三次工业革命综述

第一次：18世纪60年代——19世纪中期（人类开始进入蒸汽时代）

工业革命不能仅仅归因于一小群发明者的天才。虽然天才无疑起了一定的作用，然而，更重要的是18世纪后期起作用的种种有利力量的结合。除了在强有力的需要的刺激下，发明者很少作出发明。

作为种种新发明的基础的许多原理在工业革命前数世纪已为人们所知道，但是，由于缺乏刺激，它们未被应用于工业。例如，蒸汽动力的情况就是如此。蒸汽动力在古希腊化时代的古埃及已为人们所知道，甚至得到应用，但是，仅仅用于开关庙宇大门。

不过，在英国，为了从矿井里抽水和转动新机械的机轮，急需有一种新的动力之源。结果引起了一系列发明和改进，直到最后研制出适宜大量生产的蒸汽机。

这些有利条件导致一系列发明，使棉纺织工业有可能到1830年时完全实现机械化。新发明中，理查德·阿克莱特的水力纺纱机（1796）、詹姆斯·哈格里夫斯的多轴纺纱机（1770）和塞缪尔·克朗普顿的走锭纺纱机（1779）是十分出色的。水力纺纱机能在皮辊之间纺出又细又结实的纱；用多轴纺纱机，一个人能同时纺8根纱线，后来是16根纱线，最后为100多根纱线；走锭纺纱机也称为“骡机”，因为它结合了水力纺纱机和多轴纺纱机的优点。所有这些新纺纱机很快就在生产出比织布工所能处理的多得多的纱线。

但是，这时候没有发明出机器来织布，仍然由人力来织布，有位名叫埃德蒙·卡特赖特的牧师试图矫正这种不平衡状态，他在1785年取得了一种最初由马驱动、1789年以后由蒸汽驱动的动力织机的专利权。这种新发明物制作粗陋，在商业上无利可图。

但是，经过20年的改进之后，其最严重的缺点得到了纠正。到19世纪20年代，这种动力织机在棉纺织工业中基本上已取代了手织织布工。

正如纺纱方面的发明导致织布方面相应的发明一样，某一工业中的发明促进了其他工业中相应的发明。新的棉纺机引趄对动力的需要，这种动力较传统的水车和马所能提供的动力更充裕、更可靠。约1702年前后，一台原始的蒸汽机已由托马斯·纽科门制成，并被广泛地用于从煤矿里抽水。但是，比起它所提供的动力来，它消耗燃料太多，所以经济上仅适用于煤田本身。

1763年，格拉斯哥大学的技师詹姆斯·瓦特开始改进纽科门的蒸汽机。他同制造商马修·博尔顿结成事业上的伙伴关系，博尔顿为相当昂贵的实验和初始的模型筹措资金。这一事业证明是极其成功的；到1800年即瓦特的基本专利权期满终止时，已有500台左右的博尔顿－瓦特蒸汽机在使用中。其中38%的蒸汽机用于抽水，剩下的用于为纺织厂、炼铁炉、面粉厂和其他工业提供旋转式动力。但是，蒸汽机的顺利发明也离不开当时的自然环境于社会因素，早在公元前120年，古埃及就有人曾研究蒸汽作动力。

据统计，在此后的一千八百多年里，试用蒸汽作动力的发明者不下二十人，但他们都未制成较为完善的蒸汽机，并广泛运用于生产，于是，有人说：“如果瓦特早出生一百年，他和他的发明将会一起死亡！”由此可见，环境也是十分重要的。

蒸汽机的历史意义，经常被有意识无意识的夸大。它提供了治理和利用热能、为机械供给推动力的手段。因而，它结束了人类对畜力、风力和水力的由来已久的依赖。这时，一个巨大的新能源已为人类所获得，而且不久，人类还能开发倘藏在地球中的其他矿物燃料，即石油和燃气。

如此，开始了一种趋向，它导致当时的局面：西欧和北美洲每人可得到的能量分别为亚洲每人的11.5倍和29倍。这些数字的意义在一个经济力量和军事力量直接依赖于所能获得的能源的世界中是很明显的。实际上，有人认为19世纪欧洲对世界的支配是以蒸汽机为基础，但也不应该过分强调蒸汽机的作用，因为19世纪欧洲对亚洲、非洲的征服以武力征服为主。

