

萨弗里机在18世纪早期就逐渐被废弃不用了。1705年，帕潘试图对它进行改良，但此时他放弃了自己早期很有前途的计划，即在汽缸活塞的下面冷凝蒸汽，并由此从大气压力中获得动力。这一原理有突出的优点，即所需的蒸汽接近于大气压强，使得发动机和锅炉的制造都在当时工匠们的能力范围之内。

沿着帕潘的原始设想继续深入下去的方案是由纽科门独立构思出来的，他所获得的成就要远超过以往的任何进步。他第一个建造了实用而又可靠的蒸汽发动机。

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纽科门蒸汽机

在纽科门于1712年建造的那台蒸汽机中，锅炉及其附属装置比一个大的酿造啤酒用的铜制容器大不了多少，产生的蒸汽仅为大气压力。

当蒸汽进入锅炉上方的汽缸底部时，主要由于悬挂在杠杆另一端的泵杆的重量作用，活塞会升到顶部。蒸汽通过排泄管和水密封阀，将已经进入汽缸中的所有空气和水推出，然后在关闭了与锅炉的连接之后，喷射的冷水会使蒸汽冷凝下来，所产生的真空导致大气压推动活塞回到汽缸的底部，由此提升了泵杆。在进入更多蒸汽以后，运转周期就再次开始。

▲纽科门大气式蒸汽机图，1712年

到1725年，纽科门蒸汽机已全面用于抽水，尤其是在矿山中抽水，同时也用于提升水以推动水车来驱动机械。

法国的第一台蒸汽机于1726年建于巴黎郊外的帕西，被用于从塞纳河向城市供水。

纽科门于1729年去世，生前已看到自己的蒸汽机在萨克森、法国、比利时，可能还在德国和西班牙得到应用。

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斯米顿改进纽科门蒸汽机

在纽科门去世以后的很长一段时间里， 他的蒸汽机的发展依赖的是从事实际操作的人，因为“哲学家们” 似乎还认为机械学不值得他们注意。

首位非常关注蒸汽动力的科学工程师是斯米顿，他以建造埃迪斯通灯塔而闻名。

▲1772年由斯米顿为朗本顿煤矿制造的纽科门蒸汽机

斯米顿拥有纽科门所不具备的知识和制造设备，他几乎将大气式蒸汽机的效率提高了一倍，又使其性能达到了此类蒸汽机所能达到的最高点。

但是，这还是非常低，主要是因为做功的汽缸同时又用作冷凝器，因而浪费了大量的热。

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瓦特实现蒸汽机的根本性改进

继纽科门之后，首位在开发蒸汽动力方面取得重要进展的是瓦特(1736-1819)。凭借自己的创造性和科学才华在蒸汽机的效率和机核设计方面作出了根本性的改进。

瓦特是格里诺克一位木匠技师和造船工人的儿子，年轻时曾去伦敦学习仪器制造技艺。1757年，他回到格拉斯哥，被任命为“格拉斯哥大学的数学仪器制造者”，并在学院的大楼中设有一个工场。

1763年，瓦特修理了一台属于格拉斯哥大学的纽科门蒸汽机模型并使它运转起来，一位伦敦的仪器制造者此前却未能把它修好。

瓦特在博尔顿的推动下发明了从他的蒸汽机中获得旋转运动的几种方法，这使得蒸汽机可以广泛应用在制造业中。

▲用于矿山排水的抽水用瓦特单作用式蒸汽机，1788年

1782年，瓦特获得了两项非常重要的改进专利。

第一项是使蒸汽机成为双作用式，这就能够利用同样的汽缸容积产生两倍的动力。

第二项是利用蒸汽的膨胀性，只在每一冲程的开始阶段接纳蒸汽进入汽缸，此后就由它的膨胀力驱动活塞。

为了使蒸汽机成为双作用式，以前将活塞杆连到横梁上的柔韧的链条必须为某些能分别双向传递力的机构所代替。

瓦特的第一个想法是延长活塞杆，使之成为一根齿条与杠杆端的弧形齿啮合。这是一个笨拙的装置，1784年，瓦特为他非常著名的三杆直线运动申请了专利，他自己也认为这是他的杰作。

在几个月后，他发现他可以用缩放仪的原理将直线型轨道的长度扩大一倍，于是他制造了精巧的“平行四边形运动”机构，它的应用在一个世纪或更长的时期内成为旋转式杠杆蒸汽机的特征。

▲瓦特的双作用螺旋式蒸汽机，1784年

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技术的突破，从来不是一蹴而就

上文选自牛津《技术史》。回望技术史，不难发现，伟大的瓦特也只是站在前人的肩膀上，在瓦特之后，随着时间的推移，在更多工程师们的努力下，蒸汽机仍然在不断“进化”：特里维西克发明了高压蒸汽机，麦克诺特设计了复合式杠杆蒸汽机，伊斯顿和阿莫斯发明了蚱蜢式蒸汽机，莫兹利研究出了台式蒸汽机......

