一 第二次科技产业革命即电力革命简史

如前所述，社会经济活动前提和结果是获得物质、能量与信息。与第一次科技产业革命即蒸汽革命相比，第二次科技产业革命即电力革命给人类提供了比蒸汽能更强劲也更清洁的能源，它使人类生产物质产品的能力极大提升。与此同时，电报电话的广泛使用使人类传递信息的手段有了革命性的进步——从理论上讲，以电力为载体的语音和文字等信息传播速度可与光速等同，使用电报电话来传递信息的速度是使用蒸汽机车和轮船望尘莫及的，通信技术的革命强化了电力广泛运用于社会生产和人类交往的威力，人类社会的物质生产和生活就此摆脱延续几千年的匮乏而进入一个总体丰裕的时代。

19世纪以前，人们对电的认识极为有限。1820年丹麦物理学家奥斯特和法国物理学家安培发现电流的磁效应。十多年后，法拉第等人又发现了电磁感应现象。在这个世纪的前半叶，电磁学理论得到了巨大的发展。与此相呼应，工程技术专家敏锐地意识到电力技术对人类生活的意义，纷纷投身于电力开发、传输和利用方面的研究，推出了一个前人从未想过的电气时代。电是人类面临的一种前所未有的新型的能量。所谓电力革命指的是，新兴的电能开始作为一种主要的能量形式支配着社会经济生活。电能的突出优点在于，它是一种易于传输的工业动力，同时，它又是极为有效可靠的信息载体。因此，电力革命主要体现在电力传输与信息传输两方面。与动力传输系统相关联，出现了大型发电机、高压输电网、各种各样的电动机（马达）和照明电灯。与信息传输相关联，出现了电报、电话和无线通信。这些伟大的发明使人类的生活进入了一个更光明、更美好的新时期。[51]

电力革命有两条线索交织演进，首先推进的是：发电机和电动机从实验室走向生产领域。你追我赶，不断相互启迪，持续改进，最后迈向实用——为社会生产生活提供新型能源和照明的过程。同步展开的是：与电能为物质载体的电报电话通信——从有线发展到无线。

（一）如何获取电能？从发电机、电动机到直流输电和交流输电

电力革命的核心是获取电能的技术革命。意大利物理学家亚历山大·伏特（Alessandro Vlota，1745—1827）于1800年发明的“伏特电池”[52] 为日后的科技创新奠定了基础电能。

1831年美国物理学家亨利用一块电磁铁居然吸起来一吨重的铁，令世人为之震惊。1834年内，德国物理学家雅可比采用电磁铁做转子，研制成了第一台实用的电动机。1838年，他将这台经过进一步改进的电动机装在一艘小船上，成功进行了航行。1850年，美国发明家佩奇制造了一台10马力的电动机，并准备用来驱动有轨电车。这些早期的电动机都是由“伏特电池”提供直流电。然而，这种电池极为昂贵，用它做电源的电动机毫无商业价值，“有人计算过，1850年的电能要比蒸汽能贵25倍。这也促使人们寻找伏特电池之外的电能来源”[53]。

电磁感应理论告诉人们，动磁可以生电。1832年，法国发明家希波吕忒·皮克西（Hippolyte Pixii，1808—1835）成功制造一台手摇发电机，其转子为永磁铁，可以输出直流电。不过，电流极弱，无实用价值。1857年，英国电学家查理·惠斯通（Charle Wheatstone，1802—1875）用电磁铁代替永磁铁，发明了自激式发电机。但这台自激式发电机中的电磁铁靠的是“伏特电池”励磁，本质上还不是自激，而是他激。这种发电机既笨重又不经济。真正的自激式在于将发电机本身所产生的电流用来为自身的电磁铁励磁，它的发明者是德国工程师维尔纳·冯·西门子（Ernst Werner von Siemens，1816—1892），1867年他制造了第一台自馈式发电机，使发电机的发电量大大提高。由于不使用“伏特电池”，发电机本身也变得轻巧。自此以后，电能开始易于生产而且变得廉价而受到人们青睐。与蒸汽机比，电动机械的体积小、噪声小、无污染。到了1880年左右，电动机已经被大量运用于各行各业，对电的需求剧增，直流电机的局限日显，远距离供电成为难题。

