第七章三次偉大的技術(shù)革命追溯歷史，可以看到技術(shù)對每一時期的人類生活和社會面貌都帶來巨大影響。技術(shù)給人類提供技能和方法，構(gòu)成了人類認識自然和改造自然的巨大力量。而技術(shù)發(fā)展過程中的質(zhì)變階段——技術(shù)革命，不僅會直接導(dǎo)致生產(chǎn)力革命，還會帶來社會各個方面的深刻變革。近代以來的歷次技術(shù)革命，尤以蒸汽技術(shù)、電力技術(shù)和信息技術(shù)三次革命對經(jīng)濟、社會發(fā)展的影響最為深刻和巨大。7.1蒸汽技術(shù)革命蒸汽技術(shù)革命發(fā)生在18世紀(jì)中期至19世紀(jì)，它以紡織機械的革新為起點，以蒸汽機的發(fā)明和廣泛使用為標(biāo)志，實現(xiàn)了工業(yè)生產(chǎn)從手工工具到機械化的轉(zhuǎn)變。這場革命發(fā)端于英國，而后遍及整個歐洲，在世界范圍內(nèi)產(chǎn)生了深遠影響：一是從工廠手工業(yè)發(fā)展到機器大工業(yè)生產(chǎn)，實現(xiàn)了機械化；二是由于蒸汽機的發(fā)明和改進，發(fā)生了動力革命；三是資本主義工廠制度取代了家庭手工業(yè)，改變了生產(chǎn)體系的組織結(jié)構(gòu)和經(jīng)濟結(jié)構(gòu)，使人類社會進入了一個全新時期。7.1.1工具機和動力機的技術(shù)革命18世紀(jì)60年代，在英國開始了產(chǎn)業(yè)革命，同時出現(xiàn)了近代以來的第一次技術(shù)革命——蒸汽技術(shù)革命。蒸汽技術(shù)革命開始于紡織工業(yè)的機械化，以蒸汽機的廣泛使用為主要標(biāo)志，繼而擴展到其他輕工業(yè)、重工業(yè)等各行業(yè)。(一)蒸汽技術(shù)革命的動因蒸汽技術(shù)革命是資本主義生產(chǎn)發(fā)展的必然需要，而自然科學(xué)的成就為蒸汽技術(shù)革命提供了理論基礎(chǔ)。資本主義生產(chǎn)方式的產(chǎn)生和發(fā)展需要有兩個必要的前提條件：一是大量資本的積累；二是自由雇傭勞動大軍的存在。18世紀(jì)的英國得天獨厚，比其他任何國家都更早地具備了這兩個條件，因而在英國發(fā)生技術(shù)革命和工業(yè)革命也就不是偶然的。英國在17世紀(jì)爆發(fā)了資產(chǎn)階級革命，使資本主義生產(chǎn)方式取得了統(tǒng)治地位，并且實行了農(nóng)業(yè)改革，改用資本主義經(jīng)營方式，把農(nóng)民從他們世代耕種的土地上驅(qū)逐出去，為工業(yè)提供了雇傭勞動大軍。資本的原始積累，繁榮的海外貿(mào)易，充分發(fā)展的金融系統(tǒng)，豐富的煤和鐵礦資源，加上關(guān)心工業(yè)生產(chǎn)、愿意承擔(dān)采用新技術(shù)的風(fēng)險的資產(chǎn)階級，使英國成了技術(shù)革命和工業(yè)革命的發(fā)源地。在當(dāng)時，英國的棉紡織業(yè)迫切要求革新技術(shù)，急需新的動力機械，以提高產(chǎn)品競爭能力，因此技術(shù)革命首先從棉紡織行業(yè)開始。(二)紡織業(yè)的機械化——工具機的發(fā)明1733年，英國蘭開夏29歲的織布工凱伊（J.Kay，1704～1764年）發(fā)明了織布用的飛梭，不僅能織出寬度加倍的織物，而且使織布機效率提高一倍，這就引起了紡紗和織布之間的不平衡。當(dāng)時一架織布機需要五六架紡車紡紗，飛梭的發(fā)明使織工工作加快，紡紗就跟不上了，引起了嚴重的“紗荒”。紗的價格不斷上漲，而且供不應(yīng)求，織布廠受到的損失也越來越大。改革紡紗生產(chǎn)成為當(dāng)務(wù)之急。為了解決紡和織失調(diào)的矛盾，英國皇家學(xué)會和英國“技術(shù)與工業(yè)獎勵協(xié)會”公開懸賞紡紗技術(shù)的改革者。1765年，英國蘭開夏織布工兼木匠哈格里沃斯(J.Hargreaves，1720～1778年)發(fā)明了一種由一個手搖轉(zhuǎn)輪同時帶動8個直立紗錠的紡紗機，并以他的女兒珍妮的名字命名為“珍妮紡紗機”。開始時，他怕人反對新發(fā)明的機器，只在家里使用，不敢對外公開。后來因為貧困，到1767年才制造了幾架紡紗機出售，不料遭到了紡紗工人的反對，把他家砸得一塌糊涂。他在1770年才領(lǐng)到多軸紡紗機的專利證。后來人們又造了帶有80個錠子的多軸紡紗機。這是一項重大的技術(shù)革命，恩格斯稱之為“從根本上改變了英國工人狀況的第一個發(fā)明”。1769年，英國理發(fā)師阿爾克萊特(S.D.Arkwright，1732～1792年)發(fā)明了用水力帶動的“水力紡紗機”。阿爾克萊特作為發(fā)明家一直被人懷疑，因為他早先是一名理發(fā)師，對機械制造一竅不通。據(jù)說他偷竊了木匠海斯于1767年發(fā)明的“環(huán)鈴紡紗機”，加裝一套轉(zhuǎn)動設(shè)備由水輪帶動，初步解決了動力不足的困難。馬克思說：“在18世紀(jì)所有的大發(fā)明家中，他無疑是最大一個偷竊別人發(fā)明的賊，一個非常平凡的小人。”(《資本論》第一卷，第455頁)因為他沒有任何技術(shù)經(jīng)驗，他對紡織工業(yè)及其需要，是從理發(fā)店里的談話和蘭開夏鄉(xiāng)村中兜售假發(fā)時道聽途說得知的。但是，他是一個工廠主的典型，具有企業(yè)家的才能，是工業(yè)革命的開路先鋒之一。1771年，阿爾克萊特在曼徹斯特建立了第一個水力綿紡紗廠。到1779年，它有幾千個紗錠并雇傭了三百個工人。到1790年，阿爾克萊特的水力棉紡紗廠已達150家之多，大部分工廠擁有七八百工人，資本主義工廠制度取代了家庭手工業(yè)。水力紡紗機紡出的紗雖然結(jié)實，但略嫌粗些；多軸紡紗機紡出的紗雖然細，但過于薄弱和易斷。1779年，英國童工身出身的克隆普頓(S.Crompton,1753~1827年)綜合了兩機的優(yōu)點，發(fā)明了走錠精紡機——俗稱“騾機”，該機紡出的紗線既結(jié)實又精細。馬克思稱贊它是“現(xiàn)代工業(yè)中一個最重大的發(fā)明”。這種機器可以同時轉(zhuǎn)動三四百個紗錠，開始時用水力帶動，1790年左右開始用蒸汽機帶動。走錠精紡機的出現(xiàn)標(biāo)志著紡紗機械的革新已初步完成。紡紗機革新以后，使紡紗能力大大提高，從而又形成了棉紗過剩，出現(xiàn)了新的不平衡?？棽紮C的改革勢在必行。1785年，英國牧師卡特萊特(E.Cartwright，1743～1823年)發(fā)明了水力推動的臥式自動織布機。他偶然了解到由于紡紗機革新，棉紗過剩，織布機跟不上，便決心從事織布機的發(fā)明。他親自到工廠參觀、調(diào)查，并請了一個木匠和一個鐵匠當(dāng)助手，潛心鉆研、實驗，才搞成功，提高效率四十倍。1791年，他在曼徹斯特建立了第一座用這種機械織布機裝備的大工廠，可是遭到了織工們的激烈仇視。一個月后，工廠就被燒掉了。當(dāng)時出現(xiàn)了自動織機又是需要，又是不得人心的局面。然而技術(shù)革命的潮流是不可阻擋的，到卡特萊特1823年去世時，他發(fā)明的這種織機不僅在英國，而且在歐洲已經(jīng)普遍被采用了。在紡紗和織布機器革新的過程中，與之配套的一系列機器，如凈棉機、梳棉機、自動卷紗機、漂白機、染整機等，也都先后發(fā)明出來，實現(xiàn)了棉紡織業(yè)整個部門的機械化。由于新式的動力紡紗機和織布機的發(fā)明，大大提高了生產(chǎn)效率，英國的紡織工業(yè)迅速成為世界第一大輕工業(yè)。(三)蒸汽機發(fā)明和改進一方面，工具機的技術(shù)革命，要求為它們提供強大而方便的動力，必然要引起動力上的革命；另一方面，英國煤礦排水主要是用馬拉轆轤推動水泵來抽排礦井深處的水，采煤業(yè)的發(fā)展也急需新的動力機械。蒸汽機的發(fā)明就是在這樣的歷史條件下應(yīng)運而生的。蒸汽機是利用水蒸汽作工作介質(zhì)的熱機。當(dāng)時蒸汽機的工作原理，都是利用蒸汽冷凝形成局部真空，而后靠大氣壓力做功，實際上是大氣壓力機。所以，蒸汽機從科學(xué)理論上是起源于對真空和大氣壓力的認識。1643年，意大利物理學(xué)家托里拆利（E.Torricelli,1608～1647年）通過著名的水銀柱實驗，發(fā)現(xiàn)并測定了大氣壓力。1647年，法國科學(xué)家帕斯卡(B.Pascal,1623～1662年)出版了《關(guān)于真空的新實驗》，澄清了自亞里士多德以來認為“自然界厭惡真空”的錯誤概念。1654年，德國物理學(xué)家格里凱(O.vonGuericke,1602～1686年)在馬德堡進行了關(guān)于大氣壓力的著名的半球?qū)嶒灒核诘禄实夏隙篮捅姸嘤^眾面前，將兩個直徑約1.2英尺的銅制半球涂上油脂對接上，用他發(fā)明的真空抽氣機抽出空氣，然后用16匹馬才將兩個半球拉開。顯示出大氣壓力的威力。這個著名的實驗使真空和大氣壓力的概念為世人所接受。1662年，英國化學(xué)家波義耳（R.Boyle,1627～1691年）發(fā)現(xiàn)了氣體的體積與它的壓力成反比的定律。1695年，法國物理學(xué)家巴本（D.Papin,1647～1712年）設(shè)計了一種活塞式蒸汽機，這個機器靠蒸汽將活塞舉起，然后將蒸汽冷卻，汽缸內(nèi)形成真空，活塞在大氣壓下做功。巴本做過惠更斯和波義耳的助手，得益于他們的科學(xué)研究工作。1680年，惠更斯曾設(shè)計過火藥發(fā)動機，讓黑色火藥在氣缸內(nèi)爆炸，氣體受熱膨脹產(chǎn)生壓力，然后冷卻汽缸造成局部真空，大氣壓力推動活塞來回運動。這個實驗困難而且危險，沒能進行下去。巴本也設(shè)想過類似裝置但沒有成功。這是內(nèi)燃機工作原理的最早設(shè)想。波義耳研究過水的浮點與壓力的關(guān)系，證明當(dāng)壓力大于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓時，水溫即使超過沸點也不會沸騰。巴本用一重力閥造成了鍋內(nèi)高壓，由此發(fā)明了高壓鍋。后來，他又想用高壓鍋內(nèi)產(chǎn)生的蒸汽推動活塞，回程則靠蒸汽冷凝后由大氣壓力來完成。這一實驗設(shè)計就是當(dāng)時蒸汽機的基本工作原理。