工业革命与人类文明

作者: ${content.author} 时间:2021-09-13 浏览量:6,220

远方的来客

公元1793年,清乾隆五十三年,英吉利王国特使马戛尔尼率使团700人访华。本次出访,马戛尔尼携带了大量英国工业产品,包括蒸汽机、火器、棉纺机、梳理机、织布机,以及大量精美的天文地理仪器。名义是给乾隆皇帝祝寿,实际更深层的目的是谈判通商,并寻求建立正式的外交关系。彼时,清王朝统治下的中国一贯以“天朝上国”自居,将西方视为蛮夷之地,更将西方科技视为“奇技淫巧”,故断然拒绝了使团的所有诉求,马戛尔尼使团访华失败,为鸦片战争的爆发埋下祸根。而此时大洋彼岸的英国,正掀起了一场前所未有的变革——工业革命。

神奇的“机器怪物”

走在18世纪20年代的英国原野上,人们对眼前的场景大吃一惊,中世纪乡村那种一望无际的风光已经一去不复返,大地上出现了无数大大小小的挖煤矿坑。一种吐着黑烟和白汽的“机器怪物”,推动者形状像跷跷板的抽水机日夜不停的做功,把矿坑里的水抽出到地面,这个奇怪的机器就是最早的蒸汽机。提到蒸汽机,大家最熟悉的应该就是瓦特,其实在瓦特之前,蒸汽机就已经存在了很长时间了。早在古希腊时期,数学家希罗就是发明了最早蒸汽机的雏形——汽转球。在18世纪,经过巴本、萨弗里、纽科门等的不断改良变得日渐成熟。但当时蒸汽机的效率一直很低,直到1765年,瓦特把加热和冷却过程分离,在气缸之外设置一个单独的冷凝器专门用来冷却蒸汽,有效解决这一问题。

蒸汽机是将蒸汽的能量转换为机械功的往复式动力机械。沸腾的水产生蒸汽,进入气缸后产生压力推动气缸内的活塞运动从而产生动力,这就涉及到气压的相关知识,而气压则源于对真空问题的研究。早在1643年,伽利略的学生托里拆利和维维安尼做了著名的“托里拆利实验”。他们用住满水银的玻璃管得到了一段真空,证实了空气有重量,发现了大气压力。托里拆利的实验很快传到了法国科学家帕斯卡那里,他通过实验证实了气压会随着海拔高度变化而变化,进一步支持了托里拆利关于大气压力的观点。

几乎与法国和意大利同时,在德国关于真空的问题研究也在独立进行,并诞生了著名的马德堡半球实验。正如我身边这个展项,展台上分别有两个金属半球,当我们抓住半球手柄,可以比较轻松得拿起它来。但当我按下按钮,真空泵启动,抽掉了半球内的空气,我们再试着抓起时,你会发现根本无法拉动,即便你用尽“洪荒之力”也无济于事。这是为什么呢?原来是大气压力的作用!半球内的空气被真空泵抽走了,那内外气压不再平衡,内部小,外部大,外面的空气想方设法的要钻进去,但可惜找不到一点空隙,于是就紧紧的把半球压到展台上。300多年前的德国马德堡市市长盖里克,用了相同的办法,抽掉了两个半球中的空气,用了16匹马才将它们拉开,并同时发出了巨大的响声,这个著名的实验使真空和大气压的概念广为人知。

后来英国科学家波义耳对前人的实验进行了研究和总结,并提出了波义耳定律:在压缩空气时,压强变大,空气体积越小,压强与体积成反比。真空问题的研究极大促进了流体力学,为蒸汽机时代的出现和工业革命奠定了基础。

随着技术的进步,蒸汽机也经历了很多改变以便适应工业的发展。但蒸汽机显然不能满足人类的需求,它的固有缺陷开始暴露出来。传统的蒸汽机主要通过外燃的方式做功,热量大部分会散发点,热效率只有可怜的5%—8%,而且启动前还需要一段时间预热,十分不便。

动力的变革

那既然外燃是障碍,于是就有人提出了内燃的设想。法国的物理学家巴本当时正在研究以火药为燃料的内燃机技术,但这种技术对气缸的材质要求很高,而且容易爆炸,危险性可想而知。此后,煤气被发现,很快欧洲的天才工程师们着手设计一款以煤气为燃料的内燃机。但他们的设计依然没有摆脱大气机的框架——燃烧产生真空从而推动活塞做功。直到1860年,法国工程师勒努瓦制造了第一台真正意义上的内燃机,并将它装在车子上,但遗憾的是热效率依然很低,只有可怜的4%,甚至不如蒸汽机。

