中科大科学技术史讲义第7章三次伟大的技术革命

第七章三次伟大的技术革命追溯历史，可以看到技术对每一时期的人类生活和社会面貌都带来巨大影响。技术给人类提供技能和方法，构成了人类认识自然和改造自然的巨大力量。而技术发展过程中的质变阶段——技术革命，不仅会直接导致生产力革命，还会带来社会各个方面的深刻变革。近代以来的历次技术革命，尤以蒸汽技术、电力技术和信息技术三次革命对经济、社会发展的影响最为深刻和巨大。7.1蒸汽技术革命蒸汽技术革命发生在18世纪中期至19世纪，它以纺织机械的革新为起点，以蒸汽机的发明和广泛使用为标志，实现了工业生产从手工工具到机械化的转变。这场革命发端于英国，而后遍及整个欧洲，在世界范围内产生了深远影响：一是从工厂手工业发展到机器大工业生产，实现了机械化；二是由于蒸汽机的发明和改进，发生了动力革命；三是资本主义工厂制度取代了家庭手工业，改变了生产体系的组织结构和经济结构，使人类社会进入了一个全新时期。7.1.1工具机和动力机的技术革命18世纪60年代，在英国开始了产业革命，同时出现了近代以来的第一次技术革命——蒸汽技术革命。蒸汽技术革命开始于纺织工业的机械化，以蒸汽机的广泛使用为主要标志，继而扩展到其他轻工业、重工业等各行业。(一)蒸汽技术革命的动因蒸汽技术革命是资本主义生产发展的必然需要，而自然科学的成就为蒸汽技术革命提供了理论基础。资本主义生产方式的产生和发展需要有两个必要的前提条件：一是大量资本的积累；二是自由雇佣劳动大军的存在。18世纪的英国得天独厚，比其他任何国家都更早地具备了这两个条件，因而在英国发生技术革命和工业革命也就不是偶然的。英国在17世纪爆发了资产阶级革命，使资本主义生产方式取得了统治地位，并且实行了农业改革，改用资本主义经营方式，把农民从他们世代耕种的土地上驱逐出去，为工业提供了雇佣劳动大军。资本的原始积累，繁荣的海外贸易，充分发展的金融系统，丰富的煤和铁矿资源，加上关心工业生产、愿意承担采用新技术的风险的资产阶级，使英国成了技术革命和工业革命的发源地。在当时，英国的棉纺织业迫切要求革新技术，急需新的动力机械，以提高产品竞争能力，因此技术革命首先从棉纺织行业开始。(二)纺织业的机械化——工具机的发明1733年，英国兰开夏29岁的织布工凯伊（J.Kay，1704～1764年）发明了织布用的飞梭，不仅能织出宽度加倍的织物，而且使织布机效率提高一倍，这就引起了纺纱和织布之间的不平衡。当时一架织布机需要五六架纺车纺纱，飞梭的发明使织工工作加快，纺纱就跟不上了，引起了严重的“纱荒”。纱的价格不断上涨，而且供不应求，织布厂受到的损失也越来越大。改革纺纱生产成为当务之急。为了解决纺和织失调的矛盾，英国皇家学会和英国“技术与工业奖励协会”公开悬赏纺纱技术的改革者。1765年，英国兰开夏织布工兼木匠哈格里沃斯(J.Hargreaves，1720～1778年)发明了一种由一个手摇转轮同时带动8个直立纱锭的纺纱机，并以他的女儿珍妮的名字命名为“珍妮纺纱机”。开始时，他怕人反对新发明的机器，只在家里使用，不敢对外公开。后来因为贫困，到1767年才制造了几架纺纱机出售，不料遭到了纺纱工人的反对，把他家砸得一塌糊涂。他在1770年才领到多轴纺纱机的专利证。后来人们又造了带有80个锭子的多轴纺纱机。这是一项重大的技术革命，恩格斯称之为“从根本上改变了英国工人状况的第一个发明”。1769年，英国理发师阿尔克莱特(S.D.Arkwright，1732～1792年)发明了用水力带动的“水力纺纱机”。阿尔克莱特作为发明家一直被人怀疑，因为他早先是一名理发师，对机械制造一窍不通。据说他偷窃了木匠海斯于1767年发明的“环铃纺纱机”，加装一套转动设备由水轮带动，初步解决了动力不足的困难。马克思说：“在18世纪所有的大发明家中，他无疑是最大一个偷窃别人发明的贼，一个非常平凡的小人。”(《资本论》第一卷，第455页)因为他没有任何技术经验，他对纺织工业及其需要，是从理发店里的谈话和兰开夏乡村中兜售假发时道听途说得知的。但是，他是一个工厂主的典型，具有企业家的才能，是工业革命的开路先锋之一。1771年，阿尔克莱特在曼彻斯特建立了第一个水力绵纺纱厂。到1779年，它有几千个纱锭并雇佣了三百个工人。到1790年，阿尔克莱特的水力棉纺纱厂已达150家之多，大部分工厂拥有七八百工人，资本主义工厂制度取代了家庭手工业。水力纺纱机纺出的纱虽然结实，但略嫌粗些；多轴纺纱机纺出的纱虽然细，但过于薄弱和易断。1779年，英国童工身出身的克隆普顿(S.Crompton,1753~1827年)综合了两机的优点，发明了走锭精纺机——俗称“骡机”，该机纺出的纱线既结实又精细。马克思称赞它是“现代工业中一个最重大的发明”。这种机器可以同时转动三四百个纱锭，开始时用水力带动，1790年左右开始用蒸汽机带动。走锭精纺机的出现标志着纺纱机械的革新已初步完成。纺纱机革新以后，使纺纱能力大大提高，从而又形成了棉纱过剩，出现了新的不平衡。织布机的改革势在必行。1785年，英国牧师卡特莱特(E.Cartwright，1743～1823年)发明了水力推动的卧式自动织布机。他偶然了解到由于纺纱机革新，棉纱过剩，织布机跟不上，便决心从事织布机的发明。他亲自到工厂参观、调查，并请了一个木匠和一个铁匠当助手，潜心钻研、实验，才搞成功，提高效率四十倍。1791年，他在曼彻斯特建立了第一座用这种机械织布机装备的大工厂，可是遭到了织工们的激烈仇视。一个月后，工厂就被烧掉了。当时出现了自动织机又是需要，又是不得人心的局面。然而技术革命的潮流是不可阻挡的，到卡特莱特1823年去世时，他发明的这种织机不仅在英国，而且在欧洲已经普遍被采用了。在纺纱和织布机器革新的过程中，与之配套的一系列机器，如净棉机、梳棉机、自动卷纱机、漂白机、染整机等，也都先后发明出来，实现了棉纺织业整个部门的机械化。由于新式的动力纺纱机和织布机的发明，大大提高了生产效率，英国的纺织工业迅速成为世界第一大轻工业。(三)蒸汽机发明和改进一方面，工具机的技术革命，要求为它们提供强大而方便的动力，必然要引起动力上的革命；另一方面，英国煤矿排水主要是用马拉辘轳推动水泵来抽排矿井深处的水，采煤业的发展也急需新的动力机械。蒸汽机的发明就是在这样的历史条件下应运而生的。蒸汽机是利用水蒸汽作工作介质的热机。当时蒸汽机的工作原理，都是利用蒸汽冷凝形成局部真空，而后靠大气压力做功，实际上是大气压力机。所以，蒸汽机从科学理论上是起源于对真空和大气压力的认识。1643年，意大利物理学家托里拆利（E.Torricelli,1608～1647年）通过著名的水银柱实验，发现并测定了大气压力。1647年，法国科学家帕斯卡(B.Pascal,1623～1662年)出版了《关于真空的新实验》，澄清了自亚里士多德以来认为“自然界厌恶真空”的错误概念。1654年，德国物理学家格里凯(O.vonGuericke,1602～1686年)在马德堡进行了关于大气压力的著名的半球实验：他在德皇迪南二世和众多观众面前，将两个直径约1.2英尺的铜制半球涂上油脂对接上，用他发明的真空抽气机抽出空气，然后用16匹马才将两个半球拉开。显示出大气压力的威力。这个著名的实验使真空和大气压力的概念为世人所接受。1662年，英国化学家波义耳（R.Boyle,1627～1691年）发现了气体的体积与它的压力成反比的定律。1695年，法国物理学家巴本（D.Papin,1647～1712年）设计了一种活塞式蒸汽机，这个机器靠蒸汽将活塞举起，然后将蒸汽冷却，汽缸内形成真空，活塞在大气压下做功。巴本做过惠更斯和波义耳的助手，得益于他们的科学研究工作。1680年，惠更斯曾设计过火药发动机，让黑色火药在气缸内爆炸，气体受热膨胀产生压力，然后冷却汽缸造成局部真空，大气压力推动活塞来回运动。这个实验困难而且危险，没能进行下去。巴本也设想过类似装置但没有成功。