1698年，英國工程師塞維利（T.Savery,1650～1715年）發(fā)明了第一臺適用于礦井抽水的無活塞式蒸汽泵。他沒有使用汽缸——活塞裝置，而是使充滿蒸汽的容器外部澆噴冷水使蒸汽冷凝，形成容器內(nèi)局部真空，靠大氣壓力將礦井積水壓入容器，然后再通入高壓蒸汽把水壓出去。塞維利用兩個同等容量的氣桶，輪流出空和充滿，以保持抽水工作的連續(xù)性。其與眾不同之處是讓蒸汽和水直接作用。這種蒸汽泵的缺點是十分明顯的：一是它靠大氣壓力吸水，機器只能裝在井下，操縱維修十分不便，有時來不及修好就被水淹了；二是它靠蒸汽壓力把水壓出去，當(dāng)時至多只能使水升高到100英尺左右，如果再提高揚程，氣鍋就會因壓力太高而爆炸。當(dāng)時既沒有壓力計測量壓力，又沒有調(diào)節(jié)裝置減少和控制壓力，汽桶又是交替處于高溫高壓和低溫低壓，十分危險。另外，它的熱損失大,效率很低，每馬力每小時消耗煤達1705年，英國鐵匠紐可門（T.Newcomen，1663～1729年）等人綜合了巴本和塞維利發(fā)明的優(yōu)點，發(fā)明了大氣壓力活塞式蒸汽機。其基本原理是設(shè)計了一個蒸汽缸，安裝在一個蜂窩狀的鍋爐上，用一根短管和一個控制閥與之相連。汽缸備有一個活塞，活塞用鏈條懸掛于一根遙桿，后者的另一端向礦井懸下連接泵桿。只有當(dāng)壓力略微超過大氣壓時，蒸汽才可進入汽缸，于是，承受泵桿重載的遙桿壓倒活塞，使其停住。每次沖程結(jié)束，蒸汽隔絕。當(dāng)活塞上表面的大氣迫使活塞返入汽缸時，冷水注入汽缸冷凝蒸汽。這樣，遙桿的運動逆轉(zhuǎn)，工作沖程也就完成了。紐可門蒸汽機的優(yōu)點是把抽水機和蒸汽機分開了。這是第一部獨立的蒸汽機，可以放在礦井上面，從而提供了廣泛應(yīng)用的可能性。它可以用低壓蒸汽制造局部真空，靠大氣壓力和平衡錘重力動作，保證了安全運行。它同50匹馬所做的工作一樣多，可是花費只有六分之一。因此，它很快被普遍采用，在18世紀(jì)末之前一直在使用，直到瓦特單獨冷凝器蒸汽機的出現(xiàn)。紐可門蒸汽機也存在著不少缺點：它消耗燃料多，效率仍然很低，只有0.5%左右，每馬力每小時耗煤25公斤。它只能作直線運動，應(yīng)用范圍受到限制。當(dāng)時往往采用蒸汽機抽水到蓄水池，而后再用水力來推動輪子，即是火力泵和水利泵聯(lián)用的動力機。從1769到1772年間，英國工程師斯密頓（J.Smeaton,1724～1792年）對紐可門機做了各種函數(shù)關(guān)系的推導(dǎo)，先后寫出了130多個實驗報告，整理出一套計算公式，積累了大量有價值的數(shù)據(jù)、資料。他還在改造鍋爐、改進點火及燃燒方法以及制造工藝等方面做了大量工作。斯密頓雖然沒有對蒸汽機的結(jié)構(gòu)進行改進，但他的工作及所積累的資料為瓦特的發(fā)明奠定了實驗基礎(chǔ)。對紐可門機進行根本性變革的是英國格拉斯哥大學(xué)的儀器修理工瓦特（J.Watt,1736～1819年）。瓦特出生于蘇格蘭西部的格里諾克一個工人家庭，從小受貧窮和疾病的折磨，十幾歲來到倫敦當(dāng)學(xué)徒，學(xué)習(xí)機械制造。1756年，瓦特回到蘇格蘭的格拉斯哥，想自己開業(yè)，但因?qū)W徒年限不夠，只得在格拉斯哥大學(xué)謀得了一個機修工的職位。在格拉斯哥大學(xué)里，瓦特認識了著名的物理學(xué)家布萊克，從他那里學(xué)到了許多熱學(xué)知識。與此同時，瓦特在思考如何改進紐可門的蒸汽機。1763年，瓦特在格拉斯哥大學(xué)修理紐可門蒸汽機的過程中，集中精力研究了效率低的原因。他在布萊克教授的幫助下，具體應(yīng)用關(guān)于“比熱”和“潛熱”的理論，找到了效率低的主要原因：大約有五分之四的蒸汽消耗在重新加熱汽缸上。蒸汽進入汽缸時，溫度上升到一百度以上，然后為了得到局部真空，又噴水迅速使其冷卻到二十度左右，這一冷一熱，使很大一部分蒸汽沒有用在做功上。瓦特認為：為了避免任何無益的冷凝，蒸汽對活塞發(fā)生作用的那個汽缸，必須經(jīng)常同蒸汽一樣熱。為了獲得必要的空隙，冷凝必須發(fā)生在一個單獨的容器里，這里的溫度能夠按照所需要的程度得到的降低，而汽缸的溫度卻不受到改變。他還設(shè)想：蒸汽作為一種具有伸縮性的氣體，它一遇到真空即會沖進去。假如能使汽缸和一真空容器相連，蒸汽便會沖進這個容器被冷凝而不必使汽缸冷卻。1765年，他發(fā)明了這種分離的冷凝器，并于1769年取得了帶有分離冷凝器的蒸汽機專利。1776年，他在英國威爾金森（J.Wilkinson,1728～1808年）精密加工汽缸取得突破的基礎(chǔ)上，制成了第一臺實用的瓦特蒸汽機，汽缸直徑為50厘米，在布魯姆菲爾德煤礦使用，其效率可達2%～4%，比紐可門機提高了4～8倍，每馬力每小時耗煤4.3公斤。瓦特在研制蒸汽機的過程中遇到了很大的困難，主要是資金方面的。他無力購置材料、工具和雇傭勞動力。他為了養(yǎng)活全家，不得不改做其他的一些工作。他幾乎就要放棄蒸汽機的實驗。后來經(jīng)布萊克教授介紹認識了卡倫鐵廠生產(chǎn)商羅巴克及博明翰制造商博爾頓，是羅巴克和博爾頓倆人給瓦特提供了資金上的支持，使瓦特的實驗得以完成，正是從這一時候起，蒸汽機走出實驗室，進入實際應(yīng)用領(lǐng)域。1781年，瓦特發(fā)明了變直線運動為回轉(zhuǎn)運動的“太陽—行星”齒輪機構(gòu)和飛輪裝置。1782年，他又把單向作用改進為雙向作用的蒸汽機，并取得了專利。到1784年，瓦特獲得了新的旋轉(zhuǎn)式蒸汽機的專利。至此完成了蒸汽機從抽水的動力機向“普遍適用于工業(yè)的萬能原動機”的轉(zhuǎn)變。隨著蒸汽機的發(fā)明和不斷完善，到1784年蒸汽機作為一種動力機，不斷在紡織、采礦業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，而且還被推廣應(yīng)用到交通運輸、冶金、機械、化工等一系列工業(yè)部門，為工業(yè)生產(chǎn)提供了前所未有的強大廉價動力，從根本上革新了資本主義生產(chǎn)的面貌。7.1.2英國工業(yè)革命蒸汽機的發(fā)明和廣泛應(yīng)用，極大推動了近代技術(shù)的進步。18世紀(jì)下半葉，蒸汽動力迅速應(yīng)用擴展到其他輕工業(yè)、重工業(yè)等部門，英國率先成為工業(yè)國。(一)煤炭和冶金工業(yè)的發(fā)展由于工作機和動力機技術(shù)革命的需要，提供燃料和原料的煤鐵工業(yè)由此大大發(fā)展壯大起來。當(dāng)時英國冶煉礦石的燃料是木炭，煉鐵廠都設(shè)立在森林附近，而遠離森林的礦床是被放棄的。后來，隨著森林的消失，高爐也逐漸消失了。為什么不用煤炭煉鐵呢？因為煤炭里面含有或多或少的硫化物，鐵礦石和硫化物作用，煉出來的生鐵質(zhì)量不行，容易破碎，不能錘打加工，當(dāng)時又不知道怎樣補救，因而就不能利用煤。木材的缺乏使煉鐵工業(yè)瀕臨滅絕，逼得人們另找1709年，英國人達比首先找到了把煤煉成焦炭、再用焦炭代替木炭煉鐵的方法。達比去世后，他的兒子繼續(xù)研究改進焦炭煉鐵方法，到1735年，終于成功地將這種方法用于英國煉鐵工業(yè)。達比家族的創(chuàng)業(yè)史概括了英國的冶金史。1760年，工程師斯米頓發(fā)明了用水利驅(qū)動的鼓風(fēng)機，羅布克（Roebuck,1718~1794年）成功地將這種鼓風(fēng)法用于煉鐵生產(chǎn)，并用它去除硫等雜質(zhì)，從而提高了煉鐵效率。到18世紀(jì)末，英國的煉鐵已普遍采用了蒸汽機鼓風(fēng)技術(shù)。達比的發(fā)明只能煉出粗鐵。1783年，英國工程師科特（H.Cort，1740～1800年）發(fā)明了反射爐和攪拌法精煉優(yōu)質(zhì)的鐵。反射爐是將燃燒室和熔化室分開，火焰由頂部反射通過爐料，使鐵中含有的大部分炭素與氧化合，達到精練的目的。為了促使和加速這個化合過程，需用很長的鐵釬不停地攪動鐵水，這個工序需要工人在高溫下付出巨大的體力勞動。這種攪拌法與我國公元前二世紀(jì)的炒鋼技術(shù)十分相似。1788年，科特又發(fā)明了軋機并取得了專利。通過滾軋的方法，既可把爐渣擠壓出去，又可將精煉的鐵軋制成鐵條和鐵板。這時瓦特發(fā)明的旋轉(zhuǎn)式蒸汽機也開始應(yīng)用于煉鐵工業(yè)，使英國的冶鐵生產(chǎn)大幅度上升。1788年，英國鐵產(chǎn)量為69300噸，到1791年就上升到125079噸，三年時間將近翻了一番。在煉鋼技術(shù)方面，英國在18世紀(jì)初用的方法叫“泡鋼”，即：將低碳熟鐵棒放在木炭上加熱1天左右，用滲碳的方法使其含碳量增高到鋼的含碳成分。1750年，英國鐘表匠和醫(yī)生亨茲曼發(fā)明了用煤氣作燃料在坩堝內(nèi)煉鋼的方法，稱“鑄鋼”。由于他沒有專利證，為了保密，他在夜里干活，而且只雇用可靠的人當(dāng)助手。但他無法長期保密，不久還是傳開了。這種“坩堝鋼”質(zhì)量雖高，可以做鐘表發(fā)條，手術(shù)刀等，但是產(chǎn)量低、成本高，只能供特殊用途使用。1855年，英國人貝塞默(H.Bessemer，1813～1898年)發(fā)明了轉(zhuǎn)爐煉鋼法，1861～1865年，德國人西門子（C.W.Siemens,1823～1883年）和法國人馬丁（P.E.Martin，1824～1915年）發(fā)明了平爐煉鋼法。1879年英國人托馬斯(S.G.Thomas，1850～1885年)發(fā)明了堿性轉(zhuǎn)爐煉鋼法，解決了含高磷原料在煉鋼時的脫磷問題。這些發(fā)明不僅使歐洲的鋼鐵產(chǎn)量在短短幾十年里增加了70%，而且能生產(chǎn)出高碳鋼、錳鎢鋼、鎢鉻鋼等特種鋼材，為機器制造業(yè)提供了必要的材料。到18世紀(jì)末，英國已成為歐洲重要的鋼鐵出口國。(二)機器制造業(yè)的發(fā)展蒸汽機的發(fā)明促進了整個工業(yè)生產(chǎn)機械化的進程。蒸汽機的發(fā)明和應(yīng)用，需要機器制造業(yè)的相應(yīng)發(fā)展。原始的鉆床、車床和磨床，早就有了，但并不是用以制造機器的。最初的工作母機，實際上是在制造和改進蒸汽機的過程中產(chǎn)生的。1769年，斯米頓首先發(fā)明了加工汽缸的鏜床，其加工精度為10毫米。不久，英國工廠主威爾金森發(fā)明了一種精密鏜床，加工精度提高到1毫米。