新的棉纺机和蒸汽机需要铁、钢和煤的供应量增加——这一需要通过采矿和冶金术方面的一系列改进得到满足。原先，铁矿石是放在填满木炭的小熔炉里熔炼。森林的耗损迫使制造人求助于煤；正是在此时即1709年，亚伯拉罕·达比发现，煤能够变为焦炭，正则木头可以变成木炭一样。焦炭证明是和木炭一样有效的，而且便宜得多。达比的儿子研制出一个由水车驱动的巨大风箱，从而制成第一台由机械操纵的鼓风炉，大大降低了铁的成本。

1760年，约翰·斯米顿作了进一步的改进；他抛弃达比所使用的、由皮革和木头制成的风箱，用一个泵来代替，这泵由四个装有活塞和阀门的金属气缸组成，并由水车驱动。更重要的是亨利·科特作出的改进，他于1784年发明了除去熔融生铁中的杂质的“搅炼”法。利特把熔融生铁放在一个反射炉里，加以搅动或“搅炼”。这样，通过在熔融体中环流的空气中的氧，除去熔融体中的碳。除去碳和其他杂质后，就生产出比原先易碎的熔融生铁或生铁更有韧性的热铁。

当时，为了跟上制铁工业的不断上升的需要，采煤技术也有了改善。极为重要的是蒸汽机用于矿井排水，还有，就是1815年汉弗莱·戴维爵士发明的安全灯；安全灯大大减少了开矿中的危险。

由于这种种发展的结果，英国到1800年时生产的煤和铁比世界其余地区合在一起生产的还多。更明确地说，英国的煤产量从1770年的600万吨上升到1800年的1200万吨，进而上升到1861年的5700万吨。同样，英国的铁产量从1770年的5万吨增长到1800年的13万吨，进而增长到1861年的380万吨。铁已丰富和便宜到足以用于一般的建设，因而，人类不仅进入了蒸汽时代，也跨入了钢铁时代。

纺织工业、采矿工业和冶金工业的发展引起对改进过的运输工具的需要，这种运输工具可以运送大宗的煤和矿石。朝这方向的最重要的一步是在1761年迈出的；那年，布里奇沃特公爵在曼彻斯特和沃斯利的煤矿之间开了一条长7英里的运河。曼彻斯特的煤的价格下降了一半；后来，这位公爵又使他的运河伸展到默西河，为此耗去的费用仅为陆上搬运者所索取的价格的六分之一。这些惊人的成果引起运河开凿热，使英国到1830年时拥有2500英里的运河。

与运河时代平行的是伟大的筑路时期。道路起初非常原始，人们只能步行或骑马旅行；逢上雨季，装载货物的运货车在这种道路上几乎无法用马拉动。

1850年以后，一批筑路工程师——约翰·梅特卡夫、托马斯·特尔福德和约翰·麦克亚当——发明了修筑铺有硬质路面、能全年承受交通的道路的技术。乘四轮大马车行进的速度从每小时4英里增至6英里、8英里甚至10英里。夜间旅行也成为可能，因此，从爱丁堡到伦敦的旅行，以往要花费14天，这时仅需44小时。

1830年以后，公路和水路受到了铁路的挑战。这种新的运输方式分两个阶段实现。首先出现的是到18世纪中叶已被普遍使用的钢轨或铁轨，它们是供将煤从矿井口运到某条水路或烧煤的地方用的。据说，在轨道上，一个妇女或一个孩子能拉一辆载重四分之三吨的货车，一匹马能干22匹马在普通的道路上所干的活。

第二个阶段是将蒸汽机安装在货车上。这方面的主要人物是采矿工程师乔治·斯蒂芬孙，他首先利用一辆机车把数辆煤车从矿井拉到泰恩河。1830年，他的机车“火箭号”以平均每小时14英里的速度行驶31英里，将一列火车从利物浦牵引到曼彻斯特。

短短数年内，铁路支配了长途运输，能够以比在公路或运河上所可能有的更快的速度和更低廉的成本运送旅客和货物。到1838年，英国已拥有500英里铁路；到1850年，拥有6600英里铁路；到1870年，拥有15500英里铁路。

蒸汽机还被应用于水上运输。从1770年起，苏格兰、法国和美国的发明者就在船上试验蒸汽机。第一艘成功的商用汽船是由美国人罗伯特·富尔顿建造的；他曾前往英国学习绘画、但是，与詹姆斯·瓦特相识后，转而研究工程学。1807年，他使自己的“克莱蒙号”汽船在哈得孙河下水。这艘船配备着一台用于驱动明轮的瓦特式蒸汽机，它溯哈得孙河面上，行驶150英里，抵达奥尔巴尼。