这是内燃机工作原理的最早设想。波义耳研究过水的浮点与压力的关系，证明当压力大于标准大气压时，水温即使超过沸点也不会沸腾。巴本用一重力阀造成了锅内高压，由此发明了高压锅。后来，他又想用高压锅内产生的蒸汽推动活塞，回程则靠蒸汽冷凝后由大气压力来完成。这一实验设计就是当时蒸汽机的基本工作原理。1698年，英国工程师塞维利（T.Savery,1650～1715年）发明了第一台适用于矿井抽水的无活塞式蒸汽泵。他没有使用汽缸——活塞装置，而是使充满蒸汽的容器外部浇喷冷水使蒸汽冷凝，形成容器内局部真空，靠大气压力将矿井积水压入容器，然后再通入高压蒸汽把水压出去。塞维利用两个同等容量的气桶，轮流出空和充满，以保持抽水工作的连续性。其与众不同之处是让蒸汽和水直接作用。这种蒸汽泵的缺点是十分明显的：一是它靠大气压力吸水，机器只能装在井下，操纵维修十分不便，有时来不及修好就被水淹了；二是它靠蒸汽压力把水压出去，当时至多只能使水升高到100英尺左右，如果再提高扬程，气锅就会因压力太高而爆炸。当时既没有压力计测量压力，又没有调节装置减少和控制压力，汽桶又是交替处于高温高压和低温低压，十分危险。另外，它的热损失大,效率很低，每马力每小时消耗煤达1705年，英国铁匠纽可门（T.Newcomen，1663～1729年）等人综合了巴本和塞维利发明的优点，发明了大气压力活塞式蒸汽机。其基本原理是设计了一个蒸汽缸，安装在一个蜂窝状的锅炉上，用一根短管和一个控制阀与之相连。汽缸备有一个活塞，活塞用链条悬挂于一根遥杆，后者的另一端向矿井悬下连接泵杆。只有当压力略微超过大气压时，蒸汽才可进入汽缸，于是，承受泵杆重载的遥杆压倒活塞，使其停住。每次冲程结束，蒸汽隔绝。当活塞上表面的大气迫使活塞返入汽缸时，冷水注入汽缸冷凝蒸汽。这样，遥杆的运动逆转，工作冲程也就完成了。纽可门蒸汽机的优点是把抽水机和蒸汽机分开了。这是第一部独立的蒸汽机，可以放在矿井上面，从而提供了广泛应用的可能性。它可以用低压蒸汽制造局部真空，靠大气压力和平衡锤重力动作，保证了安全运行。它同50匹马所做的工作一样多，可是花费只有六分之一。因此，它很快被普遍采用，在18世纪末之前一直在使用，直到瓦特单独冷凝器蒸汽机的出现。纽可门蒸汽机也存在着不少缺点：它消耗燃料多，效率仍然很低，只有0.5%左右，每马力每小时耗煤25公斤。它只能作直线运动，应用范围受到限制。当时往往采用蒸汽机抽水到蓄水池，而后再用水力来推动轮子，即是火力泵和水利泵联用的动力机。从1769到1772年间，英国工程师斯密顿（J.Smeaton,1724～1792年）对纽可门机做了各种函数关系的推导，先后写出了130多个实验报告，整理出一套计算公式，积累了大量有价值的数据、资料。他还在改造锅炉、改进点火及燃烧方法以及制造工艺等方面做了大量工作。斯密顿虽然没有对蒸汽机的结构进行改进，但他的工作及所积累的资料为瓦特的发明奠定了实验基础。对纽可门机进行根本性变革的是英国格拉斯哥大学的仪器修理工瓦特（J.Watt,1736～1819年）。瓦特出生于苏格兰西部的格里诺克一个工人家庭，从小受贫穷和疾病的折磨，十几岁来到伦敦当学徒，学习机械制造。1756年，瓦特回到苏格兰的格拉斯哥，想自己开业，但因学徒年限不够，只得在格拉斯哥大学谋得了一个机修工的职位。在格拉斯哥大学里，瓦特认识了著名的物理学家布莱克，从他那里学到了许多热学知识。与此同时，瓦特在思考如何改进纽可门的蒸汽机。1763年，瓦特在格拉斯哥大学修理纽可门蒸汽机的过程中，集中精力研究了效率低的原因。他在布莱克教授的帮助下，具体应用关于“比热”和“潜热”的理论，找到了效率低的主要原因：大约有五分之四的蒸汽消耗在重新加热汽缸上。蒸汽进入汽缸时，温度上升到一百度以上，然后为了得到局部真空，又喷水迅速使其冷却到二十度左右，这一冷一热，使很大一部分蒸汽没有用在做功上。瓦特认为：为了避免任何无益的冷凝，蒸汽对活塞发生作用的那个汽缸，必须经常同蒸汽一样热。为了获得必要的空隙，冷凝必须发生在一个单独的容器里，这里的温度能够按照所需要的程度得到的降低，而汽缸的温度却不受到改变。他还设想：蒸汽作为一种具有伸缩性的气体，它一遇到真空即会冲进去。假如能使汽缸和一真空容器相连，蒸汽便会冲进这个容器被冷凝而不必使汽缸冷却。1765年，他发明了这种分离的冷凝器，并于1769年取得了带有分离冷凝器的蒸汽机专利。1776年，他在英国威尔金森（J.Wilkinson,1728～1808年）精密加工汽缸取得突破的基础上，制成了第一台实用的瓦特蒸汽机，汽缸直径为50厘米，在布鲁姆菲尔德煤矿使用，其效率可达2%～4%，比纽可门机提高了4～8倍，每马力每小时耗煤4.3公斤。瓦特在研制蒸汽机的过程中遇到了很大的困难，主要是资金方面的。他无力购置材料、工具和雇佣劳动力。他为了养活全家，不得不改做其他的一些工作。他几乎就要放弃蒸汽机的实验。后来经布莱克教授介绍认识了卡伦铁厂生产商罗巴克及博明翰制造商博尔顿，是罗巴克和博尔顿俩人给瓦特提供了资金上的支持，使瓦特的实验得以完成，正是从这一时候起，蒸汽机走出实验室，进入实际应用领域。1781年，瓦特发明了变直线运动为回转运动的“太阳—行星”齿轮机构和飞轮装置。1782年，他又把单向作用改进为双向作用的蒸汽机，并取得了专利。到1784年，瓦特获得了新的旋转式蒸汽机的专利。至此完成了蒸汽机从抽水的动力机向“普遍适用于工业的万能原动机”的转变。随着蒸汽机的发明和不断完善，到1784年蒸汽机作为一种动力机，不断在纺织、采矿业中得到广泛应用，而且还被推广应用到交通运输、冶金、机械、化工等一系列工业部门，为工业生产提供了前所未有的强大廉价动力，从根本上革新了资本主义生产的面貌。7.1.2英国工业革命蒸汽机的发明和广泛应用，极大推动了近代技术的进步。18世纪下半叶，蒸汽动力迅速应用扩展到其他轻工业、重工业等部门，英国率先成为工业国。(一)煤炭和冶金工业的发展由于工作机和动力机技术革命的需要，提供燃料和原料的煤铁工业由此大大发展壮大起来。当时英国冶炼矿石的燃料是木炭，炼铁厂都设立在森林附近，而远离森林的矿床是被放弃的。后来，随着森林的消失，高炉也逐渐消失了。为什么不用煤炭炼铁呢？因为煤炭里面含有或多或少的硫化物，铁矿石和硫化物作用，炼出来的生铁质量不行，容易破碎，不能锤打加工，当时又不知道怎样补救，因而就不能利用煤。木材的缺乏使炼铁工业濒临灭绝，逼得人们另找1709年，英国人达比首先找到了把煤炼成焦炭、再用焦炭代替木炭炼铁的方法。达比去世后，他的儿子继续研究改进焦炭炼铁方法，到1735年，终于成功地将这种方法用于英国炼铁工业。达比家族的创业史概括了英国的冶金史。1760年，工程师斯米顿发明了用水利驱动的鼓风机，罗布克（Roebuck,1718~1794年）成功地将这种鼓风法用于炼铁生产，并用它去除硫等杂质，从而提高了炼铁效率。到18世纪末，英国的炼铁已普遍采用了蒸汽机鼓风技术。达比的发明只能炼出粗铁。1783年，英国工程师科特（H.Cort，1740～1800年）发明了反射炉和搅拌法精炼优质的铁。反射炉是将燃烧室和熔化室分开，火焰由顶部反射通过炉料，使铁中含有的大部分炭素与氧化合，达到精练的目的。为了促使和加速这个化合过程，需用很长的铁钎不停地搅动铁水，这个工序需要工人在高温下付出巨大的体力劳动。这种搅拌法与我国公元前二世纪的炒钢技术十分相似。1788年，科特又发明了轧机并取得了专利。通过滚轧的方法，既可把炉渣挤压出去，又可将精炼的铁轧制成铁条和铁板。这时瓦特发明的旋转式蒸汽机也开始应用于炼铁工业，使英国的冶铁生产大幅度上升。1788年，英国铁产量为69300吨，到1791年就上升到125079吨，三年时间将近翻了一番。在炼钢技术方面，英国在18世纪初用的方法叫“泡钢”，即：将低碳熟铁棒放在木炭上加热1天左右，用渗碳的方法使其含碳量增高到钢的含碳成分。