技术是复杂的，其复杂性不仅在于技术本身，更在于技术的形成和演变，那里隐藏着技术精神和人们观念的转变。而这些，却正是东方传统国家最容易忽略的。

从鸦片战争起，中国被迫接触近代科学和技术，尤其是“船坚炮利”等技术表征，人们更相信特定实用价值的科学，和对技术表征的崇拜。半个多世纪的唯物论教育，现代社会的“技术性社会”，都在某种程度上，导致许多人成为技术的功利主义者，只知其一不知其二。

酒在人类历史上出现至少有上万年的历史，经历了发酵、蒸馏、勾调、优化4次重要的技术革命，也就是制酒工艺的四个时代。每一代制酒技术都以前代技术产品为原料，迭代生成更适宜人类饮用的酒，只适合某一类酒的技术只能算创新，适合各类酒的颠覆性技术，才能称之为一个时代。

（贰）

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制酒1.0发酵时代

目前世界最早的酿酒考古证据出土于距今11700年的以色列的迦密山。

关于中国以谷类为原料的酿造技术，最早的文字记录可以追溯到《世本》记录的夏禹时期“仪狄始作酒醪”。最早的考古发现可追溯到距今9000年前的河南贾湖新石器遗址，除了大麦发酵酒，还发现了葡萄酒浆果类发酵饮料。

1.0时代的发酵酒即古人常提到的“浊酒”，这种传统的酒曲发酵方法仍被使用在家酿的米酒、果酒中。生活中常见的啤酒、醪糟、黄酒、料酒，都是发酵制酒技术的广泛运用。

发酵酒杂质多、酒精度低、保质期短，饮酒者容易喝多,在代谢的过程中容易失控。在蒸馏技术出现之前，鼎盛时期的发酵技术的酒精度只能做到十几度，为此制酒2.0蒸馏技术开始出现在历史舞台。

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制酒2.0蒸馏时代

世界上最早的蒸馏技术记载于吠陀文学，疑似产生于公元前3000年左右的河谷文明，但是至今没有相应的考古证据支持。

中国汉代海昏侯墓已经有了蒸馏酒酒器的考古证据，蒸馏酒多供给王公贵族。在宋末元初，蒸馏制酒技术在民间得以广泛运用。

蒸馏酒一般以发酵酒为原材料，采用蒸馏技术升高酒精度数、过滤杂质，将酒的酒精度和保质期大幅提升，制酒2.0蒸馏技术时代由此稳定发展。此时，酒精度已经能达到40度以上。

中国独创的固态发酵法，也是2.0蒸馏时代的技术产物。当代酒企生产的多为蒸馏酒，有的酒企也称之为“原浆”。蒸馏酒口感刺烈辣喉还伴有焦糊味，不宜直接饮用，须经过时间陈化。从2.0蒸馏时代，酒才正式有了“老酒需陈酿”、“酒是陈的香”的说法。

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制酒3.0勾调时代

世界勾调酒相传出现在1776年纽约的一家酒馆，同时这也是鸡尾酒的前身。

而中国白酒勾调技术在北宋的《酒经·酿酒》已有记载：“投(酿)者必屡尝而增损之，以舌为权衡也”。民国时期已经基于不同酒窖的酒体，出现了规模化的勾调产业、职业性的勾调师和品酒师。建国后勾调技术得以系统化地形成，并伴随出现了专业的酒体设计师、品酒师和规范化的产业链。

制酒3.0勾调技术以发酵酒、蒸馏酒为原材料，勾调不同酒体使其达到最佳风味和酒精度数。

勾调即“先勾酒，再调香”。当代中国白酒的各酒厂以本窖原浆为基础，勾调不同轮次、不同年份的酒液，并根据各家酒品特点进行调香，从而得到质量相对稳定的酒体。

常见的国外风味酒如百利甜、野格等都属于3.0时代的勾调酒。国外勾调酒以食品添加技术让酒体达到后天的多元化口味，而国内顶尖品牌的勾调酒则是追求酒体的先天香气。但是勾调技术容易被滥用降格至“勾兑技术”，某些低端厂商干脆放弃粮食酿造，直接用酒精勾兑，如“三精一水”的勾兑酒，还有些在酒中添加塑化剂、糖精等化学物质以提高口感，就是勾调技术滥用的后果，但是统统逃不过国标理化指标的检测。

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制酒4.0优化时代

随着现代检测仪器和生物学科的发展，酒业走向更微观的量化和理化研发。从口感香味上，现代人已经告别古人“浊酒尽余欢”的需求，而水体污染、农药残留等“科技后遗症”使得人们对酒的理化指标提出了更高的要求。

世界上的制酒优化技术出现在21世纪初，但应用范围只能局限在单一酒品种或单一指标上，如单一提高水体品质、单一降低有害成分等。

而中国则在2010年左右，发展了自己的第四代制酒优化技术。制酒4.0优化技术在前三代技术迭代的基础之上，以酿造酒、蒸馏酒、勾调酒等各类传统酒为原料，进行系统性的后处理优化，将酒体品质全面提升。

4.0优化技术的优势集中在理化指标的精细化改造上，使得制酒技术得到质的飞跃。制酒4.0优化技术多采用物理和生物技术，通过优化、陈化、纯化、同化等系列技术将各类酒中的有害物质降至最低，甚至为0，醒酒快、不上头、不失控、有酒香、无酒臭，解决了传统酒有害物质危害人体健康、以及饮后酒气冲天的礼仪难题，还解决了微醺失控，不利于人身安全的行为。同时在保留酒体风味特色的前提下，任意提升或降低酒的度数，去害留益。甚至有个别酒企能做到加速酒体陈化，使得1年存酒相当于20年老酒的品质。

制酒4.0优化技术的优势在于从科学角度，利用国际通用的气相色谱检测法等手段，从分子结构上一项项优化酒体成分，让酒体去害留益，口感品质可控。

优化技术起步时间不长，尚未打通系统性技术通道，其缺陷在于当前酒企往往只掌握4.0酒后优化技术中的一项或几项，少有酒企可以全面系统性地掌握制酒优化技术。

酒业技术的大变革，难度大又紧迫。但是制酒技术迭代一直以来都是站在前代技术的肩膀上，悄然而至。制酒工艺4.0优化时代已经开启，但要形成制酒技术史上的“时代规模”，还需要各大酒企运用新技术、注入新理念。

“生香靠发酵，提香靠蒸馏，成型靠勾调，安全靠优化”，制酒工艺的四个时代，各有其意义和使命。