1775年，他用這種鏜床為瓦特加工出了汽缸體，才使瓦特于1776年制造出了第一臺可供實用的蒸汽機。1787年，威爾金森建造了第一艘鐵船。他是英國鋼鐵工業(yè)的創(chuàng)始人。在機器制造業(yè)發(fā)展史上，還有一位關(guān)鍵人物，就是英國機械師莫茲利（H.Maudstay,1771～1832年他于1794年發(fā)明了活動刀架；1797年創(chuàng)造了第一臺可供實際應(yīng)用的車床。馬克思曾經(jīng)引用英國1855年出版的《全國工業(yè)》一書中對莫茲利發(fā)明的評價：“可以毫不夸大地說，它對機器的改良和更廣泛應(yīng)用所產(chǎn)生的影響，不下于瓦特對蒸汽機改良所產(chǎn)生的影響。采用刀架的結(jié)果是，各種機器很快就完善和便宜了，而且推動了新的發(fā)明和改良?！痹谀澙l(fā)明滑動刀架和車床后，刨床、銑床、磨床等工作母機相繼發(fā)明，使機器制造業(yè)發(fā)展成為一個強大的工業(yè)部門。(三)交通運輸業(yè)的發(fā)展緊隨工具機和動力機的革命，交通運輸業(yè)也發(fā)生著巨大的變革，進入所謂“輪船時代”和“鐵路時代”。巴本最早提出過用蒸汽機推動船舶前進的設(shè)想，但無力實現(xiàn)。第一個將蒸汽動力用于船運的是美國工程師菲奇（1743～1798他從1785年開始將雙向式蒸汽機裝在帆船上，用了三年時間，制造出四艘第一代汽船。但他的汽船并沒有引起關(guān)注。1790年，非奇最好的一艘汽船在從費城到特靈頓的途中操作失靈，宣告菲奇所從事事業(yè)的失敗。1802年，英國人賽明頓制造了一艘輪船“查托特·鄧達斯號”，拖著兩艘駁船頂風(fēng)而上，成績可喜。但是，內(nèi)河航運公司以汽船掀起的水浪會損壞河堤為理由，拒絕了塞明頓的計劃。真正產(chǎn)生重大影響，并最終使蒸汽動力用于水運的是美國工程師富爾頓（R.Fulton,1765～1815年）。1803年，富爾頓發(fā)明的汽船在法國塞納河上行駛，逆水而上可達到陸上步行的速度。富爾頓曾向拿破侖申請資助進一步改進這一運輸工具。但是，由法國科學(xué)院院士組成的一個委員會卻認為富爾頓的建議毫無用處而給予否定。有的歷史學(xué)家說，如果拿破侖接受了富爾頓的建議，建造蒸汽動力的軍艦，19世紀(jì)歐洲的歷史可能要重寫。1807年，富爾頓回美國建造了“克勒蒙號”輪船，船長40米，寬4米，帶兩個葉輪，用18馬力蒸汽機，在哈德遜河上往返于紐約和奧爾巴之間（約150英里）試航成功，航速比帆船快了三分之一。這次成功標(biāo)志著輪船時代的鐵路與火車的發(fā)明也經(jīng)歷了一個曲折的過程。在1769年，法國炮兵軍官居紐就制造過一輛蒸汽推動的炮車，不過為了積集蒸汽，走一段就得停一會，實用價值不大。1785年，英國工程師墨多克（W.Murdock，1754～1839年）發(fā)明過一種用蒸汽驅(qū)動的無軌機車，由于機器和燃料所占有的空間和自身的重量與有效負載之比不合理，沒有使用價值?？磥頍o軌的蒸汽機沒有什么用途，后來人們就轉(zhuǎn)向了有軌的火車。將鐵路與蒸汽機車相聯(lián)系，并制造出第一輛真正意義上的火車的，是英國工程師特里維西克（R.Trevithick，1771～1833年）。1802年研制出了第一輛鐵路機車，剛點火就壞了。1804年又制造了一臺“新城堡號”用的是單汽缸、大飛輪，可拉10噸貨物，時速8公里，沒有駕駛室，人要跟著火車跑。后來又設(shè)計制造了一臺載人駕駛機車，后因機車出軌而停止。當(dāng)時的問題主要出在鑄鐵軌太脆，容易斷裂，設(shè)計輕型機車又失去了效率，喪失了使用價值。幾經(jīng)失敗之后，特里維西克就轉(zhuǎn)搞別的去了。特里維西克研制的樣機保存在倫敦的科學(xué)博物館。1812年，特里維西克的蒸汽機車在倫敦的工業(yè)博覽會上展出后，吸引了另一位后繼者——英國的斯蒂芬森（G.Stephenson，1781～1848年斯蒂芬森從小在煤礦與蒸汽機打交道，熟悉這種動力機械。見到特里維西克的蒸汽機車后，便進行了認真分析研究，首次運用凸輪作火車的車輪。1814年，他制造了第一臺實用蒸汽機車，牽引30噸貨物，在達林頓礦區(qū)鐵路上行駛。但是速度比馬還慢，震動太大，煙囪冒火，把路旁的樹木都燒焦了。斯蒂芬森并沒有氣餒，繼續(xù)改進自己的設(shè)計，他采取了在車廂下面加裝減震彈簧，在枕木下加鋪小石塊，增加車輪以分散機車的重量等措施，使設(shè)計更趨完善。1823年，斯蒂芬森主持修建了斯多克頓——達林頓鐵路，將火車推向?qū)嵱谩?825年9月，斯蒂芬森駕駛自己制造的蒸汽機車（兩汽缸，8馬力載重90噸，以時速達20公里的速度安全行駛。這臺機車現(xiàn)在陳列在達林頓。1830年另一條鐵路（利物浦——曼徹斯特的鐵路）建成。此后，蒸汽機被迅速應(yīng)用于鐵路運輸，從此陸路交通正式進入“鐵路時代”。恩格斯說：“蒸汽和新的工具機把工場手工業(yè)變成了現(xiàn)代的大工業(yè)，從而把資產(chǎn)階級社會整個基礎(chǔ)革命化了。工場手工業(yè)時代的遲緩的發(fā)展進程變成了生臺，到1825年又發(fā)展到15000臺。1820年，英國采煤量占全世界的75%，生鐵產(chǎn)量占40%，機器制造業(yè)壓倒世界各國，使英國變成了“世界工廠”和“海上霸王”。從1770年到1840年產(chǎn)業(yè)革命期間，英國一個社會工作日的勞動生產(chǎn)率增加了27倍。這種狂飆式的生產(chǎn)發(fā)展，推動了自然科學(xué)的大發(fā)展。在為了提高熱機效率而進行研究的基礎(chǔ)上，熱力學(xué)發(fā)展起來了；采礦、冶金和化工的發(fā)展，促進了地質(zhì)學(xué)，古生物學(xué)和化學(xué)的發(fā)展；紡織業(yè)生產(chǎn)的急劇增長，大幅度提高了對棉花和羊毛的需要量，促進了植物栽培、動物飼養(yǎng)和選種育種技術(shù)進步，從而為研究物種進化準(zhǔn)備了條件。正是在這樣的社會歷史條件下，自然科學(xué)有了一系列重大新發(fā)現(xiàn)，一個接一個地打開了形而上學(xué)自然觀的缺口，為辯證唯物主義自然觀的創(chuàng)立奠定了自然科學(xué)基礎(chǔ)。7.1.3美國、法國、德國產(chǎn)業(yè)革命的興起與發(fā)展（一）美國產(chǎn)業(yè)革命的興起與發(fā)展1783年，美國獨立后便開始發(fā)生和進行了產(chǎn)業(yè)革命，同時致力于科學(xué)技術(shù)和教育的發(fā)展。1787年，美國通過的憲法明確規(guī)定國會和政府要支持科學(xué)研究，促進科學(xué)進步，獎勵科學(xué)技術(shù)發(fā)明。美國的產(chǎn)業(yè)革命也是從紡織業(yè)開始。1790年英國人在美國建造了第一座紡紗廠，引進動力紡織機械。到1820年，美國已經(jīng)普遍采用動力織布機和多軸紡紗機，紡織業(yè)得到迅速發(fā)展。到1840年，美國共有1200家棉紡廠。產(chǎn)業(yè)革命初期，美國在注重引進國外先進技術(shù)的同時，還十分注意對引進技術(shù)消化吸收基礎(chǔ)上的技術(shù)創(chuàng)新和發(fā)明。1790年，美國政府成立了專利局，鼓勵技術(shù)引進與技術(shù)發(fā)明。有力促進了產(chǎn)業(yè)革命的發(fā)展。隨后，美國的制造業(yè)、橡膠業(yè)、交通運輸相繼發(fā)展起來。在美國產(chǎn)業(yè)革命進程中，美國政府十分重視教育事業(yè)的發(fā)展，制定了相應(yīng)法規(guī)和采取了多種措施鼓勵、支持地方政府和私人辦學(xué)。1825年，美國政府頒布了第一部普通義務(wù)教育法，在全國實行初等強迫義務(wù)教育。此后，美國的初等教育得到迅速發(fā)展。美國政府也非常重視和發(fā)展高等教育，形成了興辦現(xiàn)代化大學(xué)的運動。將過去的一些學(xué)院經(jīng)過擴充或調(diào)整為新的大學(xué)。從1780年到18世紀(jì)末，美國新建立了18所大學(xué)，在1801年至1825年間，又新建立了50所大學(xué)。美國各州還興辦了大量的工業(yè)學(xué)院和農(nóng)業(yè)學(xué)院。大學(xué)和學(xué)院的興辦，培養(yǎng)了大批人才，為產(chǎn)業(yè)革命提供了人才和技術(shù)支持。到1860年，美國北方基本完成了產(chǎn)業(yè)革命。機器制造業(yè)、冶金工業(yè)、交通運輸業(yè)蓬勃發(fā)展；農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實現(xiàn)了專業(yè)化和機械化，一些新的行業(yè)，如與石油、橡膠業(yè)聯(lián)系密切的化學(xué)工業(yè)以及電力電器行業(yè)也開始出現(xiàn)。（二）法國產(chǎn)業(yè)革命的興起與發(fā)展18世紀(jì)初，在法國以伏爾泰、狄德羅、孔狄亞克、盧梭等為主要代表人物的思想家，掀起了一場規(guī)模宏大的啟蒙運動，這是繼文藝復(fù)興運動之后在歐洲歷史上出現(xiàn)的第二次想解放運動。它引發(fā)了法國的社會革命，推動了法國教育領(lǐng)域的改革、科技的發(fā)展，為產(chǎn)業(yè)革命的產(chǎn)生準(zhǔn)備了思想條件和技術(shù)基礎(chǔ)。1666年，法國成立了皇家科學(xué)院，后來成為世界科學(xué)中心。在數(shù)學(xué)領(lǐng)域，涌現(xiàn)出象費爾馬、達朗貝爾、拉格朗日、柯西、蒙日等一批數(shù)學(xué)大家；在物理學(xué)和化學(xué)領(lǐng)域，出現(xiàn)了庫侖、菲涅耳、卡諾、拉瓦錫等一批物理學(xué)家，并取得了一大批科學(xué)發(fā)現(xiàn)和技術(shù)發(fā)明成果。這一切都極大促進了法國產(chǎn)業(yè)革命的發(fā)展。法國產(chǎn)業(yè)革命大體上經(jīng)歷了三個階段。1795年—1815年，是法國近代工業(yè)初步奠定基礎(chǔ)的階段。法國政府制訂和采取了一系列有利于工商業(yè)發(fā)展的政策。1815年—1848年，是法國產(chǎn)業(yè)革命深入發(fā)展階段。