其他发明者也以富尔顿为榜样，其中著名的有格拉斯哥的亨利·贝尔，他在克莱德河两岸为苏格兰的造船业打下了基础。早期的汽船仅用于江河和沿海的航行，但是，1833年，“皇家威廉号”汽船从新斯科舍行驶到英国。5年后，“天狼星号”和“大西方号” 汽船分别以16天半和13天半的时间朝相反方向越过大西洋，行驶时间为最快的帆船所需时间的一半左右。

1840年，塞缪·肯纳德建立了一条横越大西洋的定期航运线，预先宣布轮船到达和出发的日期。肯纳德宣扬他的航线是已经取代“与帆船时代不可分离、令人恼火的不规则”的一条“海洋铁路”。到1850年，汽船已在运送旅客和邮件方面胜过帆船，并开始成功争夺货运。

工业革命不但在交通运输方面，而且在通讯联络方面引起了一场革命。以往，人们一向只有通过运货马车、驿使或船才能将一个音信送到一个遥远的地方。然而，19世纪中叶，发明了电报；作出这一发明的主委是一个英国人查尔斯·惠斯通与两个美国人塞缪尔·莫尔斯和艾尔弗雷德·维耳。1866年，人们铺设了一道横越大西洋的电缆，建立了东半球与美洲之间直接的通讯联络。

如此，人类征服了时间和空间。自远古起，人类一直以坐马车、骑马或乘帆船所需旅行的小时数来表示不同地方之间的距离。但到了21世纪初，人类穿着一步跨七里格的靴子跨过了地球。人类能够凭借汽船和铁路越过海洋和大陆，能够用电报与世界各地的同胞通讯。

这些成就和其他一些使人类能利用煤的能量、能成本低廉地生产铁、能同时纺100根纱线的成就一起，表明了工业革命这第一阶段的影响和意义。这一阶段使世界统一起来，统一的程度极大地超过了世界早先在罗马人时代或蒙古人时代所曾有过的统一程度；并且，使欧洲对世界的支配成为可能，这种支配一直持续到工业革命扩散到其他地区为止。

引发工业革命的必要性是市场。

第二次：19世纪下半叶——20世纪初（人类开始进入电气时代，并在信息革命、资讯革命中达到顶峰）

18世纪后期开始的工业革命已稳步地、不懈地继续到19世纪末期。因此，将其发展过程划分为不同的时期，实质上是武断的。然而，若把1870年看作一个过渡日期，还是可以作一划分。正是在1870年前后，出现了两个重要的发展——科学开始大大地影响工业，大量生产的技术得到了改善和应用。

我们在前章中曾提到，科学开始时对工业没什么影响。我们迄今所提到的纺织工业、采矿工业、冶金工业和运输业方面的种种发明，极少是由科学家们作出的。相反，它们多半是由响应非凡的经济刺激的、有才能的技工完成的。不过，1870年以后，科学开始起了更加重要的作用。渐渐地，它成为所有大工业生产的一个组成部分。

工业研究的实验室装备着昂贵的仪器、配备着对指定问题进行系统研究的训练有素的科学家，它们取代了孤独的发明者的阁楼和作坊。早先，发明是个人对机会作出响应的结果，而如今，发明是事先安排好的，实际上是定制的。沃尔特·李普曼已恰当地将这种新形势描述如下：

从最早的时代起，就有机器给发明出来，它们极为重要，如轮子，如帆船，如风车和水车。但是，在近代，人们已发明了作出发明的方法，人们已发现了作出发现的方法。机械的进步不存是碰巧的、偶然的，而成为有系统的、渐增的。我们知道，我们将制造出越来越完善的机器；这一点，是以前的人们所未曾认识到的。

1870年以后，所有工业都受到科学的影响。例如，在冶金术方面，许多工艺方法（贝塞麦炼钢法、西门子－马丁炼钢法和吉尔克里斯特－托马斯炼钢法）给发明出来，使有可能从低品位的铁矿中大量地炼出高级钢。由于利用了电并发明了主要使用石油和汽油的内燃机，动力工业被彻底改革。通讯联络也因无线电的发明而得到改造。