为了提高热机效率,1862年,法国工程师德罗夏总结了热机理论和历史实践,提出了四冲程循环理论。那何为四冲程呢?我身边这个展项发动机,可以很形象地诠释它的定义。当我们按下按钮,发动机模型运转,气缸的活塞向外运转造成真空,将空气吸入气缸,喷油嘴同时将燃料雾化并充入气缸以完成第一冲程;紧接着气缸向内运动压缩燃料为第二冲程,也叫压缩冲程;第三冲程为做功冲程,即火花塞点燃高压的燃料气体并产生巨大的爆发力而做功;第四冲程为排气冲程,它将已经燃烧的废气从气缸中排出去,为下一次的第一冲程做准备。德罗夏的四冲程理论是现代内燃机的理论基础,可惜当时并未引起关注,直到德国工程师奥托偶然看到了这篇论文,并成功研制出了四冲程发动机,效率大大提升,于是人们把四冲循环称为奥托循环,而德罗夏却被忽视了。

工业革命的主要标志就是以机器取代人力、以大规模工厂化生产取代个体手工生产,生产力大幅度提升,欧洲各国极力开拓海外市场,这也是马戛尔尼率团访华的真正原因。作为推动第一次工业革命的主要因素之一,蒸汽机可谓居功至伟。而内燃机作为第二次工业革命的代表作,同样深刻影响了当今社会的发展。于此同时,自然科学的研究取得了重大进展,由此诞生的各种新技术、新发明层出不穷,其中电的发明与应用可以说是第二次工业革命的重要标志。

电气时代的到来

在19世纪之前,人们对电的认识极为有限。1820年,丹麦物理学家奥斯特和安培发现了电流的磁效应,那电流既然能产生磁,那反过来磁会不会能生成电呢?10年后,伟大的英国物理学家法拉第为了这个理想进行了艰苦的实验。最终他发现了电磁感应现象,自此之后,电磁学得到了巨大的发展,西方各国的工程技术专家投身于电力开发、传输技术和利用等方面的研究,造就了一个前所未有的“电气时代”。

从逻辑上讲,应该先有发电机再有电动机,要不然谁来提供动力呢?但从科学史上看,最先出现的却是电动机。在此之前,伽伐尼在解剖青蛙时发现了所谓的“生物电”,伏打通过实验否定了他的观点,并于1800年制成了著名的伏打电堆,第一次为人类提供了稳定的电源。有了稳定电源为研究电磁学提供了基础,法拉第使用小磁针绕载流导线运动的装置,这是人类科技史上的第一台电动机。最初,有人问法拉第这玩意有什么用。法拉第机智的回答:“新生的婴儿有什么用?”的确,这个“婴儿”不久长成了巨人。

早期的电动机类似现在的玩具,因为使用的都是天然永磁体,磁场太弱。1822年,法国科学家阿拉果用裸露的铜线圈发明了电磁铁。过了不久,美国的科学家亨利将裸露的线圈改为绝缘导线,这使得磁场大大增强。1834年,德国物理学家雅可比采用电磁体作为转子,制成了第一台实用的电动机。你可能很好奇电动机为什么通电后会旋转,看看我身边这个展项——电动机就明白了!它是利用通电线圈产生旋转磁场并作用于转子形成磁电动力旋转扭矩。两块磁铁中放置一个线圈,给线圈通电,调节磁铁与线圈间的距离,线圈就会转动起来。磁铁越靠近线圈,线圈的转动速度越快。

在研制电动机的同时,发电机的研制也没停下来。早期人们靠伏打电堆供电,电流小、造价高昂,几乎没有商业价值。既然已经直到磁场可以产生电流,1832年,法国发明家皮克西成功制造了第一台手摇发电机,他输出的是直流电,电流依然很弱,无实用价值。1857年,英国电学家惠斯通用通电的电磁铁代替了永磁体,发明了自激式发电机,但他的电磁铁依然使用伏打电堆供电,本质上看依然不是自激,而且整体过于笨重,不经济,真正的自激式发电机应该使用发电机本身产生的电流。1867年,德国工程师西门子发明了第一台真正的自馈式发电机,发电量大大增加。