1750年，英国钟表匠和医生亨兹曼发明了用煤气作燃料在坩埚内炼钢的方法，称“铸钢”。由于他没有专利证，为了保密，他在夜里干活，而且只雇用可靠的人当助手。但他无法长期保密，不久还是传开了。这种“坩埚钢”质量虽高，可以做钟表发条，手术刀等，但是产量低、成本高，只能供特殊用途使用。1855年，英国人贝塞默(H.Bessemer，1813～1898年)发明了转炉炼钢法，1861～1865年，德国人西门子（C.W.Siemens,1823～1883年）和法国人马丁（P.E.Martin，1824～1915年）发明了平炉炼钢法。1879年英国人托马斯(S.G.Thomas，1850～1885年)发明了碱性转炉炼钢法，解决了含高磷原料在炼钢时的脱磷问题。这些发明不仅使欧洲的钢铁产量在短短几十年里增加了70%，而且能生产出高碳钢、锰钨钢、钨铬钢等特种钢材，为机器制造业提供了必要的材料。到18世纪末，英国已成为欧洲重要的钢铁出口国。(二)机器制造业的发展蒸汽机的发明促进了整个工业生产机械化的进程。蒸汽机的发明和应用，需要机器制造业的相应发展。原始的钻床、车床和磨床，早就有了，但并不是用以制造机器的。最初的工作母机，实际上是在制造和改进蒸汽机的过程中产生的。1769年，斯米顿首先发明了加工汽缸的镗床，其加工精度为10毫米。不久，英国工厂主威尔金森发明了一种精密镗床，加工精度提高到1毫米。1775年，他用这种镗床为瓦特加工出了汽缸体，才使瓦特于1776年制造出了第一台可供实用的蒸汽机。1787年，威尔金森建造了第一艘铁船。他是英国钢铁工业的创始人。在机器制造业发展史上，还有一位关键人物，就是英国机械师莫兹利（H.Maudstay,1771～1832年他于1794年发明了活动刀架；1797年创造了第一台可供实际应用的车床。马克思曾经引用英国1855年出版的《全国工业》一书中对莫兹利发明的评价：“可以毫不夸大地说，它对机器的改良和更广泛应用所产生的影响，不下于瓦特对蒸汽机改良所产生的影响。采用刀架的结果是，各种机器很快就完善和便宜了，而且推动了新的发明和改良。”在莫兹利发明滑动刀架和车床后，刨床、铣床、磨床等工作母机相继发明，使机器制造业发展成为一个强大的工业部门。(三)交通运输业的发展紧随工具机和动力机的革命，交通运输业也发生着巨大的变革，进入所谓“轮船时代”和“铁路时代”。巴本最早提出过用蒸汽机推动船舶前进的设想，但无力实现。第一个将蒸汽动力用于船运的是美国工程师菲奇（1743～1798他从1785年开始将双向式蒸汽机装在帆船上，用了三年时间，制造出四艘第一代汽船。但他的汽船并没有引起关注。1790年，非奇最好的一艘汽船在从费城到特灵顿的途中操作失灵，宣告菲奇所从事事业的失败。1802年，英国人赛明顿制造了一艘轮船“查托特·邓达斯号”，拖着两艘驳船顶风而上，成绩可喜。但是，内河航运公司以汽船掀起的水浪会损坏河堤为理由，拒绝了塞明顿的计划。真正产生重大影响，并最终使蒸汽动力用于水运的是美国工程师富尔顿（R.Fulton,1765～1815年）。1803年，富尔顿发明的汽船在法国塞纳河上行驶，逆水而上可达到陆上步行的速度。富尔顿曾向拿破仑申请资助进一步改进这一运输工具。但是，由法国科学院院士组成的一个委员会却认为富尔顿的建议毫无用处而给予否定。有的历史学家说，如果拿破仑接受了富尔顿的建议，建造蒸汽动力的军舰，19世纪欧洲的历史可能要重写。1807年，富尔顿回美国建造了“克勒蒙号”轮船，船长40米，宽4米，带两个叶轮，用18马力蒸汽机，在哈德逊河上往返于纽约和奥尔巴之间（约150英里）试航成功，航速比帆船快了三分之一。这次成功标志着轮船时代的铁路与火车的发明也经历了一个曲折的过程。在1769年，法国炮兵军官居纽就制造过一辆蒸汽推动的炮车，不过为了积集蒸汽，走一段就得停一会，实用价值不大。1785年，英国工程师墨多克（W.Murdock，1754～1839年）发明过一种用蒸汽驱动的无轨机车，由于机器和燃料所占有的空间和自身的重量与有效负载之比不合理，没有使用价值。看来无轨的蒸汽机没有什么用途，后来人们就转向了有轨的火车。将铁路与蒸汽机车相联系，并制造出第一辆真正意义上的火车的，是英国工程师特里维西克（R.Trevithick，1771～1833年）。1802年研制出了第一辆铁路机车，刚点火就坏了。1804年又制造了一台“新城堡号”用的是单汽缸、大飞轮，可拉10吨货物，时速8公里，没有驾驶室，人要跟着火车跑。后来又设计制造了一台载人驾驶机车，后因机车出轨而停止。当时的问题主要出在铸铁轨太脆，容易断裂，设计轻型机车又失去了效率，丧失了使用价值。几经失败之后，特里维西克就转搞别的去了。特里维西克研制的样机保存在伦敦的科学博物馆。1812年，特里维西克的蒸汽机车在伦敦的工业博览会上展出后，吸引了另一位后继者——英国的斯蒂芬森（G.Stephenson，1781～1848年斯蒂芬森从小在煤矿与蒸汽机打交道，熟悉这种动力机械。见到特里维西克的蒸汽机车后，便进行了认真分析研究，首次运用凸轮作火车的车轮。1814年，他制造了第一台实用蒸汽机车，牵引30吨货物，在达林顿矿区铁路上行驶。但是速度比马还慢，震动太大，烟囱冒火，把路旁的树木都烧焦了。斯蒂芬森并没有气馁，继续改进自己的设计，他采取了在车厢下面加装减震弹簧，在枕木下加铺小石块，增加车轮以分散机车的重量等措施，使设计更趋完善。1823年，斯蒂芬森主持修建了斯多克顿——达林顿铁路，将火车推向实用。1825年9月，斯蒂芬森驾驶自己制造的蒸汽机车（两汽缸，8马力载重90吨，以时速达20公里的速度安全行驶。这台机车现在陈列在达林顿。1830年另一条铁路（利物浦——曼彻斯特的铁路）建成。此后，蒸汽机被迅速应用于铁路运输，从此陆路交通正式进入“铁路时代”。恩格斯说：“蒸汽和新的工具机把工场手工业变成了现代的大工业，从而把资产阶级社会整个基础革命化了。工场手工业时代的迟缓的发展进程变成了生台，到1825年又发展到15000台。1820年，英国采煤量占全世界的75%，生铁产量占40%，机器制造业压倒世界各国，使英国变成了“世界工厂”和“海上霸王”。从1770年到1840年产业革命期间，英国一个社会工作日的劳动生产率增加了27倍。这种狂飙式的生产发展，推动了自然科学的大发展。在为了提高热机效率而进行研究的基础上，热力学发展起来了；采矿、冶金和化工的发展，促进了地质学，古生物学和化学的发展；纺织业生产的急剧增长，大幅度提高了对棉花和羊毛的需要量，促进了植物栽培、动物饲养和选种育种技术进步，从而为研究物种进化准备了条件。正是在这样的社会历史条件下，自然科学有了一系列重大新发现，一个接一个地打开了形而上学自然观的缺口，为辩证唯物主义自然观的创立奠定了自然科学基础。7.1.3美国、法国、德国产业革命的兴起与发展（一）美国产业革命的兴起与发展1783年，美国独立后便开始发生和进行了产业革命，同时致力于科学技术和教育的发展。1787年，美国通过的宪法明确规定国会和政府要支持科学研究，促进科学进步，奖励科学技术发明。美国的产业革命也是从纺织业开始。1790年英国人在美国建造了第一座纺纱厂，引进动力纺织机械。到1820年，美国已经普遍采用动力织布机和多轴纺纱机，纺织业得到迅速发展。到1840年，美国共有1200家棉纺厂。产业革命初期，美国在注重引进国外先进技术的同时，还十分注意对引进技术消化吸收基础上的技术创新和发明。1790年，美国政府成立了专利局，鼓励技术引进与技术发明。有力促进了产业革命的发展。随后，美国的制造业、橡胶业、交通运输相继发展起来。在美国产业革命进程中，美国政府十分重视教育事业的发展，制定了相应法规和采取了多种措施鼓励、支持地方政府和私人办学。1825年，美国政府颁布了第一部普通义务教育法，在全国实行初等强迫义务教育。此后，美国的初等教育得到迅速发展。