19世纪60年代，电器开发热席卷美国引发了“发明大王”托马斯·阿尔瓦·爱迪生的关注，他的天才加勤奋以及洞察商机的独到眼光使其在电能运用领域推出一系列重大发明而享誉世界。经过上千次试验失败，1879年10月22日，这是一个载入史册的日子，爱迪生终于研制出用碳化棉丝做发光材料的真空白炽灯，此前他用了1600 种材料进行试验。这是人类第一盏有广泛实用价值的电灯，它足足亮了45个小时，爱迪生的电灯注定要取代人类使用了数千年的蜡烛以及使用上百年的煤气灯。这种电灯有“高阻力白炽灯”“碳化棉丝灯”等多种名称。这一年的圣诞夜，爱迪生用他发明的电灯照亮了新泽西州洛帕克的主要街道。1880年，爱迪生研制出使用日本竹子烧制碳化灯丝，可持续点亮电灯1000个小时。1881年，在巴黎世博会上，爱迪生展出一台重27吨、可供1200只电灯照明的发电设备，引发世人震惊。到1882年，爱迪生已经在纽约建成了世界上规模最大的电力系统，他的直流发电机规模达到600多千瓦，为几千用户提供照明用电。这些用户中，最著名的当数大名鼎鼎的美国银行家和投资家、摩根银行创始人约翰·皮尔庞特·摩根（John Pierpont Morgan，1837—1913），他同时也是爱迪生电力公司的投资人。1882年秋季，“当纽约的社交季节开始时，这位华尔街金融老板的家中已经装上了385盏灯，它们照亮了房间的每个角落”。摩根在他的豪宅里大宴宾客招待商界名流，他成为他投资的爱迪生公司最好的广告代言人。在其影响下，“加利福利亚的金矿大亨达里厄斯·奥格登·米尔斯（Darius Ogden Mills）和他的女婿，《纽约每日论坛报》（New York Daily Tribune）的出版商怀特洛·里德（Whitelaw Reid），就立刻和爱迪生电力公司联系，要求将他们的房子也通电”。米尔斯更是第二天就赶往摩根公司，“命令他的经纪人立刻购买了1000股爱迪生公司的股票”[54]。

电灯的发明以及为此发明所做的重要推广，可能是爱迪生一生中最重要的成就。正是他独立建立的电力系统为后来各国的电力建设提供了示范，推动了电力事业的发展。因此，人们常说，爱迪生创建的配套的供电系统设置比他发明的电灯还要重要、还要伟大。在电灯的带动下，其他电力产业也成长起来。供电系统以及开关、灯座、灯具、电线、配电盘等电力用料陆续取得市场，爱迪生的发明极大地推进了电力工业的发展。[55]

1882年法国物理学家马赛尔·德普勒（Marcel Deprez，1843—1910）在德国工厂主的资助下，建成世界上第一条远距离直流输电线路。该线路将米斯尼赫水电站的直流电发电机与慕尼黑博览会的一台电动水泵相连，全长57公里。“使用时，始端电压为1343 伏，末端电压为850 伏，输电功率不到200瓦。损耗达78%。德普勒的试验，既雄辩地证明了远距离输电的可能性，也充分显示了直流电在远距离输电中的局限性。”[56]这样的严重损耗，电流到了线路末端，往往连电灯泡都点不亮。

直流电供电的局限（如距离有限、要损耗大量的铜做导体因而成本较高等）是电力工业发展的瓶颈。爱迪生第一批发电站缺陷明显，因为是直流输电，“以致发电厂输送电力的距离最远不超过一英里。如果这种状况继续下去，那么除了大城市以外——那里，消费者高度集中在有限的范围内——别的地方可能得不到电力”[57]。“爱迪生的直流中心电站的物理局限是显而易见的：小型直流中心电站供电区域仅限于一英里方圆内和独立工厂，如灯火通明的摩根豪宅和其他许多工厂、办公楼，而这对将来的用电需求是远远不够的。”[58] 在爱迪生实验室工作的塞尔维亚裔电气工程师尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla，1856—1943）（出生于时属奥匈帝国的克罗地亚）意识到这一点并致力于交流发电机的研制，但爱迪生坚持直流电比交流电更安全（不会因为漏电造成人畜伤亡），因而更好。因科学理念的分歧且研制工作受到爱迪生的阻扰，1886年，特斯拉离开爱迪生的公司创建了“特斯拉电灯与电气制造公司”开始研究交流电并负责安装特斯拉设计的弧光照明系统，他成为爱迪生最大的竞争对手。同年，特斯拉成功设计出交流发电机的电力系统整流器——这是他的第一个专利，能大大降低远距离输电的电力损耗，同时降低导线成本的难题。此后，卓有眼光的企业家乔治·威斯汀豪斯（George Westinghouse，1846—1914）和他创办的西屋电气公司（Westinghouse Electric）充当了直流电输电技术的终结者，他买下了特斯拉的交流电专利并建成了世界上第一个交流发电站，特斯拉和西屋电气公司最终赢得了全球科学界和产业界瞩目的“电流之战”[59]。因此杰出贡献，1891年特斯拉入籍成为美国公民并担任美国电力工程师协会（IEEE的前身）的副主席（1892—1894）。特斯拉的发明很快得到推广。“1891年，三相交流发电、三相异步电动机以及变压器均已发明出来并投入使用。这一年，在德奥地区建成世界上第一个三相交流输电系统。奥地利劳芬水电站发出的三相交流电经升压通过170公里的线路，传到德国法兰克福的变电所降压，再供给法兰克福正在举办的国际工业博览会照明，其输电效率达80%。”[60] 这是传统的直流输电技术无法比拟的成就。特斯拉的交流发电机的专利被爱迪生的竞争对手、半路杀进电力市场的“黑马”西屋电气公司收购并由西屋电气授权给汤姆森·豪斯顿（Thomson Hauston）电力公司使用，爱迪生将面临两个强大对手的竞争压力。