1896年，古利埃尔莫·马可尼发明了一台不用导线就能发射和接收信息的机器，不过，他的成果是以苏格兰物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦和德国物理学家亨利希·赫兹的研究为基础的。石油工业迅速发展，因为地质学家和化学家做了大量工作；地质学家以非凡的准确性探出油田，化学家发明了从原油中提炼出石脑油、汽油、煤油和轻、重润滑油的种种方法。

科学对工业的影响的最惊人的例子之一可见于煤衍生物方面。煤除了提供焦炭和供照明用的宝贵的煤气外，还给予一种液体即煤焦油。化学家在这种物质中发现了真正的宝物——种种衍生物，其中包括数百种染料和大量的其他副产品如阿司匹林、冬青油、糖精、消毒剂、轻泻剂、香水、摄影用的化学制品、烈性炸药及香橙花精等。

工业革命的第二阶段也以大量生产的技术的发展为特点。美国在这一方面领先，就像德国在科学领域中领先一样。美国拥有的某些明显的有利条件可说明它在大量生产方面居首位的原因：巨大的原料宝库；土著和欧洲人的充分的资本供应；廉价的移民劳动力的不断流入；大陆规模的巨大的国内市场、迅速增长的人口以及不断提高的生活标准。

大量生产的两种主要方法是在美国发展起来的。一种方法是制造标准的、可互换的零件，然后以最少量的手工劳动把这些零件装配成完整的单位。美国发明家伊莱·惠特尼就是在19世纪开始时用这种方法为政府大量制造滑膛枪。他的工厂因建立在这一新原理的基础上，引起了广泛的注意，受到了许多旅行者的访问。在惠特尼之后的数十年间，机器被制造得愈来愈精确，因此，有可能生产出不是几乎相同而是完全一样的零件。

第二种方法出现于20世纪初，是设计出“流水线”。亨利·福特因为发明了能将汽车零件运送到装配工人所需要的地点的环形传送带，获得了名声和大量财产。

一天，一个汽车底盘给缚在一根钢索上，当绞盘将钢索拖过工厂时，6名工人沿钢索进行了一次长250英尺的历史性旅行；他们边走边拾起沿途的零件，用螺栓使它们在汽车底盘上固定就位。实验做完了，但产生一个困难。上帝造人不象福特制造活塞环那样精确。装配线对个子矮小的人来说，太高，对身材高大的人来说，太低，结果是劳而无功。

于是，进行更多的实验。先升高装配线，接着又降低装配线，然后试行两条装配线以适合高矮不同的人；先增加装配线的运行速度，再减低装配线的运行速度，然后做各种试验以确定一条装配线上需安置多少人、每道工序应相隔多远、是否要让上螺栓的人再上螺帽、使原先上螺帽的人有时间将螺帽上紧。终于，为每个汽车底盘上的装配而规定的时间从18小时28分钟缩短到1小时33分钟，世界有可能得到新的、大量的T型汽车；随着工人成为其机器上的更为有效的轮齿，大量生产进入了一个新阶段。

然后，借助于先进的机械设备，对大堆大堆的原料的处理作了改善。大量生产的这种方法也是在美国得到改善的，其最好的例子见于钢铁工业。以下这段对制造铁路钢轨的过程的描述，说明了这种方法：

钢铁工业在一个巨大的地区范围里发展了这种……连续生产……。铁矿石来源于梅萨比岭。蒸汽铲把铁矿石舀进火车车厢；车厢被拖运到德卢斯或苏必利尔，然后进入某些凹地上方的码头，当车厢的底部向外翻转时，车厢内的铁矿石便卸入凹地；滑运道使铁矿石从凹地进入运矿船的货舱。

在伊利湖港，这矿船由自动装置卸货，矿石又被装入火车车厢；在匹兹堡，这些车厢由自动两卸车卸货，倾卸车把车厢转到自己的边上，使矿石瀑布似地落入箱子；上料车把焦炭、石灰石和这些箱子里的矿石一起运至高炉顶部，将它们倒入炉内。于是，高炉开始生产。从高炉里，铁水包车把仍然火热的生铁转移到混轶炉，然后再转移到平炉。就这样，实现了燃料的节约。