美国政府也非常重视和发展高等教育，形成了兴办现代化大学的运动。将过去的一些学院经过扩充或调整为新的大学。从1780年到18世纪末，美国新建立了18所大学，在1801年至1825年间，又新建立了50所大学。美国各州还兴办了大量的工业学院和农业学院。大学和学院的兴办，培养了大批人才，为产业革命提供了人才和技术支持。到1860年，美国北方基本完成了产业革命。机器制造业、冶金工业、交通运输业蓬勃发展；农业生产实现了专业化和机械化，一些新的行业，如与石油、橡胶业联系密切的化学工业以及电力电器行业也开始出现。（二）法国产业革命的兴起与发展18世纪初，在法国以伏尔泰、狄德罗、孔狄亚克、卢梭等为主要代表人物的思想家，掀起了一场规模宏大的启蒙运动，这是继文艺复兴运动之后在欧洲历史上出现的第二次想解放运动。它引发了法国的社会革命，推动了法国教育领域的改革、科技的发展，为产业革命的产生准备了思想条件和技术基础。1666年，法国成立了皇家科学院，后来成为世界科学中心。在数学领域，涌现出象费尔马、达朗贝尔、拉格朗日、柯西、蒙日等一批数学大家；在物理学和化学领域，出现了库仑、菲涅耳、卡诺、拉瓦锡等一批物理学家，并取得了一大批科学发现和技术发明成果。这一切都极大促进了法国产业革命的发展。法国产业革命大体上经历了三个阶段。1795年—1815年，是法国近代工业初步奠定基础的阶段。法国政府制订和采取了一系列有利于工商业发展的政策。1815年—1848年，是法国产业革命深入发展阶段。法国从英国引进技术和大批机器，以加速工业发展。到1848年，法国的棉、毛、丝纺织业已经大部分实现机械化。生铁、煤炭产量大幅度提高，机器制造业和铁路也形成规模。1848年—1870年，是法国产业革命最后完成阶段。期间，纺织业等轻工业部门已广泛使用蒸汽动力，普遍地实现了机械化。铁路已贯通全国。至此，法国产业革命基本完成。（三）德国产业革命的兴起与发展18世纪下半叶，在德国以莱辛、席勒、歌德、赫尔德等为主要代表人物的一批进步思想家，发动和进行了以批判封建专制主义和宗教蒙昧主义为目的的思想解放运动。这次思想解放运动象意大利和法国的思想解放运动一样，促进了德国在教育、科技、经济和政治领域的观念变革，为德国产业革命的发生提供了思想基础。18世纪初，受法国启蒙运动的影响，德国也开始致力于教育的改革与发展。当时的国王腓特烈大帝就非常重视和发展教育，认为教育是发展经济和增强国力的基础，并颁布实施了一系列旨在促进教育发展的法律。1787年，德国设立国家最高学务委员会，管理全国的教育。此外，德国还对大学进行了改革，聘请了全欧洲一些思想进步、富有远见、学士渊博的人士到大学充当教授；改革大学封闭的、脱离实际的教育模式，增设了自然科学课程，成立实验室和研究中心；打破大学里沉闷和僵化的学术氛围，提倡学术自由和学术争鸣。开创了德国大学教育改革的新局面。19世纪初期，德国陆续建立了采矿、农业、林业、军事等新型的高等院校，培养和造就了一大批著名科学家和发明家，如高斯、雅可比、狄利克雷、黎曼、康托尔、欧姆、楞次、迈尔、亥姆霍茨、克劳修斯、西门子、李比希、维勒、本生、施旺、施莱登等。这些科学家及他们的科学发明为德国工业发展作出了巨大贡献。德国产业革命的一个主要特点就是，科技与工业紧密结合，或由科学理论到技术发明到工业化生产再到推广和应用的迅速转化。如物理学理论的发展和综合运用，发明了内燃机，不久便形成内燃机工业化生产，它的应用又带动了汽车制造工业的发展。此外，从化学理论到化工技术再到化学工业的发展也是到19世纪30—50年代，德国的纺织业已经实现了机械化；煤炭、冶金、化学工业初具规模。到19世纪80年代，奥托内燃机的发明，极大促进了德国机器制造业、汽车工业的发展。大机器生产和新兴的工厂制度在德国各个工业部门都占据了统治地位，建立起了近代大工业体系，标志着德国产业革命的基本完成。7.1.4蒸汽技术革命的特点和影响发生在18世纪的以纺织机械的改革和蒸汽机的应用为标志的蒸汽技术革命，具有划时代的意义。蒸汽技术革命的直接后果是导致了产业革命（又称工业革命）的胜利完成。而它更为深远的意义是促进了社会物质文明与精神文明的发展。(一)蒸汽技术革命的特点1.蒸汽技术是科学与技术相互作用的结果蒸汽技术革命的发生不是偶然的，而是有它的历史必然和思想方法上的酝酿过程。蒸汽技术的诞生和发展深刻体现了科学与技术紧密结合。17世纪中叶，一方面，真空和大气压力的实验证明为技术的诞生和发展提供了科学认识的基础，如何获得真空，利用大气压力获得机械动力是急需要解决的一个技术难题，而蒸汽冷凝能制造真空，是技术发展的科学基础。我们在前面说到，纽可门和瓦特都能运用科学研究的成果，发现和解决实际中的技术难题。另一方面，技术的发展反过来又促进科学的发展。蒸汽机的发展和应用，实现了从热能到机械能的转变。卡诺通过研究探索如何提高蒸汽机效率，而促使一门新学科——热力学的诞生。不仅如此，蒸汽技术还促进了气体力学的发展。2.蒸汽技术是理论与生产实践结合的产物一项技术发明只有被应用于生产实际，提高现实生产力，它才具有价值。动力机械的革命，使蒸汽技术广泛应用于社会生产的各个领域，掀起了全世界范围的技术革命。在这一过程中，蒸汽技术始终与工业、企业紧密结合。我们知道，蒸汽机的研制，需要大量资金支持，就必须和拥有资本的企业家合作；要想使蒸汽机在工业企业得到顺利推广和普遍使用，也必须取得工业部门的支持。这两点在蒸汽机研制过程中体现得尤为充分。当时，瓦特因研制蒸汽机经济上已是非常困难，无资金购置材料、工具和雇佣劳动力，几乎就要放弃蒸汽机的实验。后来经人介绍认识了卡伦铁厂生产商罗巴克及博明翰制造商博尔顿，是罗巴克和博尔顿俩人给瓦特提供了资金上的支持，使瓦特的实验得以完成，正是从这一时候，蒸汽机走出实验室，进入实际应用领域。瓦特与罗巴克、博尔顿的合作堪称技术与企业结合的典范。蒸汽技术的商业化过程充分体现了技术发明和技术创新的经济、社会价值，提供了技术与社会生产结合的基本途径和方式。对后来的电力技术革命产生重要影响。（二）蒸汽技术革命的影响1.蒸汽技术革命引起社会的全面变革蒸汽技术革命作用于社会生产，影响到社会的各个方面。蒸汽机的应用，机床的发明，煤炭、冶金技术的革新，使社会生产力发生巨大飞跃，随之带来了社会产业结构的重大变革，机械制造业和加工业取代了农牧业而成为产业结构中的主导产业，冶金和煤炭工业也一跃成为国民经济的支柱产业。交通运输业也蓬勃地发展起来。交通运输业的技术革命又促进了造船业、航运业、机床制造业等新兴产业的兴起和机械制造业、冶金业、煤炭工业的进一步繁荣。技术革命的发展，使英国的工业得到了迅速发展，一跃成为当时世界上最先进的资本主义工业大国。在英国产业革命的影响下，法国、美国、德国、俄国和日本等国在19世纪也发生了产业革命，在很短时间里创造了比过去一切时代所创造的还要多、还要大的生产力，大大改变了资本主义国民经济的整个面2.蒸汽技术革命极大推动着自然科学和教育的发展蒸汽技术革命之后，近代自然科学的发展出现了第二次巨大飞跃。化学、生物学、地质学、热力学、电磁学等学科迅速发展起来。细胞学说、能量守恒与转化定律、生物进化论揭示了物质世界的普遍联系和无限发展的辩证性质，奠定了辩证唯物主义自然观的基础。电磁学理论的建立展现了电力技术的发展远景，为19世纪下半叶以电力技术广泛应用奠定了理论基础。这一切都是与技术革命的推动分不开的。蒸汽技术革命促进了教育事业的发展和科学技术人才的培养。随着机器化大生产的发展，要求工人也要具备相应的科学知识和劳动技能，教育事业受到重视。这个时期资本主义国家，采取和执行了许多鼓励科学技术和教育发展的有关政策，先后通过了普及初等教育法，建立一些大学和技工学校，为工业革命培养了一大批科学技术人才，也为整个十九世纪自然科学的发展奠定了基础。3.蒸汽技术革命造成近代环境污染从18世纪60年代开始，英国的纺织行业最早实现了机械化，由此带动了蒸汽机的发明和广泛应用，并进而出现了机器制造业、冶金工业、采矿业和交通运输业。