最初的发电机都是直流电发电机,比如这个展项就是直流发电机模型,当我们快速转动手柄,使其导体线圈在磁场中转动,不断地切割磁感线,产生感应电动势,把机械能变成电能。直流发电机由静止部分和转动部分组成。静止部分叫定子,它包括机壳和磁极,磁极当然是用来产生磁场的;转动部分叫转子,也称电枢。电枢铁芯呈圆柱状,由硅钢片叠压而成,表面冲有槽,槽中放置电枢绕组 。直流电虽然安全,但直流电在传输过程中耗损严重。随着各行各业对电力的需求增大,远距离传输成了一大难题。到19世纪80年代,直流电已经不能满足社会用电需要,交流电登上了历史舞台。直流电和交流电的区别在于电压是否会随着时间的推移在大小和方向上发生周期性变化,直流电不会发生改变,但交流电会。

1855年,意大利物理学家费拉里斯和美国工程师特斯拉,各自独立依据旋转磁场原理发明了交流电感应发电机。1891年,单项交流发电机被发明和使用,交流电相比直流电远距离输送更加方便,可以将低压通过升压变压器后,达到十几万伏后输送到很远的地方,然后再通过降压变压器把高压将为低压供给民用(220V)或工厂(三相380V)用。

电力的应用让人类进入了电气时代,同时大量的电器进入普通家庭,改变了人们的生活。但电磁学的发展对人类的影响远远不止如此。当初麦克斯韦在统一电磁理论时就预言,电磁场在相互激发时会存在一种所谓的电磁波,这一预言很快被德国科学家赫兹通过实验所证实了,并测算出了电磁波的传播速度等于光速。但很可惜,赫兹英年早逝,活了不到37岁。就在那一年,一位意大利的青年人读了他的论文后,于两年后获得了无线电通信的专利。7年后,无线电报已可以穿越大西洋。同时的俄国科学家波波夫,也在同一领域做出了贡献,他们掀起一场风暴,奠定了今天的“信息化革命”的基础,把整个世界带进了“电磁波的海洋”。

信息的传输

“信息化革命”是第三次工业革命的主要成就之一。进入20世纪后,电子计算的发展突飞猛进,个人电脑逐渐普及,作为这场运动的逻辑补充,一场信息运输的革命正在兴起,这便是互联网。无论我们的电脑还是手机,无时无刻都离不开网络,网络承载了大量的数据传输,那如何快速、高效、安全的将信息传输就需要一种高效的传输介质。

最早,作为信息传输的方式是电报。美国的发明家摩尔斯在亨利的研究基础上改进了电报。1844年摩尔斯鼓动美国国会架设了一条从华盛顿到巴尔的摩的电报线路,1847年,英国和法国在英吉利海峡铺设了第一条海底电缆,1856年,更长的海底电缆在大西洋底铺就。电缆是一种由一根或多根相互绝缘的导体和外包绝缘保护层制成,将电力或信息从一处传输到另一处的导线。电缆传输的是电信号,短距离尚可,长距离就存在很多缺点,比如耗损高、重量大、造价高、易受到电磁场干扰等。到了20世纪70年代之后,光纤传输作为新一代的信息传输工具很快得到了广泛应用。

说起光纤,就不得不提一个物理概念——光的全反射。1870年的一天,英国物理学家丁达尔到皇家学会的演讲厅讲光的全反射原理,他做了一个简单的实验:在装满水的木桶上钻个孔,然后用灯从桶上边把水照亮。结果使观众们大吃一惊。人们看到,放光的水从水桶的小孔里流了出来,水流弯曲,光线也跟着弯曲,光居然被弯弯曲曲的水俘获了,是光线真的弯曲了吗?当然不是,是发生了全发射!

当光线从光密介质射向光疏介质是,如果入射角大于临界角,就会发生全反射现象,我现在要介绍的这个展项光纤传输就是利用了全反射的原理。光纤的内部分为两层,内层是光密介质,就相当于水,外层是光疏介质,就相当于空气。当光信号从一端的光密介质射向光疏介质,且满足入射角大于临界角,光信号就会在光纤中传输了。看一下这个光纤传输的展品,你可以转动台面上的手轮,使光纤断开处被遮挡或通光,观看屏幕上影像的变化。展项上的摄像头会采集您的影像,通过光纤线路传输到显示屏中,你的影像就显示在了电视上。这样的光纤传输设备需要将传统的电磁信号转换成光信号,在终端再通过调制解调器将光信号变为电磁信号,进而被设备解读出来,变成可视化的声音和图像。

1964年,著名的华人科学家高锟提出了光纤传输理论,从理论上证明了用光纤作为传输媒体以实现光通信的可能性;至1981年第一代光纤系统面世,高锟先生亦因此获得“光纤之父”美誉,并获得了2009年诺贝尔物理学奖。我们平时上网、打电话都是靠光纤传输信号,光纤传输有频带宽、耗损低、重量轻、保密性高、性能可靠造价低等特点。所以近年来,光纤通信的发展非常迅速,以海底光缆代替海底电缆已成为发展趋势。目前,全世界已经铺设海底光缆40万公里,这个长度几乎可以围绕地球10圈,极大的提高了通信技术的效率和质量,加速度了信息化的发展。