法國從英國引進技術(shù)和大批機器，以加速工業(yè)發(fā)展。到1848年，法國的棉、毛、絲紡織業(yè)已經(jīng)大部分實現(xiàn)機械化。生鐵、煤炭產(chǎn)量大幅度提高，機器制造業(yè)和鐵路也形成規(guī)模。1848年—1870年，是法國產(chǎn)業(yè)革命最后完成階段。期間，紡織業(yè)等輕工業(yè)部門已廣泛使用蒸汽動力，普遍地實現(xiàn)了機械化。鐵路已貫通全國。至此，法國產(chǎn)業(yè)革命基本完成。（三）德國產(chǎn)業(yè)革命的興起與發(fā)展18世紀(jì)下半葉，在德國以萊辛、席勒、歌德、赫爾德等為主要代表人物的一批進步思想家，發(fā)動和進行了以批判封建專制主義和宗教蒙昧主義為目的的思想解放運動。這次思想解放運動象意大利和法國的思想解放運動一樣，促進了德國在教育、科技、經(jīng)濟和政治領(lǐng)域的觀念變革，為德國產(chǎn)業(yè)革命的發(fā)生提供了思想基礎(chǔ)。18世紀(jì)初，受法國啟蒙運動的影響，德國也開始致力于教育的改革與發(fā)展。當(dāng)時的國王腓特烈大帝就非常重視和發(fā)展教育，認為教育是發(fā)展經(jīng)濟和增強國力的基礎(chǔ)，并頒布實施了一系列旨在促進教育發(fā)展的法律。1787年，德國設(shè)立國家最高學(xué)務(wù)委員會，管理全國的教育。此外，德國還對大學(xué)進行了改革，聘請了全歐洲一些思想進步、富有遠見、學(xué)士淵博的人士到大學(xué)充當(dāng)教授；改革大學(xué)封閉的、脫離實際的教育模式，增設(shè)了自然科學(xué)課程，成立實驗室和研究中心；打破大學(xué)里沉悶和僵化的學(xué)術(shù)氛圍，提倡學(xué)術(shù)自由和學(xué)術(shù)爭鳴。開創(chuàng)了德國大學(xué)教育改革的新局面。19世紀(jì)初期，德國陸續(xù)建立了采礦、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、軍事等新型的高等院校，培養(yǎng)和造就了一大批著名科學(xué)家和發(fā)明家，如高斯、雅可比、狄利克雷、黎曼、康托爾、歐姆、楞次、邁爾、亥姆霍茨、克勞修斯、西門子、李比希、維勒、本生、施旺、施萊登等。這些科學(xué)家及他們的科學(xué)發(fā)明為德國工業(yè)發(fā)展作出了巨大貢獻。德國產(chǎn)業(yè)革命的一個主要特點就是，科技與工業(yè)緊密結(jié)合，或由科學(xué)理論到技術(shù)發(fā)明到工業(yè)化生產(chǎn)再到推廣和應(yīng)用的迅速轉(zhuǎn)化。如物理學(xué)理論的發(fā)展和綜合運用，發(fā)明了內(nèi)燃機，不久便形成內(nèi)燃機工業(yè)化生產(chǎn)，它的應(yīng)用又帶動了汽車制造工業(yè)的發(fā)展。此外，從化學(xué)理論到化工技術(shù)再到化學(xué)工業(yè)的發(fā)展也是到19世紀(jì)30—50年代，德國的紡織業(yè)已經(jīng)實現(xiàn)了機械化；煤炭、冶金、化學(xué)工業(yè)初具規(guī)模。到19世紀(jì)80年代，奧托內(nèi)燃機的發(fā)明，極大促進了德國機器制造業(yè)、汽車工業(yè)的發(fā)展。大機器生產(chǎn)和新興的工廠制度在德國各個工業(yè)部門都占據(jù)了統(tǒng)治地位，建立起了近代大工業(yè)體系，標(biāo)志著德國產(chǎn)業(yè)革命的基本完成。7.1.4蒸汽技術(shù)革命的特點和影響發(fā)生在18世紀(jì)的以紡織機械的改革和蒸汽機的應(yīng)用為標(biāo)志的蒸汽技術(shù)革命，具有劃時代的意義。蒸汽技術(shù)革命的直接后果是導(dǎo)致了產(chǎn)業(yè)革命（又稱工業(yè)革命）的勝利完成。而它更為深遠的意義是促進了社會物質(zhì)文明與精神文明的發(fā)展。(一)蒸汽技術(shù)革命的特點1.蒸汽技術(shù)是科學(xué)與技術(shù)相互作用的結(jié)果蒸汽技術(shù)革命的發(fā)生不是偶然的，而是有它的歷史必然和思想方法上的醞釀過程。蒸汽技術(shù)的誕生和發(fā)展深刻體現(xiàn)了科學(xué)與技術(shù)緊密結(jié)合。17世紀(jì)中葉，一方面，真空和大氣壓力的實驗證明為技術(shù)的誕生和發(fā)展提供了科學(xué)認識的基礎(chǔ)，如何獲得真空，利用大氣壓力獲得機械動力是急需要解決的一個技術(shù)難題，而蒸汽冷凝能制造真空，是技術(shù)發(fā)展的科學(xué)基礎(chǔ)。我們在前面說到，紐可門和瓦特都能運用科學(xué)研究的成果，發(fā)現(xiàn)和解決實際中的技術(shù)難題。另一方面，技術(shù)的發(fā)展反過來又促進科學(xué)的發(fā)展。蒸汽機的發(fā)展和應(yīng)用，實現(xiàn)了從熱能到機械能的轉(zhuǎn)變。卡諾通過研究探索如何提高蒸汽機效率，而促使一門新學(xué)科——熱力學(xué)的誕生。不僅如此，蒸汽技術(shù)還促進了氣體力學(xué)的發(fā)展。2.蒸汽技術(shù)是理論與生產(chǎn)實踐結(jié)合的產(chǎn)物一項技術(shù)發(fā)明只有被應(yīng)用于生產(chǎn)實際，提高現(xiàn)實生產(chǎn)力，它才具有價值。動力機械的革命，使蒸汽技術(shù)廣泛應(yīng)用于社會生產(chǎn)的各個領(lǐng)域，掀起了全世界范圍的技術(shù)革命。在這一過程中，蒸汽技術(shù)始終與工業(yè)、企業(yè)緊密結(jié)合。我們知道，蒸汽機的研制，需要大量資金支持，就必須和擁有資本的企業(yè)家合作；要想使蒸汽機在工業(yè)企業(yè)得到順利推廣和普遍使用，也必須取得工業(yè)部門的支持。這兩點在蒸汽機研制過程中體現(xiàn)得尤為充分。當(dāng)時，瓦特因研制蒸汽機經(jīng)濟上已是非常困難，無資金購置材料、工具和雇傭勞動力，幾乎就要放棄蒸汽機的實驗。后來經(jīng)人介紹認識了卡倫鐵廠生產(chǎn)商羅巴克及博明翰制造商博爾頓，是羅巴克和博爾頓倆人給瓦特提供了資金上的支持，使瓦特的實驗得以完成，正是從這一時候，蒸汽機走出實驗室，進入實際應(yīng)用領(lǐng)域。瓦特與羅巴克、博爾頓的合作堪稱技術(shù)與企業(yè)結(jié)合的典范。蒸汽技術(shù)的商業(yè)化過程充分體現(xiàn)了技術(shù)發(fā)明和技術(shù)創(chuàng)新的經(jīng)濟、社會價值，提供了技術(shù)與社會生產(chǎn)結(jié)合的基本途徑和方式。對后來的電力技術(shù)革命產(chǎn)生重要影響。（二）蒸汽技術(shù)革命的影響1.蒸汽技術(shù)革命引起社會的全面變革蒸汽技術(shù)革命作用于社會生產(chǎn)，影響到社會的各個方面。蒸汽機的應(yīng)用，機床的發(fā)明，煤炭、冶金技術(shù)的革新，使社會生產(chǎn)力發(fā)生巨大飛躍，隨之帶來了社會產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的重大變革，機械制造業(yè)和加工業(yè)取代了農(nóng)牧業(yè)而成為產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)中的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)，冶金和煤炭工業(yè)也一躍成為國民經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)。交通運輸業(yè)也蓬勃地發(fā)展起來。交通運輸業(yè)的技術(shù)革命又促進了造船業(yè)、航運業(yè)、機床制造業(yè)等新興產(chǎn)業(yè)的興起和機械制造業(yè)、冶金業(yè)、煤炭工業(yè)的進一步繁榮。技術(shù)革命的發(fā)展，使英國的工業(yè)得到了迅速發(fā)展，一躍成為當(dāng)時世界上最先進的資本主義工業(yè)大國。在英國產(chǎn)業(yè)革命的影響下，法國、美國、德國、俄國和日本等國在19世紀(jì)也發(fā)生了產(chǎn)業(yè)革命，在很短時間里創(chuàng)造了比過去一切時代所創(chuàng)造的還要多、還要大的生產(chǎn)力，大大改變了資本主義國民經(jīng)濟的整個面2.蒸汽技術(shù)革命極大推動著自然科學(xué)和教育的發(fā)展蒸汽技術(shù)革命之后，近代自然科學(xué)的發(fā)展出現(xiàn)了第二次巨大飛躍?；瘜W(xué)、生物學(xué)、地質(zhì)學(xué)、熱力學(xué)、電磁學(xué)等學(xué)科迅速發(fā)展起來。細胞學(xué)說、能量守恒與轉(zhuǎn)化定律、生物進化論揭示了物質(zhì)世界的普遍聯(lián)系和無限發(fā)展的辯證性質(zhì)，奠定了辯證唯物主義自然觀的基礎(chǔ)。電磁學(xué)理論的建立展現(xiàn)了電力技術(shù)的發(fā)展遠景，為19世紀(jì)下半葉以電力技術(shù)廣泛應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)。這一切都是與技術(shù)革命的推動分不開的。蒸汽技術(shù)革命促進了教育事業(yè)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)人才的培養(yǎng)。隨著機器化大生產(chǎn)的發(fā)展，要求工人也要具備相應(yīng)的科學(xué)知識和勞動技能，教育事業(yè)受到重視。這個時期資本主義國家，采取和執(zhí)行了許多鼓勵科學(xué)技術(shù)和教育發(fā)展的有關(guān)政策，先后通過了普及初等教育法，建立一些大學(xué)和技工學(xué)校，為工業(yè)革命培養(yǎng)了一大批科學(xué)技術(shù)人才，也為整個十九世紀(jì)自然科學(xué)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。3.