到19世纪20年代，形成了以煤炭为主要能源和以蒸汽技术为主要动力的近代“大工业体系”，英国工业革命基本完成。在英国工业革命及其技术成果的影响下，美国（北方）于1790年、法国与1795年、德国于1830年相继发生了同样是以纺织业的机械化为开端的产业革命，并逐步出现了机器制造、冶金、焦碳、采煤和采矿等工业部门。上述国家形成的“大工业体系”，其中特别是冶金和焦碳工业所产生的废气、废渣、废液不经处理就直接排放到环境中；蒸汽机的应用使煤炭的大量消耗和煤烟的大量排放；资源的过度开采打破了生态平衡，所有这一切，都给近代自然环境造成巨大污染和破坏。可以说，19世纪40年代，英国是工业革命和近代大工业的典型，同时也是环境污染严重的典型，伦敦曾于1873年、1880年和1892年先后多次发生煤烟污染的“公害”事件，就是最有力的证明。在科学技术和全球经济高度发达的今天，深刻反思蒸汽技术革命和欧美国家第一次产业革命的历程，处理协调好科技进步、经济发展与保护人类生存环境三者之间的关系，实现全人类的可持续发展，是世界各个国家和人民共同的7.2电力技术革命第二次技术革命（也称电力技术革命发生在19世纪下半叶。它以电能的开发和应用为标志。第二次技术革命极大促进了社会生产的发展和改变了人们生活质量，也引起了社会经济结构和组织结构的巨大变革，使人类社会步入“电气7.2.1电力技术的发展和应用(一)电机的发明和改进尽管以法拉第为代表的科学家从理论和实验上提供了发电机、电动机、变压器等电器的基本原理和原始模型，但到实际应用却经历了一个较长的过程。1819年，奥斯特关于电流使磁针发生偏转的实验，揭示了电动机的基本原理。1821年，法拉第对奥斯特的实验装置进行了改进，制成了一台用化学电源驱动的电动机的雏形。法拉第首先做了电磁旋转的实验：在充满水银的容器中间固定一根直立的磁铁棒，将一根导线的一端插入水银，另一端与电池一极相连。这时，如果将与电流另一极相连的导线也插入水银，电路一经导通之后，就可以观察到载流导线的旋转运动。这是人类第一台电能转化为机械能的电动机原型。1831年，法拉第在发现感生电流的实验装置的基础上，试制出一种最初的永磁铁发电机的实验模型。1822年，法国物理学家阿拉哥发现，将导线绕在铁棒块上，当导线通电时，铁块能被磁化，而且使该匝线圈的磁场强度发生变化。1823年，英国科学家斯特金发现在U型铁棒上绕了铜线之后，当铜线通电时，U型铁棒就变成了一块磁性很强的电磁铁，能吸引比自身重20倍的铁块，而且一旦切断电源后，就变成了普通的铁棒。1829年，美国物理学家亨利（J.Henry,1779～1878年）用绝缘导线代替裸铜线，这样可以紧密地缠绕导线不会短路，提高了电能转化为磁能的能力。1931年，亨利试制出了一台电动机的实验模型，由于使用了电磁铁，亨利的电动机模型比法拉第的实验装置产生的动能要大得多，是电动机发展史上的一大进步。1834年，德国电学家雅可比（K.Jacobi）将亨利的电动机模型中的水平电磁铁改为转动的电枢，加装了脉动转矩和换向器，试制出了第一台实用的电动机。在人们研制电动机的同时，发电机也处在研制阶段。早期的发电机都是直流的，由伏打电池供电，但伏打电池价格昂贵。电磁理论的建立，人们知道了动磁可以产生电。1832年，法国工程师皮希克（H.Pixii,1808～1835年）试制成功一台手摇永久磁铁旋转式脉流发电机。这台发电机上安装了一种原始的换向器，使得发电机所产生的交流电可以转变为当时工业生产所需要的直流电。1857年，英国电学家惠斯通（C.Wheatstone,1802～1875年）制成了用电磁铁的发电机，供应电磁铁的电流是靠电池提供的。这种靠外加电源来励磁的它激式发电机，仍有局限性。真正的自激式发电机是将发电机本身所产生的电流用来为自身的电磁铁励磁。1864年，英国技师威尔德提出用旋转电枢产生的电流为磁铁励磁的设想。1866年，德国著名电气工程师西门子（W.Siemens,1816～1892年）发明了自激式直流发电机，靠发电机自身发出的电流为自己的磁铁励磁，并于1867年向柏林科学院提交了一篇论文——《关于不用永久磁铁而把机械能转换为电能的方法》。这就为建造大容量电机，获得强大电力，提供了技术上的现实可能性，意味着电气技术最重要的阶段的开始。往后的发电机，几乎都是在西门子电机的原型基础上改进的。所以，西门子的发明在技术上相当于瓦特发明蒸汽机，有着划时代的重大意义，而西门子被称为近代德国科学技术之父。此后，直流发电机被不断改进。主要是在西门子电机的原型基础上，从结构方面加以改进，其代表是：1870年，比利时人格拉姆(Z.T.Gramme，1826～1901年)发明了环状电枢，并把这种电枢自激电流投入了商业生产。1873年，德国电器工程师阿尔特涅克发明了鼓状电枢，使发电机达到了更高的效率。由于直流发电机存在着换向器和电刷制造困难，质量不可靠且经常发生事故等问题，随着用电量的增加和用电区域的扩大，为了减少在传输过程中的电能损耗，必须通过高压输电，而当时技术条件下，无法对直流电升压。因此交流发电的优越性就显示出来。19世纪80年代，英、德、俄、意和南斯拉夫等国的物理学家相继发明了交流发电机、交流电动机、变压器以及交流供电系统。(二)电能的广泛应用由于变压器的出现，从19世纪80年代起，交流电的发展和应用迅速扩大。1878年俄国科学家亚布洛契可夫制成一部多相交流发电机。1881年，南斯拉夫科学家特斯拉（N.Tesla，1856～1943年）发现了旋转磁场原理；1885年意大利物理学家法拉里（G.Ferraris,1847～1897年）提出旋转磁场原理，并研制出二相异步电动机模型，作出了交流发电机发展史上具有决定性的理论贡献。1888年，特斯拉发明了交流感应电动机和交流输电系统。1891年，他发明了特斯拉线圈，解决了电力传输与配置的关键问题，大大提高了人类使用电力的能力。1889年，俄国科学家多里沃—多布洛夫斯基研制成的第一台实用的三相交流鼠笼异步发电机，并取得专利。1890年，他发明了三相变压器，1891年，完成了世界上第一条长达170km，电压为1500伏的三相交流输电线。三相交流电的发明标志着电工技术发展到一个新阶段。交流电具有安全、成本低、功耗小、便于远距离输送等优点，克服了直流发电和供电系统的种种弊端，适应了社会的需要。但一直倡导使用直流电的爱迪生，为了自己直流电的生意，却极力反对使用交流电，甚至不惜采用卑劣手段，来诽谤、中伤特斯拉的发明，百般阻挠交流电的推广应用，完全丧失了一位科学家应该具有的品格和气质。随着电能应用的迅速扩大，发电厂相应地发展起来，由功率小的“住户式”电站，进而发展为大功率的中心发电厂。1889年，英国建成了一座电站，是现代大型中心发电站的先驱。1882年，法国物理学家和电气技师德普勒成功地进行了远距离高压直流输电试验。1901年美国在密西西比河流域建成了50千伏的高压输电线。远距离输电技术的发展，使电力成为比蒸汽动力更强大更方便的动力，它的广泛应用对工业的发展具有决定性的作用。(三)电灯的发明电磁式发电机发出的电力，开始时并没有立即用作工业动力，而是主要用于电气照明。电灯的发明，首推美国发明家爱迪生（T.A.Edison，1847～1931年）。爱迪生少年时代就喜欢冥思苦想，爱提古怪的问题。上小学时，老师常被他古怪的问题问得张口结舌，并当着他母亲的面说他是一个傻瓜，将来不会有什么出息。母亲一气之下让爱迪生退了学，由她指导爱迪生的教育。在母亲的指导下，爱迪生阅读了大量的书籍，并在家中自己建立了一个小实验室。后来，爱迪生得到和阅读了法拉第的电学著作，很快投入了研究开发之中。1876年，爱迪生发明了“会说话的机器”——留声机，在社会引起轰动，人们惊叹不已，当时爱迪生才29岁。