19世纪末，特斯拉发明的交流电远距离输电技术全面取代了直流电而成为民用和工业领域的主要供电形式，交流电遂成为全球发电和输送电力的标准。“有了远距离传输电能之后，电力无可比拟的优越性就充分显示出来了。电力可以大规模集中生产，然后通过高压线传送到一切需要电的地方。电能可以充分转化为各种各样的能量形式，以满足生产和生活各方面的需要。电能转化效率很高，易于管理和控制，因此许多其他形式的能量，如煤、石油、原子能、水能、风能等都可以先转化为电能这种二次能源，再投入使用。”[61]

输掉“电流之战”的爱迪生也输掉了市场和亲手创建的公司，固执坚守直流发电、供电的爱迪生电气公司渐渐丧失市场份额，加之1890年英国主要投资机构巴林兄弟银行破产引发美国资本市场动荡，众多公司财务状况急剧恶化，爱迪生的公司也危机重重。于是，1891年，在美国金融巨头摩根的主导下，爱迪生通用电气公司与汤姆森·豪斯顿（Thomson Hauston）电力公司合并（摩根同时是两家公司的控股股东），去掉了“爱迪生”，更名为“通用电气公司”，爱迪生失去对公司的影响力，此事对爱迪生打击甚大。随后，伤感的爱迪生将所持股份悉数卖出，彻底离开电力行业，转向新的领域继续其“发明大王”的辉煌。

（二）如何利用电能进行通信？电报和电话研发简史

因为电流能够以光速流动的特性，研发以电为载体的通信机器一直是发明家关注的焦点。19世纪30年代，由于铁路迅速发展，迫切需要一种不受天气影响、没有时间限制又比火车跑得快的通信工具。此时，发明电报的基本技术条件（电池、铜线、电磁感应器）也已具备。1837年，英国科学家约翰·库克（John Cooke）和查理·惠斯通（Charle Wheatstone，1802—1875）设计制造了第一个电磁电报机，并于次年申请了首个电报专利。这种有线电报很快在铁路通信中获得了应用，其特点是电文直接指向26个字母符号。

能够广泛运用的电报机的发明者是美国画家塞缪尔·莫尔斯（Samuel Morse，1791—1872），他被誉为“美国的达·芬奇”。莫尔斯的突破首先从简化26个字母传递的方式开始，他用点、横线和空白共同承担起发报机的信息传递任务。他为每一个英文字母和阿拉伯数字设计出代表符号，这些代表符号由不同的点、横线和空白组成，大大简化了电报系统。这是电信史上最早的编码。后人称它为“莫尔斯电码”。有了电码，莫尔斯马上着手研制电报机。

1837年9月4日，莫尔斯制造出了一台电报机并获得专利。它的发报装置很简单，是由电键和一组电池组成。按下电键，便有电流通过。按的时间短促表示点信号，按的时间长些表示横线信号。它的收报机装置较复杂，是由一只电磁铁及有关附件组成的。当有电流通过时，电磁铁便产生磁性，这样由电磁铁控制的笔也就在纸上记录下点或横线。这台发报机的有效工作距离为500米。之后，莫尔斯又对这台发报机进行了改进。