蒸汽技術(shù)革命造成近代環(huán)境污染從18世紀(jì)60年代開始，英國的紡織行業(yè)最早實現(xiàn)了機械化，由此帶動了蒸汽機的發(fā)明和廣泛應(yīng)用，并進而出現(xiàn)了機器制造業(yè)、冶金工業(yè)、采礦業(yè)和交通運輸業(yè)。到19世紀(jì)20年代，形成了以煤炭為主要能源和以蒸汽技術(shù)為主要動力的近代“大工業(yè)體系”，英國工業(yè)革命基本完成。在英國工業(yè)革命及其技術(shù)成果的影響下，美國（北方）于1790年、法國與1795年、德國于1830年相繼發(fā)生了同樣是以紡織業(yè)的機械化為開端的產(chǎn)業(yè)革命，并逐步出現(xiàn)了機器制造、冶金、焦碳、采煤和采礦等工業(yè)部門。上述國家形成的“大工業(yè)體系”，其中特別是冶金和焦碳工業(yè)所產(chǎn)生的廢氣、廢渣、廢液不經(jīng)處理就直接排放到環(huán)境中；蒸汽機的應(yīng)用使煤炭的大量消耗和煤煙的大量排放；資源的過度開采打破了生態(tài)平衡，所有這一切，都給近代自然環(huán)境造成巨大污染和破壞?？梢哉f，19世紀(jì)40年代，英國是工業(yè)革命和近代大工業(yè)的典型，同時也是環(huán)境污染嚴重的典型，倫敦曾于1873年、1880年和1892年先后多次發(fā)生煤煙污染的“公害”事件，就是最有力的證明。在科學(xué)技術(shù)和全球經(jīng)濟高度發(fā)達的今天，深刻反思蒸汽技術(shù)革命和歐美國家第一次產(chǎn)業(yè)革命的歷程，處理協(xié)調(diào)好科技進步、經(jīng)濟發(fā)展與保護人類生存環(huán)境三者之間的關(guān)系，實現(xiàn)全人類的可持續(xù)發(fā)展，是世界各個國家和人民共同的7.2電力技術(shù)革命第二次技術(shù)革命（也稱電力技術(shù)革命發(fā)生在19世紀(jì)下半葉。它以電能的開發(fā)和應(yīng)用為標(biāo)志。第二次技術(shù)革命極大促進了社會生產(chǎn)的發(fā)展和改變了人們生活質(zhì)量，也引起了社會經(jīng)濟結(jié)構(gòu)和組織結(jié)構(gòu)的巨大變革，使人類社會步入“電氣7.2.1電力技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用(一)電機的發(fā)明和改進盡管以法拉第為代表的科學(xué)家從理論和實驗上提供了發(fā)電機、電動機、變壓器等電器的基本原理和原始模型，但到實際應(yīng)用卻經(jīng)歷了一個較長的過程。1819年，奧斯特關(guān)于電流使磁針發(fā)生偏轉(zhuǎn)的實驗，揭示了電動機的基本原理。1821年，法拉第對奧斯特的實驗裝置進行了改進，制成了一臺用化學(xué)電源驅(qū)動的電動機的雛形。法拉第首先做了電磁旋轉(zhuǎn)的實驗：在充滿水銀的容器中間固定一根直立的磁鐵棒，將一根導(dǎo)線的一端插入水銀，另一端與電池一極相連。這時，如果將與電流另一極相連的導(dǎo)線也插入水銀，電路一經(jīng)導(dǎo)通之后，就可以觀察到載流導(dǎo)線的旋轉(zhuǎn)運動。這是人類第一臺電能轉(zhuǎn)化為機械能的電動機原型。1831年，法拉第在發(fā)現(xiàn)感生電流的實驗裝置的基礎(chǔ)上，試制出一種最初的永磁鐵發(fā)電機的實驗?zāi)Ｐ汀?822年，法國物理學(xué)家阿拉哥發(fā)現(xiàn)，將導(dǎo)線繞在鐵棒塊上，當(dāng)導(dǎo)線通電時，鐵塊能被磁化，而且使該匝線圈的磁場強度發(fā)生變化。1823年，英國科學(xué)家斯特金發(fā)現(xiàn)在U型鐵棒上繞了銅線之后，當(dāng)銅線通電時，U型鐵棒就變成了一塊磁性很強的電磁鐵，能吸引比自身重20倍的鐵塊，而且一旦切斷電源后，就變成了普通的鐵棒。1829年，美國物理學(xué)家亨利（J.Henry,1779～1878年）用絕緣導(dǎo)線代替裸銅線，這樣可以緊密地纏繞導(dǎo)線不會短路，提高了電能轉(zhuǎn)化為磁能的能力。1931年，亨利試制出了一臺電動機的實驗?zāi)Ｐ?，由于使用了電磁鐵，亨利的電動機模型比法拉第的實驗裝置產(chǎn)生的動能要大得多，是電動機發(fā)展史上的一大進步。1834年，德國電學(xué)家雅可比（K.Jacobi）將亨利的電動機模型中的水平電磁鐵改為轉(zhuǎn)動的電樞，加裝了脈動轉(zhuǎn)矩和換向器，試制出了第一臺實用的電動機。在人們研制電動機的同時，發(fā)電機也處在研制階段。早期的發(fā)電機都是直流的，由伏打電池供電，但伏打電池價格昂貴。電磁理論的建立，人們知道了動磁可以產(chǎn)生電。1832年，法國工程師皮希克（H.Pixii,1808～1835年）試制成功一臺手搖永久磁鐵旋轉(zhuǎn)式脈流發(fā)電機。這臺發(fā)電機上安裝了一種原始的換向器，使得發(fā)電機所產(chǎn)生的交流電可以轉(zhuǎn)變?yōu)楫?dāng)時工業(yè)生產(chǎn)所需要的直流電。1857年，英國電學(xué)家惠斯通（C.Wheatstone,1802～1875年）制成了用電磁鐵的發(fā)電機，供應(yīng)電磁鐵的電流是靠電池提供的。這種靠外加電源來勵磁的它激式發(fā)電機，仍有局限性。真正的自激式發(fā)電機是將發(fā)電機本身所產(chǎn)生的電流用來為自身的電磁鐵勵磁。1864年，英國技師威爾德提出用旋轉(zhuǎn)電樞產(chǎn)生的電流為磁鐵勵磁的設(shè)想。1866年，德國著名電氣工程師西門子（W.Siemens,1816～1892年）發(fā)明了自激式直流發(fā)電機，靠發(fā)電機自身發(fā)出的電流為自己的磁鐵勵磁，并于1867年向柏林科學(xué)院提交了一篇論文——《關(guān)于不用永久磁鐵而把機械能轉(zhuǎn)換為電能的方法》。這就為建造大容量電機，獲得強大電力，提供了技術(shù)上的現(xiàn)實可能性，意味著電氣技術(shù)最重要的階段的開始。往后的發(fā)電機，幾乎都是在西門子電機的原型基礎(chǔ)上改進的。所以，西門子的發(fā)明在技術(shù)上相當(dāng)于瓦特發(fā)明蒸汽機，有著劃時代的重大意義，而西門子被稱為近代德國科學(xué)技術(shù)之父。此后，直流發(fā)電機被不斷改進。主要是在西門子電機的原型基礎(chǔ)上，從結(jié)構(gòu)方面加以改進，其代表是：1870年，比利時人格拉姆(Z.T.Gramme，1826～1901年)發(fā)明了環(huán)狀電樞，并把這種電樞自激電流投入了商業(yè)生產(chǎn)。1873年，德國電器工程師阿爾特涅克發(fā)明了鼓狀電樞，使發(fā)電機達到了更高的效率。由于直流發(fā)電機存在著換向器和電刷制造困難，質(zhì)量不可靠且經(jīng)常發(fā)生事故等問題，隨著用電量的增加和用電區(qū)域的擴大，為了減少在傳輸過程中的電能損耗，必須通過高壓輸電，而當(dāng)時技術(shù)條件下，無法對直流電升壓。因此交流發(fā)電的優(yōu)越性就顯示出來。19世紀(jì)80年代，英、德、俄、意和南斯拉夫等國的物理學(xué)家相繼發(fā)明了交流發(fā)電機、交流電動機、變壓器以及交流供電系統(tǒng)。(二)電能的廣泛應(yīng)用由于變壓器的出現(xiàn)，從19世紀(jì)80年代起，交流電的發(fā)展和應(yīng)用迅速擴大。1878年俄國科學(xué)家亞布洛契可夫制成一部多相交流發(fā)電機。1881年，南斯拉夫科學(xué)家特斯拉（N.Tesla，1856～1943年）發(fā)現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)磁場原理；1885年意大利物理學(xué)家法拉里（G.Ferraris,1847～1897年）提出旋轉(zhuǎn)磁場原理，并研制出二相異步電動機模型，作出了交流發(fā)電機發(fā)展史上具有決定性的理論貢獻。1888年，特斯拉發(fā)明了交流感應(yīng)電動機和交流輸電系統(tǒng)。1891年，他發(fā)明了特斯拉線圈，解決了電力傳輸與配置的關(guān)鍵問題，大大提高了人類使用電力的能力。1889年，俄國科學(xué)家多里沃—多布洛夫斯基研制成的第一臺實用的三相交流鼠籠異步發(fā)電機，并取得專利。1890年，他發(fā)明了三相變壓器，1891年，完成了世界上第一條長達170km，電壓為1500伏的三相交流輸電線。三相交流電的發(fā)明標(biāo)志著電工技術(shù)發(fā)展到一個新階段。交流電具有安全、成本低、功耗小、便于遠距離輸送等優(yōu)點，克服了直流發(fā)電和供電系統(tǒng)的種種弊端，適應(yīng)了社會的需要。但一直倡導(dǎo)使用直流電的愛迪生，為了自己直流電的生意，卻極力反對使用交流電，甚至不惜采用卑劣手段，來誹謗、中傷特斯拉的發(fā)明，百般阻撓交流電的推廣應(yīng)用，完全喪失了一位科學(xué)家應(yīng)該具有的品格和氣質(zhì)。隨著電能應(yīng)用的迅速擴大，發(fā)電廠相應(yīng)地發(fā)展起來，由功率小的“住戶式”電站，進而發(fā)展為大功率的中心發(fā)電廠。1889年，英國建成了一座電站，是現(xiàn)代大型中心發(fā)電站的先驅(qū)。1882年，法國物理學(xué)家和電氣技師德普勒成功地進行了遠距離高壓直流輸電試驗。1901年美國在密西西比河流域建成了50千伏的高壓輸電線。遠距離輸電技術(shù)的發(fā)展，使電力成為比蒸汽動力更強大更方便的動力，它的廣泛應(yīng)用對工業(yè)的發(fā)展具有決定性的作用。(三)電燈的發(fā)明電磁式發(fā)電機發(fā)出的電力，開始時并沒有立即用作工業(yè)動力，而是主要用于電氣照明。電燈的發(fā)明，首推美國發(fā)明家愛迪生（T.A.Edison，1847～1931年）。愛迪生少年時代就喜歡冥思苦想，愛提古怪的問題。上小學(xué)時，老師常被他古怪的問題問得張口結(jié)舌，并當(dāng)著他母親的面說他是一個傻瓜，將來不會有什么出息。母親一氣之下讓愛迪生退了學(xué)，由她指導(dǎo)愛迪生的教育。在母親的指導(dǎo)下，愛迪生閱讀了大量的書籍，并在家中自己建立了一個小實驗室。