接着，平炉开始出钢，钢水流入巨大的钢水包，从那里，再流入放在平板车上的铸模，一辆机车把平板车推到若干凹坑处，除去铸模后赤裸裸地留下的钢锭就放在这些凹坑里保温，直到扎制时。传送机把钢锭运到轧机处，自动平台不时地升降，在轧制设备之间来回地抛出所需形状的钢轨。由此产生的钢轨具有极好的形状，如果有少许偏差，就会被抛弃。

电动起重机、钢水包、传送机、自动倾卸车、卸料机和装料机使从矿井中的铁矿石到钢轨的生产成为一件不可思议地自动的、生气勃勃的事情。

从纯经济的观点来看，这一规模的大量生产所意味的东西，从钢铁大王安德鲁·卡耐基的以下这番无可非议的大话中可觉察出来：

从苏必利尔湖开采两磅铁石，并运到相距900英里的匹兹堡；开采一磅半煤、制成焦炭并运到匹兹堡；开采半磅石灰，运至匹兹堡；在弗吉尼亚开采少量锰矿，运至匹兹堡——这四磅原料制成一磅钢，对这磅钢，消费者只需支付一分钱。

科学和大量生产的方法不仅影响了工业，也影响了农业。而且，这又是发生在科学应用方面领先的德国和大量生产方面领先的美国。德国化学家发现，若要维持土壤的肥力，就必须恢复土壤中被植物摄取的氮、钾和磷。

最初，是利用天然肥料来达到这一目的，但是，将近19世纪末时，天然肥料让位于形式上更纯粹的、必需的无机物。结果，无机物的世界性生产大大增长，在1850至1913年间，硝酸盐、钾碱和过磷酸钙的产量从微不足道的数量分别上升到899800公吨（其中四分之三用于制肥料）、1348000公吨和16251213吨。

第三次：20世纪后半期，约在第二次世界大战之后。（人类进入科技时代，生物克隆技术的出现，航天科技的出现，欧美有称为21世纪系统与合成生物学将引发第三次工业革命，也即生物科技与产业革命）。

21世纪的生物科技与产业革命。

美国引发的金融危机波及全球，既是危机，也是机遇。产业模式或产业结构转型，往往是新经济新产业时代特征，技术革命带来的是产业革命。自从英国中西部启动的第一次工业革命，欧美几乎同期发生的第二次工业革命，社会产业结构的形成与经济的增长又发展到了一个新的历史时期。

20世纪科技方法论从实证分析向系统综合转型，人工智能、微电子技术的发展，导致了电脑、电讯等信息产业革命（即信息革命、资讯革命），带来基因组计划、生物信息学的发展。 综合哲学，远在系统科学诞生之前已形成，19世纪未和20世纪初斯宾塞的综合(synthetic)哲学、罗素的哲学分析与综合、怀德海的有机哲学等。

20世纪80年代末90年代初，中国科学哲学届讨论了综合哲学、系统科学与传统医学、中国哲学，中国科学院曾邦哲（杰）20世纪90年代阐述系统生物工程与系统遗传学的概念，1999年在德国创建系统生物科学与工程网（英文）。2000年美国L.Hood、日本H.Kitano等建立系统生物学研究机构。

2003年美国J.Keasling成立基于系统生物学的遗传工程-合成生物学系。2005年法国F.Cambien和L. Tiret论述动脉硬化研究的系统遗传学观念。随后全球爆炸性地走向了电脑科学与生物科学整合的科技与产业发展态势，将带来21世纪的细胞制药厂与细胞计算机的生物工业化时代，欧美国家科技决策机构纷纷制定教育、科研、产业改革政策，中国出台了基因生物技术、系统医药学开发中医药产业现代化的重大立项与决策。

2007年6月，英国皇家工程院生物医学与生物工程学部主席R. I. Kitney院士称：“系统生物学与合成生物学偶合，将产生第三次产业（industrial）革命”，颠覆计算机、纳米、生物和医药等领域的技术与产业变革，即生物工业革命。

21世纪的整个产业结构，将转型为系统生物工程的生物(化学)物理联盟工业模式，也就是生态、遗传、仿生和机械、化工、电磁的工程应用整合的材料、能源、信息产业，体现为机器的生物系统原理(进化、遗传计算)、生物材料(纳米生物分子、工程生物材料)和基因工程生物体等。

计算机科学理论源自动物通讯行为、神经系统的控制论、信息论研究；细胞内、细胞间通讯行为的探索，导致了系统生物科学与工程发展，将形成未来的材料、能源与信息全方位生物产业。