1878年，爱迪生将兴趣转到电灯的研制上来。在他之前已有人在进行白炽灯的研究。1860年，英国化学家斯万（Swan,1824～1914年）开始进行白炽灯的研制，并于1878年用铁丝制成了一种可以实际使用的真空白炽灯，还当众作过表演。1875年，英国的克鲁克斯（W.Crookes，1832～1919年）也制成了一种真空灯泡。而爱迪生于1879年10月才发明了用炭化棉线作灯丝的灯泡，连续点了40小时，这在当时来说已是寿命最长的了。爱迪生并未满足，经过一次又一次的实验，终于发现竹子纤维在炭化后可以做灯丝，其寿命可达1200小时。爱迪生马上大批量生产这种灯泡，并且为此专门开直流电站、架设电网。到1882年，爱迪生已经在纽约建成了一个当时世界上规模最大的电力系统。后来，人们之所以把电灯的发明归功于爱迪生，是因为他使电灯实用化、商业化获得了成功。爱迪生在1878年就设立了“爱迪生电气照明公司”，他所生产的碳化竹丝灯泡在19世纪80年代就被广泛采用了。而斯万的研究工作却由于受到英国玻璃灯公司的猛烈反对，条件困难，进展迟缓。对社会的巨大贡献使爱迪生获得了发明世界之光的荣誉。(四)电报的发明最早将电作为一种信息传媒利用的是电报。早在奥斯特发现电流的磁效应之时，安培就试制过一种电报。他用26根导线连接两处26个相对应的字母，发报端控制电流的开关，收报端的每个字母旁各有一个小磁针，可以感应出连接该字母的导线是否通电。针对电流弱小的问题，美国物理学家亨利提出在线路的中间加装电源，采用接力的方式传送信息。后来，美国工程师莫尔斯（S.F.B.Morse，1791～1872年）改进了字母发报方式，发明了一套新的莫尔斯电码。新电码废除了26个字母符号，只有点和横两种符号组成，大大简化了电报系统。1844年，在莫尔斯的努力下，美国架设了一条由华盛顿到巴尔的摩的电报线路。从此，电报由实验阶段进入实用阶段。欧洲国家的许多城市开办了电报公司。1847年，英国和法国在英吉利海峡铺设了第一条海底电缆，沟通了两国的电报通讯。1856年，更长的海底电缆在大西洋底铺就，英美两国之间也建立了电报通讯网。(五)电话的发明电报传递信息的成功激发人们去思考，电是否也可以直接传送声音。这一设想被美国人贝尔(A.G.Bell，1847～1922年)实现，贝尔于1876年发明了电话。和他同一天（1876年2月14日）向美国专利局申请发明电话专利的，还有一位发明家美国人格雷(E.Gray，1835～1901年)，而且他们提出的电话器械及其原理有许多相同之处。不过格雷当时认为电话不值得重视，而贝尔却认为电话是最重要的发明，他又看出了这一发明的社会需要和发展前景，加快了研制步伐。1876年在纪念美国独立100周年的费城博览会上，贝尔展出了自己研制的电话，并且进行了相距150公尺的通话表演，引起了参观者的轰动。可是格雷看了表演以后说：“至于贝尔的通话电报，它仅能引起科学界的兴趣，其商业价值将是有限的”。后来格雷便致力于研究电报技术去了，而贝尔满怀信心地写信给他父亲说：“一切都是我的，我肯定会获得荣誉、财富和成功。”1877年贝尔建立了贝尔电话公司，开始电话机的商业性生产，当年9月已有1300台投入使用；1880年增加到4.8万台；1910年达700万台；到1922年，又比1910年增加了三倍。事业上的成功使贝尔争得了优先权。(六)无线电通讯的发明1895年5月7日，俄国物理学家波波夫（A.C.ПoпOB,1859～1906年）成功地当众表演了他发明的无线电接收机，所以后来原苏联政府命名5月7日是“无线电发明日”。与此同时，意大利工程师马可尼(G.Marconi，1874～1937年)也参与到无线电通讯的研究中。1894年，他制成了金属粉屑检波器，又在发射机和接收机上安装了天线和地线，在当时能实现1英里的无线通讯。他把自己的发明带到了英国，并于1896年6月2日获得专利。1909年，马可尼获得诺贝尔物理学奖。虽然波波夫的发明在时间上比马可尼早，可是由于沙皇政府的腐败，波波夫的研究成果没有广泛使用，而马可尼却得到了英国邮政部门的热心支持，该部总工程师普利斯甚至将自己的实验室供给马可尼做实验，因而马可尼研究成就很快就超过了波波夫。后来，俄国政府出来争夺无线电发明优先权，而引起了一场国际争端。1905年5月4日，在美国关于无线电发明权的一场诉讼中，北美巡回法庭判定马可尼为无线电发明者，因为他是第一个使无线电走出实验室，第一个让无线电越过海峡，飞过大西洋，变成真正实用的通讯工具。总之，电的产生和广泛应用，促使电报、电话、无线电等电信技术的迅速兴起，对19世纪的社会生产和人们的生活产生巨大影响和变革，极大推动了人类社会的进步，使人类步入“电气化时代”。7.2.2电力技术革命特点和影响(一)电力技术革命的特点电力技术革命同蒸汽技术革命相比较，最大的不同是科学理论的作用。也就是说科学武装了技术，科学的发展大大提高了技术水平，并为技术创造提供理论依据，技术发明越来越成为科学成果的最终运用，它不再是科学产生于技术经验时代了。蒸汽技术革命在许多方面是“行动在先”，工作机和蒸汽机的发明主要是靠工匠的技艺和经验的积累，自然科学理论的指导还比较零散和间接，后来在研究提高热机效率的基础上，才创立了系统方法的热力学理论；而电力技术革命则是以科学理论的突破为前导，电磁理论的建立为电力技术革命提供了重要的理论准备。奥斯特关于电磁效应的发现和法拉第电磁感应定律为制造电动机和发电机提供了基本原理；安培定律为电能转化为机械能提供了定量公式；麦克斯韦完整的电磁学理论则为电能与机械能、光能、声能的互相转换提供了理论依据。在电力革命过程中，电磁理论规定了革命的方向，指导着电力系统技术体系的建立。事实再一次雄辩说明科学对生产的先导作用，说明科学能变成直接的生产力。蒸汽时代技术只是发挥传统技艺的作用，与生产融为一体；而到电力时代，技术发展为技术科学，作为科学化理论体系指导生产，成为连结科学与生产的纽值得指出的是在电力技术革命中，随着生产和技术的革命性变革，技术逐渐摆脱其经验形态，开始建立起自己的理论体系，也有力地推动着科学的发展。如在1840年英国的格拉斯哥大学正式开设了工程学讲座，并编写了《应用力学》《动力工程学》《土木工程学》等讲义。1861年，英国又创办了《电气工程师》杂志等。这些学术刊物的创办，都对技术科学的研究和形成起到了促进作用。电力技术革命同蒸汽技术革命相比还有一个明显的特点，就是电力技术革命以来的技术发展，越来越明显地表现出近代技术直接为社会生产服务并依赖于社会经济的发展。19世纪70年代，电力技术革命使科学和技术成为生产过程中必不可缺少的因素。“只有资本主义生产方式使自然科学为直接的生产过程服务，同时，生产的发展反过来又为从理论上征服自然提供了手段”。“随着资本主义的扩展，科学因素第一次被有意识地和广泛地加以发展、应用，并体现在生活中，其规模是以往试点根本想象不到的”。（马克思《机器·自然力和科学的应用》，人民出版社，1978年，第206页～208页）如19世纪冶金技术、化工技术、电力和通讯技术的发展应用，都说明了这一点。(二)电力技术革命的影响电气时代所创造的社会生产力，是蒸汽时代望尘莫及的。英国的产业革命，主要标志是蒸汽机的发明，而美国的产业革命，则是电力的应用。经过几十年的努力，美国在经济上就后来居上，压倒了欧洲大陆。1860年，美国工业生产居世界第四位，产值只占资本主义世界的10%，到1890年，美国产值就猛增了9倍，超过了大英帝国，跃居世界第一位，成为经济最发达的国家。直到现在，一个国家的电气工业发展状况和电力应用程度，依然是判定这个国家经济是否发达的一个重要标志。电力技术革命不仅为人类创造了巨大的物质财富，改变着人们的生产、生活方式，而且还进一步促进了科学、技术的发展，改变着人们的自然观念。它比蒸汽技术革命的意义更为深远。首先，在经济上电力技术革命同蒸汽技术革命一样，促进了社会生产力的发展，并促成产业结构的变化。