后來，愛迪生得到和閱讀了法拉第的電學(xué)著作，很快投入了研究開發(fā)之中。1876年，愛迪生發(fā)明了“會說話的機器”——留聲機，在社會引起轟動，人們驚嘆不已，當(dāng)時愛迪生才29歲。1878年，愛迪生將興趣轉(zhuǎn)到電燈的研制上來。在他之前已有人在進行白熾燈的研究。1860年，英國化學(xué)家斯萬（Swan,1824～1914年）開始進行白熾燈的研制，并于1878年用鐵絲制成了一種可以實際使用的真空白熾燈，還當(dāng)眾作過表演。1875年，英國的克魯克斯（W.Crookes，1832～1919年）也制成了一種真空燈泡。而愛迪生于1879年10月才發(fā)明了用炭化棉線作燈絲的燈泡，連續(xù)點了40小時，這在當(dāng)時來說已是壽命最長的了。愛迪生并未滿足，經(jīng)過一次又一次的實驗，終于發(fā)現(xiàn)竹子纖維在炭化后可以做燈絲，其壽命可達1200小時。愛迪生馬上大批量生產(chǎn)這種燈泡，并且為此專門開直流電站、架設(shè)電網(wǎng)。到1882年，愛迪生已經(jīng)在紐約建成了一個當(dāng)時世界上規(guī)模最大的電力系統(tǒng)。后來，人們之所以把電燈的發(fā)明歸功于愛迪生，是因為他使電燈實用化、商業(yè)化獲得了成功。愛迪生在1878年就設(shè)立了“愛迪生電氣照明公司”，他所生產(chǎn)的碳化竹絲燈泡在19世紀(jì)80年代就被廣泛采用了。而斯萬的研究工作卻由于受到英國玻璃燈公司的猛烈反對，條件困難，進展遲緩。對社會的巨大貢獻使愛迪生獲得了發(fā)明世界之光的榮譽。(四)電報的發(fā)明最早將電作為一種信息傳媒利用的是電報。早在奧斯特發(fā)現(xiàn)電流的磁效應(yīng)之時，安培就試制過一種電報。他用26根導(dǎo)線連接兩處26個相對應(yīng)的字母，發(fā)報端控制電流的開關(guān)，收報端的每個字母旁各有一個小磁針，可以感應(yīng)出連接該字母的導(dǎo)線是否通電。針對電流弱小的問題，美國物理學(xué)家亨利提出在線路的中間加裝電源，采用接力的方式傳送信息。后來，美國工程師莫爾斯（S.F.B.Morse，1791～1872年）改進了字母發(fā)報方式，發(fā)明了一套新的莫爾斯電碼。新電碼廢除了26個字母符號，只有點和橫兩種符號組成，大大簡化了電報系統(tǒng)。1844年，在莫爾斯的努力下，美國架設(shè)了一條由華盛頓到巴爾的摩的電報線路。從此，電報由實驗階段進入實用階段。歐洲國家的許多城市開辦了電報公司。1847年，英國和法國在英吉利海峽鋪設(shè)了第一條海底電纜，溝通了兩國的電報通訊。1856年，更長的海底電纜在大西洋底鋪就，英美兩國之間也建立了電報通訊網(wǎng)。(五)電話的發(fā)明電報傳遞信息的成功激發(fā)人們?nèi)ニ伎?，電是否也可以直接傳送聲音。這一設(shè)想被美國人貝爾(A.G.Bell，1847～1922年)實現(xiàn)，貝爾于1876年發(fā)明了電話。和他同一天（1876年2月14日）向美國專利局申請發(fā)明電話專利的，還有一位發(fā)明家美國人格雷(E.Gray，1835～1901年)，而且他們提出的電話器械及其原理有許多相同之處。不過格雷當(dāng)時認為電話不值得重視，而貝爾卻認為電話是最重要的發(fā)明，他又看出了這一發(fā)明的社會需要和發(fā)展前景，加快了研制步伐。1876年在紀(jì)念美國獨立100周年的費城博覽會上，貝爾展出了自己研制的電話，并且進行了相距150公尺的通話表演，引起了參觀者的轟動。可是格雷看了表演以后說：“至于貝爾的通話電報，它僅能引起科學(xué)界的興趣，其商業(yè)價值將是有限的”。后來格雷便致力于研究電報技術(shù)去了，而貝爾滿懷信心地寫信給他父親說：“一切都是我的，我肯定會獲得榮譽、財富和成功。”1877年貝爾建立了貝爾電話公司，開始電話機的商業(yè)性生產(chǎn)，當(dāng)年9月已有1300臺投入使用；1880年增加到4.8萬臺；1910年達700萬臺；到1922年，又比1910年增加了三倍。事業(yè)上的成功使貝爾爭得了優(yōu)先權(quán)。(六)無線電通訊的發(fā)明1895年5月7日，俄國物理學(xué)家波波夫（A.C.ПoпOB,1859～1906年）成功地當(dāng)眾表演了他發(fā)明的無線電接收機，所以后來原蘇聯(lián)政府命名5月7日是“無線電發(fā)明日”。與此同時，意大利工程師馬可尼(G.Marconi，1874～1937年)也參與到無線電通訊的研究中。1894年，他制成了金屬粉屑檢波器，又在發(fā)射機和接收機上安裝了天線和地線，在當(dāng)時能實現(xiàn)1英里的無線通訊。他把自己的發(fā)明帶到了英國，并于1896年6月2日獲得專利。1909年，馬可尼獲得諾貝爾物理學(xué)獎。雖然波波夫的發(fā)明在時間上比馬可尼早，可是由于沙皇政府的腐敗，波波夫的研究成果沒有廣泛使用，而馬可尼卻得到了英國郵政部門的熱心支持，該部總工程師普利斯甚至將自己的實驗室供給馬可尼做實驗，因而馬可尼研究成就很快就超過了波波夫。后來，俄國政府出來爭奪無線電發(fā)明優(yōu)先權(quán)，而引起了一場國際爭端。1905年5月4日，在美國關(guān)于無線電發(fā)明權(quán)的一場訴訟中，北美巡回法庭判定馬可尼為無線電發(fā)明者，因為他是第一個使無線電走出實驗室，第一個讓無線電越過海峽，飛過大西洋，變成真正實用的通訊工具。總之，電的產(chǎn)生和廣泛應(yīng)用，促使電報、電話、無線電等電信技術(shù)的迅速興起，對19世紀(jì)的社會生產(chǎn)和人們的生活產(chǎn)生巨大影響和變革，極大推動了人類社會的進步，使人類步入“電氣化時代”。7.2.2電力技術(shù)革命特點和影響(一)電力技術(shù)革命的特點電力技術(shù)革命同蒸汽技術(shù)革命相比較，最大的不同是科學(xué)理論的作用。也就是說科學(xué)武裝了技術(shù)，科學(xué)的發(fā)展大大提高了技術(shù)水平，并為技術(shù)創(chuàng)造提供理論依據(jù)，技術(shù)發(fā)明越來越成為科學(xué)成果的最終運用，它不再是科學(xué)產(chǎn)生于技術(shù)經(jīng)驗時代了。蒸汽技術(shù)革命在許多方面是“行動在先”，工作機和蒸汽機的發(fā)明主要是靠工匠的技藝和經(jīng)驗的積累，自然科學(xué)理論的指導(dǎo)還比較零散和間接，后來在研究提高熱機效率的基礎(chǔ)上，才創(chuàng)立了系統(tǒng)方法的熱力學(xué)理論；而電力技術(shù)革命則是以科學(xué)理論的突破為前導(dǎo)，電磁理論的建立為電力技術(shù)革命提供了重要的理論準(zhǔn)備。奧斯特關(guān)于電磁效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)和法拉第電磁感應(yīng)定律為制造電動機和發(fā)電機提供了基本原理；安培定律為電能轉(zhuǎn)化為機械能提供了定量公式；麥克斯韋完整的電磁學(xué)理論則為電能與機械能、光能、聲能的互相轉(zhuǎn)換提供了理論依據(jù)。在電力革命過程中，電磁理論規(guī)定了革命的方向，指導(dǎo)著電力系統(tǒng)技術(shù)體系的建立。事實再一次雄辯說明科學(xué)對生產(chǎn)的先導(dǎo)作用，說明科學(xué)能變成直接的生產(chǎn)力。蒸汽時代技術(shù)只是發(fā)揮傳統(tǒng)技藝的作用，與生產(chǎn)融為一體；而到電力時代，技術(shù)發(fā)展為技術(shù)科學(xué)，作為科學(xué)化理論體系指導(dǎo)生產(chǎn)，成為連結(jié)科學(xué)與生產(chǎn)的紐值得指出的是在電力技術(shù)革命中，隨著生產(chǎn)和技術(shù)的革命性變革，技術(shù)逐漸擺脫其經(jīng)驗形態(tài)，開始建立起自己的理論體系，也有力地推動著科學(xué)的發(fā)展。如在1840年英國的格拉斯哥大學(xué)正式開設(shè)了工程學(xué)講座，并編寫了《應(yīng)用力學(xué)》《動力工程學(xué)》《土木工程學(xué)》等講義。1861年，英國又創(chuàng)辦了《電氣工程師》雜志等。這些學(xué)術(shù)刊物的創(chuàng)辦，都對技術(shù)科學(xué)的研究和形成起到了促進作用。電力技術(shù)革命同蒸汽技術(shù)革命相比還有一個明顯的特點，就是電力技術(shù)革命以來的技術(shù)發(fā)展，越來越明顯地表現(xiàn)出近代技術(shù)直接為社會生產(chǎn)服務(wù)并依賴于社會經(jīng)濟的發(fā)展。19世紀(jì)70年代，電力技術(shù)革命使科學(xué)和技術(shù)成為生產(chǎn)過程中必不可缺少的因素?！爸挥匈Y本主義生產(chǎn)方式使自然科學(xué)為直接的生產(chǎn)過程服務(wù)，同時，生產(chǎn)的發(fā)展反過來又為從理論上征服自然提供了手段”。“隨著資本主義的擴展，科學(xué)因素第一次被有意識地和廣泛地加以發(fā)展、應(yīng)用，并體現(xiàn)在生活中，其規(guī)模是以往試點根本想象不到的”。（馬克思《機器·自然力和科學(xué)的應(yīng)用》，人民出版社，1978年，第206頁～208頁）如19世紀(jì)冶金技術(shù)、化工技術(shù)、電力和通訊技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，都說明了這一點。(二)電力技術(shù)革命的影響電氣時代所創(chuàng)造的社會生產(chǎn)力，是蒸汽時代望塵莫及的。英國的產(chǎn)業(yè)革命，主要標(biāo)志是蒸汽機的發(fā)明，而美國的產(chǎn)業(yè)革命，則是電力的應(yīng)用。經(jīng)過幾十年的努力，美國在經(jīng)濟上就后來居上，壓倒了歐洲大陸。1860年，美國工業(yè)生產(chǎn)居世界第四位，產(chǎn)值只占資本主義世界的10%，到1890年，美國產(chǎn)值就猛增了9倍，超過了大英帝國，躍居世界第一位，成為經(jīng)濟最發(fā)達的國家。