除了信息化技术,第三次工业革命还包括大量的高新科技,比如核能技术、生物技术、纳米技术等,但信息化无疑是对世界的影响最为深远的。因为当今世界经济社会的发展高度依赖信息的传递,谁掌握了信息就等于掌握了先机。信息化技术拉近了人与人之间的距离,让信息的交流变得更加便捷,让遥远的天涯海角变得近在咫尺,特别是信息化技术带动的新产业技术发展,已经深刻影响了二十一世纪以及未来工业的发展方向。

未来的工业革命

2013年 9月 30日主持十八届中央政治局第九次集体学习时,习近平总书记就敏锐地指出:“新一轮科技革命和产业变革正在孕育兴起,一些重要科学问题和关键核心技术已经呈现出革命性突破的先兆。”此后,在多个国际国内重要场合,习总书记反复谈到了新一轮科技革命和产业变革正在孕育兴起、蓄势待发的问题。人类社会的进步,归根结底,取决于社会生产力的发展。每一次工业革命,都极大地推动社会生产力的发展,引发社会生产和生活方式的颠覆性变化,以物联网、大数据、机器人及人工智能等技术为驱动力的第四次工业革命正以前所未有的态势席卷全球。

这场技术革命的核心是网络化、信息化与智能化的深度融合,它在提高生产力水平、丰富物质供给的同时,也会重塑人力与机器力结合的劳动形式和要求。以人工智能为代表的新技术,对国家经济结构的转型升级有着重要的意义。向我身边的这个名叫“优友”的智能机器人, 全身高达1.3米,有22个自由度,动起来非常灵活自如,“优友”是优家族里第一款类人型智能服务机器人,并出现在了国庆70周年庆典“新时代”花车上。它运用了声控识别、自然语音理解、人脸识别、情绪识别等技术,可根据设定路线实现行走、讲解、表演等多种角色。为观众提供更加人性化的交互式服务。同时,优友在导航资讯、商场导购、银行、迎宾接待等方面有很大的应用前景。不仅如此,它还可以通过网络进行深度学习,进而开发出更多的技能。

而人工智能的发展不仅仅是我们所了解的机器人,因为人工智能技术是一个庞大而且完整技术体系,它包括半导体科技、电子信息技术、人工智能、大数据和云计算等。机器人的运行需要依托信息的传递,工程师将信息进行预设,编制成完整的程序指令,机器人内置的智能芯片对信息进行储存处理,进而做出决断。机器人要想完成更为复杂的技术,就需要更强大的信息处理和分析能力,而庞大的数据库和云计算技术是支持人工智能的重要一环。机器人可以将收集的信息通过发达的5G网络技术传输到“云端”,通过的云端的超级计算机对已有的信息进行了分析,进而做出正确的指令。

2017年5月,人工智能围棋程序“阿尔法狗”(AlphaGo)与世界排名第一的中国围棋选手柯洁进行三场比赛并全部获胜,这说明人工智能在某些分析博弈领域已经超越了人类。“阿尔法狗”(AlphaGo)作为新一代人工智能,可以进行深度学习,通过学习可以获得更高的“智慧”。要知道“阿尔法狗”想要赢一场棋局,至少需要学习3000万棋盘。所以深度学习是行业研究的核心,也是人工智能目标实现的最根本途径,是当前人工智能发展的主要瓶颈。

我们此刻可以畅想一下,未来的世界我们将活在人工智能的时代,人类的双手被充分解放,甚至通过外部脑机接口实现人类和人工智能融合,人类的智慧变得高度发达。别以为这只是幻想,特斯拉创始人埃隆·马斯克正在着手研究和实验该项目,并成功读取了三头小猪的电脑波。如果读取人的脑电波并加以控制和利用,可以进一步的改造人类的思想和意识,治疗阿尔兹海默症,提升记忆力,甚至创一个不同于现在甚至现实的未来,《黑客帝国》《盗梦空间》中的虚拟世界将不再只是科幻。从某种意义上说,脑机接口可能才是真正改变人类文明的技术,人类的未来,可能已陷入巨大的不确定状态中。