电能的使用使大工业的发展摆脱了地区条件的限制，从而使人类对自然力的支配达到新的高度，极大解放了社会生产力。其次，进一步推动了科学、技术以及研究机构的发展壮大。作为电力技术革命先导的电磁理论的建立，将科学研究领域由宏观扩展到微观和宇观，引起了一批新兴学科的诞生，而电力技术为科学提供的新研究手段和途径又加速了这些学科的研究进展，从而促进了20世纪科学的发展。同时，在技术密集型工业体系中，使“工匠”传统和学术传统达到统一，实现了科学与技术的结合。也使科学研究出现了社会化趋势。以往个体的、自由式的科学研究方式逐渐让位于一种新型的科研形式——集体的、合作式的研究组织。在基础研究理论方面，最早出现的集体研究组织是1871年英国剑桥大学卡文迪许家族出资兴建的卡文迪许实验室，该实验室在后来不仅成为英国的科技研究中心，培养出汤姆逊、卢瑟福等一大批优秀科学家，而且对英国的工业发展发挥了相当重要的作用。再次，电力技术革命改变了人们的自然观，使人们认识自然和改造自然的能力大大提高。在电力技术革命中，科学、技术都取得了一系列重要突破。电磁学、化学、生物学、地学、分子物理学都取得了较大成就，这就使得人们对自然界的认识更加深入，视野更加开阔。总之，电力技术革命改变了整个社会的面貌，使社会文明发展到新阶段。电报、电话等早期通信技术的普及改变了人们以往生活的封闭状态，使人与社会的联系更广泛、更密切；科学技术向生活各个方面渗透，使人们的消费方式、服务方式、交往方式等发生了急剧的变化；生产的社会化促使企业出现新型的科学管理体制，加快了政治民主化进程。电力技术革命使人的体力在更大范围内得到解放，人的聪明才智得到更大的开发和利用。7.3信息技术革命20世纪40年代后，在现代科学革命浪潮的推动下，一大批新兴技术不断出现，形成了现代技术革命的新高潮，这次技术革命是近代以来的第三次技术革命，由于主导这次技术革命进程的是信息技术，所以也称信息技术革命。信息技术是一个庞大的高新技术集合，它主要包括微电子技术、半导体材料技术、计算机技术、多媒体技术、数据库技术、通信技术、网络技术和广播电视技术等等。其中，计算机技术和通信技术是信息技术的核心内容。本章扼要介绍计算机技术和网络技术的发展过程，微电子技术、通信技术等将在高新技术一篇中介绍。7.3.1电子计算机的发明与发展电子计算机是20世纪最伟大的技术发明之一，是现代技术革命的标志。电子计算机的发明和发展，开辟了生产力解放的新纪元，对人类社会和社会经济活动产生了巨大影响。(一)计算工具的早期探索和计算机的产生人类发明的计算工具，最早的可能要算中国古代的算筹和算盘了，罗马人也使用一种算盘，因为没有位制和十进制而没能流行。中国发明的记里鼓车是一种自动机械也是一种累加计数器。到17世纪，在计算工具和钟表等自动制造技术的基础上，西方出现了最早机械计算机。世界上第一台真正的机械计算机是1642年法国数学家帕斯卡（B.Pascal，1623～1662年）发明的。它长1米，宽30厘米，高25厘米，能实现加、减法的8位计算。德国著名数学家莱布尼茨敏锐地觉察到计算机的价值，他从1671年开始着手设计研制计算机，并于1673年，在帕斯卡计算机的基础上，制成了一台可进行四则运算的机械计算机。他的另一贡献是提出了系统的二进制算术运算法则。这两种机器发明较早，由于当时生产技术水平的限制还不能提供精密的器件，使得大约经历了两个世纪，直到19世纪初，才出现了真正有实用价值的台式手摇计上述的计算机都没有自动进行计算的功能。首先开辟计算机自动化方向的是英国数学家巴贝奇（C.Babbage，1792～1871年）。巴贝奇少年时就表现出强烈的好奇心和求知欲，酷爱数学。1810年，考取了剑桥大学。当时的剑桥讲授的数学还未超出牛顿时代的成就，而对新兴的数学理论和方法置之不理。为了改变这种落后的教育状况，以巴贝奇为首的一批青年人于1812年成立了“剑桥分析学会”，力主引进欧洲大陆的数学研究成果，对于推动19世纪英国数学的发展与复兴作出了贡献。巴贝奇在大学读书时，就发现当时流行的由机械运算产生的各类数表错误很多，这样的数表给应用带来很大麻烦，甚至损失。他设想研制一种机器，能运算和编制出可靠的数据表。1821年，巴贝奇得到父亲的支持，开始研制计算机。他提出了几乎是完整的程序自动控制的设计方案，并于1822年利用多项式数值表的数值差分规律，设计出一台计算机模型——“差分机1号”（DifferenceEngineNo.1）。它不仅能每次完成一个算术运算，而且还能按预先安排自动完成一系列算术运算，已经包含有程序设计的萌芽。出于经济上考虑，巴贝奇差分机使用的是十进制系统，采用齿轮结构。十进制数字系统的每一组数字都刻在对应的齿轮上，每项计算数值由相啮合的一组数字齿轮的旋转方位显示。“差分机1号”的制造，花费了家中大笔财产。最后，由于缺乏资金，缺少熟练的工作人员，再加上不断更改设计，致使制造计划于十年后被迫中断。1843年，没有完成的差分机连同设计图纸全部移送伦敦的皇家学院博物馆保存。在制造差分机期间，巴贝奇就在勾画设计一种能进行任何程序运算的计算机。1801年，法国工程师雅克特（J.M.Jacquard，1752～1834年）发明了一种提花织布机。在织布过程中，执行步骤由纸卡片上穿孔的方式控制，从而可实现不同的提花设计。受此启发，巴贝奇提出了把程序编制在穿孔卡片上用以控制计算机工作的设想。为此，他于1843年完成了新的设计，称之为“解析机”或“分析机”（AnalyticalEngine）。在分析机的设计中，巴贝奇第一次将计算机分为输入器、输出器、存储器、运算器、控制器五个部分，成为现代计算机结构模式的最早构思形式。为了研制分析机，巴贝奇多方筹措资金，先是寻求政府资助未果，后来耗尽了从父亲那里继承来的大部分财产。但还是由于当时资金和技术方面的条件限制，他的分析机未能做成。巴贝奇的设计思想有很大意义，他提出的程序设计方法对现代计算机的研制很有启发。由于巴贝奇的设想太超前，人们根本无法理解其价值，他一度遭人嘲笑、讥讽，被说成是“幻想家”、“疯子”。但就是在这么一种环境下，巴贝奇毅然完成了一系列完整的图纸。再加上当时技术条件的限制，更主要的是那个时代对这一类机器还没有需求，巴贝奇的设想未能实现。他的全部设计图纸留给了20世纪的人类。150年后，根据巴贝奇设计的图纸和仿照那个时代机器原材料所能达到的水平，经过澳大利亚科学家6年的努力，于1991年5月，终于仿制出一台巴贝奇分析机，并进行实际运算成功。在巴贝奇制造分析机失败之后，大型数字计算机的研制停滞了大约70年之久，但促使数字计算机发展的各种因素仍在孕育之中。19世纪末，为了满足美国人口普查的需要，受雅克特发明的自动提花机思想启发，美国工程师霍勒里斯（H.Hollerith，1860～1929年）在1888年发明了统计机，它是一台具有使用价值的卡片程序控制计算机。他把信息用穿孔的办法记录在卡片上，再利用早已成熟的弱电流技术识别和传递这些信息到机器中。但这台机器的计数器仍然采用机械原理和机械结构工作，实际上还是一台电动的机械计算机。不过这为以后深入研究穿孔卡片程序控制计算机打下了基础。20世纪40年代，科学家和工程师探索利用电器元件来制造计算机。第一个采用电器元件制造计算机的是德国工程师朱斯（K.Zuse，1910～1995）。他在1938年制作了一台全部采用了继电器的计算机，这是世界上第一台真正的通用程序控制计算机。1937年，美国哈佛大学的哈肯（H.Aiken，1900～1973年）由于撰写博士论文求解非线性常微分方程的需要，发明了一种可求简单多项式的计算机。接着他又设想制造一台可解任何问题的通用计算机。他的设想得到美国IBM公司的支持。1944年，哈肯建成了“自动程序控制计算机”（哈佛MarkⅠ),这台计算机只是部分采用继电器，主要用于科学计算。