直到現(xiàn)在，一個國家的電氣工業(yè)發(fā)展?fàn)顩r和電力應(yīng)用程度，依然是判定這個國家經(jīng)濟是否發(fā)達的一個重要標(biāo)志。電力技術(shù)革命不僅為人類創(chuàng)造了巨大的物質(zhì)財富，改變著人們的生產(chǎn)、生活方式，而且還進一步促進了科學(xué)、技術(shù)的發(fā)展，改變著人們的自然觀念。它比蒸汽技術(shù)革命的意義更為深遠。首先，在經(jīng)濟上電力技術(shù)革命同蒸汽技術(shù)革命一樣，促進了社會生產(chǎn)力的發(fā)展，并促成產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的變化。電能的使用使大工業(yè)的發(fā)展擺脫了地區(qū)條件的限制，從而使人類對自然力的支配達到新的高度，極大解放了社會生產(chǎn)力。其次，進一步推動了科學(xué)、技術(shù)以及研究機構(gòu)的發(fā)展壯大。作為電力技術(shù)革命先導(dǎo)的電磁理論的建立，將科學(xué)研究領(lǐng)域由宏觀擴展到微觀和宇觀，引起了一批新興學(xué)科的誕生，而電力技術(shù)為科學(xué)提供的新研究手段和途徑又加速了這些學(xué)科的研究進展，從而促進了20世紀(jì)科學(xué)的發(fā)展。同時，在技術(shù)密集型工業(yè)體系中，使“工匠”傳統(tǒng)和學(xué)術(shù)傳統(tǒng)達到統(tǒng)一，實現(xiàn)了科學(xué)與技術(shù)的結(jié)合。也使科學(xué)研究出現(xiàn)了社會化趨勢。以往個體的、自由式的科學(xué)研究方式逐漸讓位于一種新型的科研形式——集體的、合作式的研究組織。在基礎(chǔ)研究理論方面，最早出現(xiàn)的集體研究組織是1871年英國劍橋大學(xué)卡文迪許家族出資興建的卡文迪許實驗室，該實驗室在后來不僅成為英國的科技研究中心，培養(yǎng)出湯姆遜、盧瑟福等一大批優(yōu)秀科學(xué)家，而且對英國的工業(yè)發(fā)展發(fā)揮了相當(dāng)重要的作用。再次，電力技術(shù)革命改變了人們的自然觀，使人們認識自然和改造自然的能力大大提高。在電力技術(shù)革命中，科學(xué)、技術(shù)都取得了一系列重要突破。電磁學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)、地學(xué)、分子物理學(xué)都取得了較大成就，這就使得人們對自然界的認識更加深入，視野更加開闊?？傊?，電力技術(shù)革命改變了整個社會的面貌，使社會文明發(fā)展到新階段。電報、電話等早期通信技術(shù)的普及改變了人們以往生活的封閉狀態(tài)，使人與社會的聯(lián)系更廣泛、更密切；科學(xué)技術(shù)向生活各個方面滲透，使人們的消費方式、服務(wù)方式、交往方式等發(fā)生了急劇的變化；生產(chǎn)的社會化促使企業(yè)出現(xiàn)新型的科學(xué)管理體制，加快了政治民主化進程。電力技術(shù)革命使人的體力在更大范圍內(nèi)得到解放，人的聰明才智得到更大的開發(fā)和利用。7.3信息技術(shù)革命20世紀(jì)40年代后，在現(xiàn)代科學(xué)革命浪潮的推動下，一大批新興技術(shù)不斷出現(xiàn)，形成了現(xiàn)代技術(shù)革命的新高潮，這次技術(shù)革命是近代以來的第三次技術(shù)革命，由于主導(dǎo)這次技術(shù)革命進程的是信息技術(shù)，所以也稱信息技術(shù)革命。信息技術(shù)是一個龐大的高新技術(shù)集合，它主要包括微電子技術(shù)、半導(dǎo)體材料技術(shù)、計算機技術(shù)、多媒體技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和廣播電視技術(shù)等等。其中，計算機技術(shù)和通信技術(shù)是信息技術(shù)的核心內(nèi)容。本章扼要介紹計算機技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展過程，微電子技術(shù)、通信技術(shù)等將在高新技術(shù)一篇中介紹。7.3.1電子計算機的發(fā)明與發(fā)展電子計算機是20世紀(jì)最偉大的技術(shù)發(fā)明之一，是現(xiàn)代技術(shù)革命的標(biāo)志。電子計算機的發(fā)明和發(fā)展，開辟了生產(chǎn)力解放的新紀(jì)元，對人類社會和社會經(jīng)濟活動產(chǎn)生了巨大影響。(一)計算工具的早期探索和計算機的產(chǎn)生人類發(fā)明的計算工具，最早的可能要算中國古代的算籌和算盤了，羅馬人也使用一種算盤，因為沒有位制和十進制而沒能流行。中國發(fā)明的記里鼓車是一種自動機械也是一種累加計數(shù)器。到17世紀(jì)，在計算工具和鐘表等自動制造技術(shù)的基礎(chǔ)上，西方出現(xiàn)了最早機械計算機。世界上第一臺真正的機械計算機是1642年法國數(shù)學(xué)家帕斯卡（B.Pascal，1623～1662年）發(fā)明的。它長1米，寬30厘米，高25厘米，能實現(xiàn)加、減法的8位計算。德國著名數(shù)學(xué)家萊布尼茨敏銳地覺察到計算機的價值，他從1671年開始著手設(shè)計研制計算機，并于1673年，在帕斯卡計算機的基礎(chǔ)上，制成了一臺可進行四則運算的機械計算機。他的另一貢獻是提出了系統(tǒng)的二進制算術(shù)運算法則。這兩種機器發(fā)明較早，由于當(dāng)時生產(chǎn)技術(shù)水平的限制還不能提供精密的器件，使得大約經(jīng)歷了兩個世紀(jì)，直到19世紀(jì)初，才出現(xiàn)了真正有實用價值的臺式手搖計上述的計算機都沒有自動進行計算的功能。首先開辟計算機自動化方向的是英國數(shù)學(xué)家巴貝奇（C.Babbage，1792～1871年）。巴貝奇少年時就表現(xiàn)出強烈的好奇心和求知欲，酷愛數(shù)學(xué)。1810年，考取了劍橋大學(xué)。當(dāng)時的劍橋講授的數(shù)學(xué)還未超出牛頓時代的成就，而對新興的數(shù)學(xué)理論和方法置之不理。為了改變這種落后的教育狀況，以巴貝奇為首的一批青年人于1812年成立了“劍橋分析學(xué)會”，力主引進歐洲大陸的數(shù)學(xué)研究成果，對于推動19世紀(jì)英國數(shù)學(xué)的發(fā)展與復(fù)興作出了貢獻。巴貝奇在大學(xué)讀書時，就發(fā)現(xiàn)當(dāng)時流行的由機械運算產(chǎn)生的各類數(shù)表錯誤很多，這樣的數(shù)表給應(yīng)用帶來很大麻煩，甚至損失。他設(shè)想研制一種機器，能運算和編制出可靠的數(shù)據(jù)表。1821年，巴貝奇得到父親的支持，開始研制計算機。他提出了幾乎是完整的程序自動控制的設(shè)計方案，并于1822年利用多項式數(shù)值表的數(shù)值差分規(guī)律，設(shè)計出一臺計算機模型——“差分機1號”（DifferenceEngineNo.1）。它不僅能每次完成一個算術(shù)運算，而且還能按預(yù)先安排自動完成一系列算術(shù)運算，已經(jīng)包含有程序設(shè)計的萌芽。出于經(jīng)濟上考慮，巴貝奇差分機使用的是十進制系統(tǒng)，采用齒輪結(jié)構(gòu)。十進制數(shù)字系統(tǒng)的每一組數(shù)字都刻在對應(yīng)的齒輪上，每項計算數(shù)值由相嚙合的一組數(shù)字齒輪的旋轉(zhuǎn)方位顯示?！安罘謾C1號”的制造，花費了家中大筆財產(chǎn)。最后，由于缺乏資金，缺少熟練的工作人員，再加上不斷更改設(shè)計，致使制造計劃于十年后被迫中斷。1843年，沒有完成的差分機連同設(shè)計圖紙全部移送倫敦的皇家學(xué)院博物館保存。在制造差分機期間，巴貝奇就在勾畫設(shè)計一種能進行任何程序運算的計算機。1801年，法國工程師雅克特（J.M.Jacquard，1752～1834年）發(fā)明了一種提花織布機。在織布過程中，執(zhí)行步驟由紙卡片上穿孔的方式控制，從而可實現(xiàn)不同的提花設(shè)計。受此啟發(fā)，巴貝奇提出了把程序編制在穿孔卡片上用以控制計算機工作的設(shè)想。為此，他于1843年完成了新的設(shè)計，稱之為“解析機”或“分析機”（AnalyticalEngine）。在分析機的設(shè)計中，巴貝奇第一次將計算機分為輸入器、輸出器、存儲器、運算器、控制器五個部分，成為現(xiàn)代計算機結(jié)構(gòu)模式的最早構(gòu)思形式。為了研制分析機，巴貝奇多方籌措資金，先是尋求政府資助未果，后來耗盡了從父親那里繼承來的大部分財產(chǎn)。但還是由于當(dāng)時資金和技術(shù)方面的條件限制，他的分析機未能做成。巴貝奇的設(shè)計思想有很大意義，他提出的程序設(shè)計方法對現(xiàn)代計算機的研制很有啟發(fā)。由于巴貝奇的設(shè)想太超前，人們根本無法理解其價值，他一度遭人嘲笑、譏諷，被說成是“幻想家”、“瘋子”。但就是在這么一種環(huán)境下，巴貝奇毅然完成了一系列完整的圖紙。再加上當(dāng)時技術(shù)條件的限制，更主要的是那個時代對這一類機器還沒有需求，巴貝奇的設(shè)想未能實現(xiàn)。他的全部設(shè)計圖紙留給了20世紀(jì)的人類。150年后，根據(jù)巴貝奇設(shè)計的圖紙和仿照那個時代機器原材料所能達到的水平，經(jīng)過澳大利亞科學(xué)家6年的努力，于1991年5月，終于仿制出一臺巴貝奇分析機，并進行實際運算成功。在巴貝奇制造分析機失敗之后，大型數(shù)字計算機的研制停滯了大約70年之久，但促使數(shù)字計算機發(fā)展的各種因素仍在孕育之中。19世紀(jì)末，為了滿足美國人口普查的需要，受雅克特發(fā)明的自動提花機思想啟發(fā)，美國工程師霍勒里斯（H.Hollerith，1860～1929年）在1888年發(fā)明了統(tǒng)計機，它是一臺具有使用價值的卡片程序控制計算機。他把信息用穿孔的辦法記錄在卡片上，再利用早已成熟的弱電流技術(shù)識別和傳遞這些信息到機器中。