历次工业革命的成功,无不彰显了科学与技术结合的伟大实践。在当代中国的人的眼中,科学无疑是一盏神灯,它仿佛是万能的。这也间接导致了人类对科学技术的盲目崇拜和过渡的依赖,人类的私欲因为科技进步而变得欲壑难填,逐渐忽视了大自然的规律。特别是20世纪以来,科学变得比以往更为高深莫测,相应产生的威力更大,甚至逐渐远离我们的生活。然而,科技发展之中所潜藏的危险也逐渐显露。

工业革命的另一面

现代工业和生活高度依赖能源的利用,而全球能源结构80%依赖化石能源,地球花费了几十亿年的时间才攒下的能源,目前正面临因过渡开采而枯竭的危险,如果人类再未来几十年不能解决能源问题,那人类文明将面临彻底的瓦解。

而更为令人担忧的是自第一次工业革命开始,因为煤炭、石油等化石能源的过渡使用,产生大量的废弃排入大气中,造成了严重的空气污染。到近代,欧洲等发达国家就因过度排放而出现国诸如伦敦毒物事件。直到今天,化石能源的使用而造成的污染问题始终没有解决,反而变得更为严重。大气中的二氧化碳浓度正在急剧增加,二氧化碳作为一种温室气体,会吸收地面反射的长波辐射,阻止了地球热量向外散发,导致气温升高,南极冰川融化,海平面不断上升,已经威胁到了一些临海城市和岛屿。

既然化石能源造成了污染问题,那绿色能源能否可以作为替代品?其中核能的利用及产生了极大的争议。核能所释放的能量超过了人类几千年的能量总和,仅美俄两国拥有的核武器足够毁灭人类成百上千次。即使和平利用核能,依然是个很敏感的政治问题。前苏联切尔诺贝利核事故、日本福岛核事故依然是人们挥不去的梦魇,近日曝光的日本福岛污水入海事件,又将核能利用问题推上了风口浪尖。

信息化的造成的困扰也远远没有解决。信息高速公路使全球结成一体,便利了文化交流,但加速了文化融合,使文化生态面临失衡的危险。如果说工业文明破坏了自然生态,那么信息时代则加速了文化生态的解体。发达的全球电子传媒和广告业,正在塑造单一的文化品位。几乎全世界都在喝可口可乐、吃麦当劳、听同样的歌、看同样的球赛,各民族青少年的文化品位趋同,人类的文化生态平衡遭到破坏。同时,电子产品的大量使用,已经破坏了人的生活方式,很多人在生活中手机不离手,除了睡觉时间以外,恨不得整天拿着手机。殊不知,过度依赖手机,不仅会对个人生活方式产生负面影响,还有可能对心理和生理产生危害。当远离智能手机时,人们会因失去联系、无法交流、无法访问信息而感到尴尬、紧张、焦虑、气愤、恼火。

新工业革命改变生产方式和提高生产效率的同时也带来了一些社会问题,其中最突出的就是劳动就业的变化。进入21世纪以来,以物联网、大数据、人工智能、机器人为代表的数字技术在生产、经济管理以及社会治理各方面得到广泛应用,给劳动就业带来了极大影响。西方部分学者认为,未来20年里,发达国家的工作岗位将会不同程度的被人工智能和机器人所取代,涉及1575万多个劳动岗位。还有研究认为,人工智能和机器人对劳动的替代,会导致程序化工作的需求减少,非程序化工作的需求增加,使职业结构向两极化方向发展。人工智能是否会对人类产生威胁?《变形金刚》《机械公敌》中的场景是否会变为现实?即便是“杞人忧天”,也足以让我们心生疑虑。

人类的出路

哲学家弗里德里希·哈耶克(Friedrich Hayek)曾说:“科学走过了头,自由将无容身之地。”以科技创新为动力的工业革命给人类发展带来了福音,同时也造就了潜伏的魔鬼。人类的未来何去何从,成了一个值得深思的问题。即便如此,我们深信科学造成的难题终究需要科学去解决,但我们也不能完全保证它不会给我们带来更严重的灾难,这也许就是科学技术本身固有的缺陷。在全人类面临共同难题的时候,老子“无为而治”的思想已成为我们必须要重新思考的哲学问题。也许顺应自然、保护自然,构建人与自然生命共同体,才是人类最终的出路。

 

参考资料:

1.吴国盛——《科学的历程》

2. 卜宪群——《公元18世纪的“黑科技”:蒸汽机诞生记》

3. 芮明杰——《第三次工业革命的起源、实质与启示》

4. 赵昌文、莫荣、张文——《人民日报:信息化改变社会生产方式》

5. 张汉青——《工业互联网:新工业革命重要基石》

6.黄晋鸿——《牢牢把握新一轮工业革命的机遇》

7.(法)佩雷菲特——《停滞的帝国》


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