与此同时，贝尔实验室也研制出继电器计算机。继电器计算机虽然比机械计算机运算速度快，但仍满足不了实际需要，它注定要被电子计算机所取代。但应当承认继电器计算机为电子计算机的研制积累了重要经验。(二)电子计算机的发明20世纪20年代后，电子技术和电子工业的迅速发展为研制电子计算机提供了可靠的物质基础。1905年，英国物理学家弗莱明（J.A.Fleming，1849～1945）发明了电子管；1906年，美国物理学家德福雷斯特（L.deForest，1873～1961年）发明真空三极管，这些都为电子计算机的制造准备了物质条件。出于第二次世界大战军事上的需要，计算工具的改进成为燃眉之急。如，二战期间美国阿伯丁（Aberdeen）弹道研究室每天要为陆军提供6张火力表，每张表都要计算几百条弹道。当时一个熟练的计算人员用台式计算机计算一条飞行时间60秒的弹道就得需要20多小时。为此阿伯丁实验室聘用了200多名计算人员。可见，计算需要与计算能力之间的矛盾日益突出。改革当时机械计算机的结构，提高计算速度，已是迫在眉睫。这种需求成为电子计算机诞生的推动力。第一台计算机的诞生正是在这么一种情况下，由阿伯丁弹道研究室与宾夕法尼亚大学莫尔学院电工系密切合作产生的。1942年8月，阿伯丁实验室的戈德斯坦（H.Goldstine）与宾夕法尼亚大学莫尔学院电工系工程师莫克莱（J.W.Mauchly，1907～1980年）一起，起草了一份题为《高速电子管计算装置的使用》的报告，提出了电子计算机的设计方案，它是一台“电子数值积分计算机(ElectronicNumericalIntegratorAndCalculator)”，简称ENIAC。这在当时是一份超前和冒险的计划，一方面耗资巨大，同时也没有必成的把握，因此方案一提出来便遭到强烈的反对。但在当时担任阿伯丁实验室科学顾问的美国著名数学家维布伦（O,Veblen）的坚决支持下，美国陆军军械部批准了这个项目。1943年6月开始试制，由年仅24岁的硕士研究生埃克特（J.P.Eckert，1919~)担任总工程师。整个ENIAC方案的实施过程是曲折的，合同先后修改了20多次，经费总额超过48万美元。1945年底，这台标志人类计算工具的历史性变革的电子计算机终于试制成功，1946年2月15日正式举行揭幕典礼。ENIAC重达30吨，占地170平方米，共用了18600个电子管，每秒运算5000次，比当时的计算机快1000倍。它的缺点是机器的可靠性仍比较差，它只能稳定地工作几个小时。它与后来的“存储程序”型计算机不同，它的存储容量很小，至多能存20个字长10位的十进制数；它的程序是“外插型”的，即用线路连接的方式来实现，需要花很多时间先将程序准备好，大大影响了运算速度，使ENIAC的使用极不方便。在ENIAC的研制过程中，设计者曾经试图通过增加存储器的办法来克服ENIAC存储容量小的缺点。埃克特又提出用延迟线回路作为计算机存储器的设计方案。问题的最终解决依赖于美籍匈牙利数学家冯·诺依曼（J.vonNeumann，1903～1957年）的工作。1944年夏日里的一天，在阿伯丁火车站，戈德斯坦中尉遇见了数学家冯·诺依曼。在交谈中戈德斯坦透露了ENIAC研制中存在的问题，立即引起了冯·诺依曼的关注。当时，冯·诺依曼正在参加试制原子弹的工作，深受繁重计算之苦，他便改变了决定，参加了ENIAC改进设计工作。冯·诺依曼与莫尔学院的科研小组合作，经过10个多月的努力，于1945年6月，提出了一个全新的存储程序通用计算机方案“EDVAC”(ElectronicDiscreteVariableAutomaticComputer——意为“离散变量自动电子计算机”)。其中一项重大的革新就是“程序存储”的思想，即程序设计者可以事先按一定的要求编制好程序，把它和数据一起存储在存储器中，实现全部运算自动执行。冯·诺依曼等人提出的EDVAC计算机，由于设计组内部对发明权的争议致使研制工作进展缓慢，直到1952年才面世。EDVAC由计算器、逻辑控制装置、存储器、输入、输出五部分组成，较之ENIAC有两个重大改进：一是采用二进制，以充分发挥电子器件的高速度；二是设计了存储程序，可以自动地从一个程序指令进入下一个程序指令。不幸的是，设计组内部因发明权问题陷入分裂，莫克莱和埃克特离开了设计组另组建公司开始研制UNIVAC计算机，致使EDVAC到1952年才研制成功。EDVAC方案对现代电子计算机发展产生了巨大影响。在此基础上，英国剑桥大学于1949年研制成功了第一台存储程序计算机——EDSAC（ElectronicDataStorageAutomaticComputer）。电子计算机的发明，在理论上有两个基本重要成果为基础：一是布尔代数，另一是图灵（A.M.Turing，1912～1954年）的理想计算机理论。1854年，英国数学家布尔（G.Boole，1815～1864年）发表了其重要著作《思维规律研究》，成功地将形式逻辑归结为代数运算，即今天的布尔代数。在这种代数中，变量只有0和1两个值，特别适用于只有开断和接通两种状态的电路系统，布尔代数为把电子元件及其线路应用到计算机中提供了重要的理论基础。以后在布尔代数基础上，又发展了数理逻辑，这就为制造数字计算机提供了数学工具。英国剑桥大学的图灵在1936年为解决纯数学的一个基础理论问题，发表了著名的《论可计算数及其在判定问题中的应用》的论文，从数学上证明了通用的理想计算机是存在的，所谓的通用就是一旦程序编制好后机器就能进行它所能完成的任何计算及逻辑运算。提出了现代通用数字计算机的数学模型，描述了计算机的逻辑构成，并提出了“程序内存”的设想，后人把它称之为“图灵机”。图灵对现代计算机理论的发展作出了重大贡献。冯·诺依曼在世时，曾不止一次说过：“现代计算机的设计思想来源于图灵”。从帕斯卡、莱布尼茨、巴贝奇，到布尔、图灵、冯·诺依曼，事实再一次证明，数学在及数学家在计算工具改进中的巨大作用。如今，电子计算机已经发展了第四代，所有这些计算机都是以冯·诺依曼在20世纪40年代提出了“存储程序”型计算机设计思想为基础，直到今天该思想仍是计算机设计制造者的理论基础。冯·诺依曼在倡导和宣传这一设计思想上所起的推动作用则是举世公认的。(三)计算机硬件技术的发展1．电子计算机的发展阶段自1946年第一台电子计算机问世以来，以构成计算机硬件的逻辑单元为标志，大致经历了从电子管、晶体管、中小规模集成电路到大规模、超大规模集成电路计算机等四个发展阶段。第一阶段——电子管计算机时代（1946～1957年也称为第一代计算机。使用电子管作为逻辑元件，采用磁鼓和磁芯作主存储器，主要用于科学计算，程序主要用机器代码和汇编语言。1951年6月14日，由莫克莱和埃克特设计的的世界上第一台通用自动计算机UNIVACⅠ（UniversalAutomaticComputer）投入使用。这是唯一采用汞延迟线作为主存储器的计算机。第一台UNIVACⅠ成功地处理了美国1950年人口普查资料。第二台UNIVACⅠ曾用于处理1952年美国总统选举资料。1955年，IBM研制成功的IBM650计算机，使用磁鼓作为主存，并装备了穿孔卡片输入输出系统，获得巨大成功。1950年，美籍华裔物理学家王安（1920-1990）提出了利用磁性材料制造存储器的思想。1953年，麻省理工学院的福瑞斯特（J.W.Forrester）和美国无线电公司同时发明了磁芯存储器。从20世纪50年代中到70年代，磁芯一直被用作计算机的主存储器。第二阶段——晶体管计算机时代（1957～1964年也称为第二代计算机。采用晶体管作为逻辑单元、磁芯作主存，外存多用磁盘，程序使用高级语言和编译1948年6月，美国贝尔电话实验室的科学家肖克利（W.Shockley，1910、巴丁（J.Bardeen，1908～）和布拉顿（W.H.Brattain，