但這臺機器的計數(shù)器仍然采用機械原理和機械結(jié)構(gòu)工作，實際上還是一臺電動的機械計算機。不過這為以后深入研究穿孔卡片程序控制計算機打下了基礎(chǔ)。20世紀(jì)40年代，科學(xué)家和工程師探索利用電器元件來制造計算機。第一個采用電器元件制造計算機的是德國工程師朱斯（K.Zuse，1910～1995）。他在1938年制作了一臺全部采用了繼電器的計算機，這是世界上第一臺真正的通用程序控制計算機。1937年，美國哈佛大學(xué)的哈肯（H.Aiken，1900～1973年）由于撰寫博士論文求解非線性常微分方程的需要，發(fā)明了一種可求簡單多項式的計算機。接著他又設(shè)想制造一臺可解任何問題的通用計算機。他的設(shè)想得到美國IBM公司的支持。1944年，哈肯建成了“自動程序控制計算機”（哈佛MarkⅠ),這臺計算機只是部分采用繼電器，主要用于科學(xué)計算。與此同時，貝爾實驗室也研制出繼電器計算機。繼電器計算機雖然比機械計算機運算速度快，但仍滿足不了實際需要，它注定要被電子計算機所取代。但應(yīng)當(dāng)承認繼電器計算機為電子計算機的研制積累了重要經(jīng)驗。(二)電子計算機的發(fā)明20世紀(jì)20年代后，電子技術(shù)和電子工業(yè)的迅速發(fā)展為研制電子計算機提供了可靠的物質(zhì)基礎(chǔ)。1905年，英國物理學(xué)家弗萊明（J.A.Fleming，1849～1945）發(fā)明了電子管；1906年，美國物理學(xué)家德福雷斯特（L.deForest，1873～1961年）發(fā)明真空三極管，這些都為電子計算機的制造準(zhǔn)備了物質(zhì)條件。出于第二次世界大戰(zhàn)軍事上的需要，計算工具的改進成為燃眉之急。如，二戰(zhàn)期間美國阿伯?。ˋberdeen）彈道研究室每天要為陸軍提供6張火力表，每張表都要計算幾百條彈道。當(dāng)時一個熟練的計算人員用臺式計算機計算一條飛行時間60秒的彈道就得需要20多小時。為此阿伯丁實驗室聘用了200多名計算人員?？梢?，計算需要與計算能力之間的矛盾日益突出。改革當(dāng)時機械計算機的結(jié)構(gòu)，提高計算速度，已是迫在眉睫。這種需求成為電子計算機誕生的推動力。第一臺計算機的誕生正是在這么一種情況下，由阿伯丁彈道研究室與賓夕法尼亞大學(xué)莫爾學(xué)院電工系密切合作產(chǎn)生的。1942年8月，阿伯丁實驗室的戈德斯坦（H.Goldstine）與賓夕法尼亞大學(xué)莫爾學(xué)院電工系工程師莫克萊（J.W.Mauchly，1907～1980年）一起，起草了一份題為《高速電子管計算裝置的使用》的報告，提出了電子計算機的設(shè)計方案，它是一臺“電子數(shù)值積分計算機(ElectronicNumericalIntegratorAndCalculator)”，簡稱ENIAC。這在當(dāng)時是一份超前和冒險的計劃，一方面耗資巨大，同時也沒有必成的把握，因此方案一提出來便遭到強烈的反對。但在當(dāng)時擔(dān)任阿伯丁實驗室科學(xué)顧問的美國著名數(shù)學(xué)家維布倫（O,Veblen）的堅決支持下，美國陸軍軍械部批準(zhǔn)了這個項目。1943年6月開始試制，由年僅24歲的碩士研究生埃克特（J.P.Eckert，1919~)擔(dān)任總工程師。整個ENIAC方案的實施過程是曲折的，合同先后修改了20多次，經(jīng)費總額超過48萬美元。1945年底，這臺標(biāo)志人類計算工具的歷史性變革的電子計算機終于試制成功，1946年2月15日正式舉行揭幕典禮。ENIAC重達30噸，占地170平方米，共用了18600個電子管，每秒運算5000次，比當(dāng)時的計算機快1000倍。它的缺點是機器的可靠性仍比較差，它只能穩(wěn)定地工作幾個小時。它與后來的“存儲程序”型計算機不同，它的存儲容量很小，至多能存20個字長10位的十進制數(shù)；它的程序是“外插型”的，即用線路連接的方式來實現(xiàn)，需要花很多時間先將程序準(zhǔn)備好，大大影響了運算速度，使ENIAC的使用極不方便。在ENIAC的研制過程中，設(shè)計者曾經(jīng)試圖通過增加存儲器的辦法來克服ENIAC存儲容量小的缺點。?？颂赜痔岢鲇醚舆t線回路作為計算機存儲器的設(shè)計方案。問題的最終解決依賴于美籍匈牙利數(shù)學(xué)家馮·諾依曼（J.vonNeumann，1903～1957年）的工作。1944年夏日里的一天，在阿伯丁火車站，戈德斯坦中尉遇見了數(shù)學(xué)家馮·諾依曼。在交談中戈德斯坦透露了ENIAC研制中存在的問題，立即引起了馮·諾依曼的關(guān)注。當(dāng)時，馮·諾依曼正在參加試制原子彈的工作，深受繁重計算之苦，他便改變了決定，參加了ENIAC改進設(shè)計工作。馮·諾依曼與莫爾學(xué)院的科研小組合作，經(jīng)過10個多月的努力，于1945年6月，提出了一個全新的存儲程序通用計算機方案“EDVAC”(ElectronicDiscreteVariableAutomaticComputer——意為“離散變量自動電子計算機”)。其中一項重大的革新就是“程序存儲”的思想，即程序設(shè)計者可以事先按一定的要求編制好程序，把它和數(shù)據(jù)一起存儲在存儲器中，實現(xiàn)全部運算自動執(zhí)行。馮·諾依曼等人提出的EDVAC計算機，由于設(shè)計組內(nèi)部對發(fā)明權(quán)的爭議致使研制工作進展緩慢，直到1952年才面世。EDVAC由計算器、邏輯控制裝置、存儲器、輸入、輸出五部分組成，較之ENIAC有兩個重大改進：一是采用二進制，以充分發(fā)揮電子器件的高速度；二是設(shè)計了存儲程序，可以自動地從一個程序指令進入下一個程序指令。不幸的是，設(shè)計組內(nèi)部因發(fā)明權(quán)問題陷入分裂，莫克萊和?？颂仉x開了設(shè)計組另組建公司開始研制UNIVAC計算機，致使EDVAC到1952年才研制成功。EDVAC方案對現(xiàn)代電子計算機發(fā)展產(chǎn)生了巨大影響。在此基礎(chǔ)上，英國劍橋大學(xué)于1949年研制成功了第一臺存儲程序計算機——EDSAC（ElectronicDataStorageAutomaticComputer）。電子計算機的發(fā)明，在理論上有兩個基本重要成果為基礎(chǔ)：一是布爾代數(shù)，另一是圖靈（A.M.Turing，1912～1954年）的理想計算機理論。1854年，英國數(shù)學(xué)家布爾（G.Boole，1815～1864年）發(fā)表了其重要著作《思維規(guī)律研究》，成功地將形式邏輯歸結(jié)為代數(shù)運算，即今天的布爾代數(shù)。在這種代數(shù)中，變量只有0和1兩個值，特別適用于只有開斷和接通兩種狀態(tài)的電路系統(tǒng)，布爾代數(shù)為把電子元件及其線路應(yīng)用到計算機中提供了重要的理論基礎(chǔ)。以后在布爾代數(shù)基礎(chǔ)上，又發(fā)展了數(shù)理邏輯，這就為制造數(shù)字計算機提供了數(shù)學(xué)工具。英國劍橋大學(xué)的圖靈在1936年為解決純數(shù)學(xué)的一個基礎(chǔ)理論問題，發(fā)表了著名的《論可計算數(shù)及其在判定問題中的應(yīng)用》的論文，從數(shù)學(xué)上證明了通用的理想計算機是存在的，所謂的通用就是一旦程序編制好后機器就能進行它所能完成的任何計算及邏輯運算。提出了現(xiàn)代通用數(shù)字計算機的數(shù)學(xué)模型，描述了計算機的邏輯構(gòu)成，并提出了“程序內(nèi)存”的設(shè)想，后人把它稱之為“圖靈機”。圖靈對現(xiàn)代計算機理論的發(fā)展作出了重大貢獻。馮·諾依曼在世時，曾不止一次說過：“現(xiàn)代計算機的設(shè)計思想來源于圖靈”。從帕斯卡、萊布尼茨、巴貝奇，到布爾、圖靈、馮·諾依曼，事實再一次證明，數(shù)學(xué)在及數(shù)學(xué)家在計算工具改進中的巨大作用。如今，電子計算機已經(jīng)發(fā)展了第四代，所有這些計算機都是以馮·諾依曼在20世紀(jì)40年代提出了“存儲程序”型計算機設(shè)計思想為基礎(chǔ)，直到今天該思想仍是計算機設(shè)計制造者的理論基礎(chǔ)。馮·諾依曼在倡導(dǎo)和宣傳這一設(shè)計思想上所起的推動作用則是舉世公認的。(三)計算機硬件技術(shù)的發(fā)展1．電子計算機的發(fā)展階段自1946年第一臺電子計算機問世以來，以構(gòu)成計算機硬件的邏輯單元為標(biāo)志，大致經(jīng)歷了從電子管、晶體管、中小規(guī)模集成電路到大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路計算機等四個發(fā)展階段。第一階段——電子管計算機時代（1946～1957年也稱為第一代計算機。使用電子管作為邏輯元件，采用磁鼓和磁芯作主存儲器，主要用于科學(xué)計算，程序主要用機器代碼和匯編語言。1951年6月14日，由莫克萊和?？颂卦O(shè)計的的世界上第一臺通用自動計算機UNIVACⅠ（UniversalAutomaticComputer）投入使用。這是唯一采用汞延遲線作為主存儲器的計算機。第一臺UNIVACⅠ成功地處理了美國1950年人口普查資料。第二臺UNIVACⅠ曾用于處理1952年美國總統(tǒng)選舉資料。1955年，IBM研制成功的IBM650計算機，使用磁鼓作為主存，并裝備了穿孔卡片輸入輸出系統(tǒng)，獲得巨大成功。1950年，美籍華裔物理學(xué)家王安（1920-1990）提出了利用磁性材料制造存儲器的思想。1953年，麻省理工學(xué)院的福瑞斯特（J.W.Forrester）和美國無線電公司同時發(fā)明了磁芯存儲器。從20世紀(jì)50年代中到70年代，磁芯一直被用作計算機的主存儲器。第二階段——晶體管計算機時代（1957～1964年也稱為第二代計算機。采用晶體管作為邏輯單元、磁芯作主存，外存多用磁盤，程序使用高級語言和編譯1948年6月，美國貝爾電話實驗室的科學(xué)家肖克利（W.Shockley，1910、巴丁（J.Bardeen，1908～）和布拉頓（W.H.Brattain，