为了检验发报机的性能，莫尔斯计划在华盛顿与巴尔的摩两个城市之间，架设一条长约64公里的线路。他个人无力承担巨额的研发费用，为此，他请求美国国会资助3万美元，作为实验经费。国会经过长时间的激烈辩论，终于在1843年3月，通过了资助莫尔斯实验的议案。作为项目负责人，莫尔斯一年可以得到2500 美元的报酬，这个不错的报酬缓解了莫尔斯拮据的经济状况。1843年5月24日，莫尔斯坐在华盛顿国会大厦联邦最高法院会议厅中，用激动得发抖的手，向40 英里以外的巴尔的摩城发出了历史上第一份长途电报。从华盛顿国会大厦里，莫尔斯用他倾注十余年心血研制成功的电报机，向巴尔的摩发出了人类历史上的第一份电报：“上帝创造了何等奇迹！”是时，民主党的全国代表大会正在巴尔的摩召开，会议决定的总统候选人名单很快由莫尔斯的发报机传到了华盛顿，震动美国朝野。

在莫尔斯的示范下，美国各地掀起了建设电报线路的热潮。从此，电报由实验室进入了实用阶段。由于电报通信明显的优越性，各国起而效之。1846年，英国成立了第一家电报公司。在一个不长的时间内，欧洲各大城市均办起了电报公司。随着社会经济的发展，国际电报事业也提上了日程。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信。1856年，更长的海底电缆在大西洋底铺就，英美之间也建立了电报通信网。电报的出现宣告了通信与邮政的分家，也宣告了“瞬间通信”时代的到来。莫尔斯已经预见到了地球村的出现。他说：“不久大地将遍布通讯神经，它们将以思考的速度把这片土地上的消息四处传播，从而使各地都成为毗邻。”电报的电脉冲传遍全美各地，就像动物神经一样。确实，通信网成了现代社会的神经网络，如同交通成为社会的大动脉一样。[62]

莫尔斯发明的电报在铁路沿线得到广泛运用，所有铁路沿线都架设了电报线，每个车站都设有电报局，发报员成为最体面的职业。“1852年，全国已经有23000 英里的电报线。1870年，电报线将全国所有城镇都连接起来。”[63]

电报的普及促使发明家们进一步思考如何利用电流传播人的声音和语言。美国发明家亚历山大·格拉汉姆·贝尔（Alexander Graham Bell，1847—1922）于1876年2月成功制造出第一部可以进行语音通信的电话并获得了专利，1877年贝尔成立了日后美国电话通信业的垄断巨头贝尔电话公司，是年，已经有许多报社开始用电话传发电讯稿。1877年，爱迪生发明炭精话筒，大大改进了通话质量，也加入到电话业的竞争中去。像其他新兴发明一样，电话机很快投入市场并迅速普及。1880年，美国的电话用户达到5万家。1889年美国人阿尔蒙·斯特罗格（Almon Stroger）发明了“自动拨号电话”，取得了一项电话自动交换的技术专利，取代了人工交换的落后方式。20世纪初，随着三极管的发明，远距离通话的保真问题得以解决。

有线电报电话必须依赖于固定线路，造价高、机动性差，这极大地制约了其发展。无线通信的设想顺理成章成为发明家们亟待突破的领域，敏感的发明家们已经意识到电磁波可以用于无线电通信。1895年意大利工程师伽利尔摩·马可尼（Guglielmo Marconi，1874—1937）成功实现了1 英里远的无线电通信，由于得不到来自政府或者投资人良好的支持，1896年马可尼携带着自己的无线电通信装置到了英国寻求更好的研发环境和商机，他于1896年末取得了世界上第一个无线电报系统专利，并着手将自己的发明付诸商业化，1897年成立了“无线电报及电信有限公司”，同年改名为“马可尼无线电报有限公司”。之后，马可尼不断改进其收发报机使得通信距离在1898年增加到18英里。1899年他建立起了跨越英吉利海峡的法国和英国之间的无线电通信。1900年马可尼的“调谐式无线电报”技术获得英国政府颁发的“第7777号专利”。1901年12月的具有历史意义的一天，他决定用他的发报系统证明无线电波不受地球表面曲率的影响，第一次使无线电波越过了英国康沃尔郡的波特休和加拿大纽芬兰省的圣约翰斯之间的大西洋，距离为2100英里（3381公里），此举轰动了世界。1909年马可尼因为其卓越的发明而荣获诺贝尔物理学奖。

与马可尼的发明几乎同时问世的是俄国物理学家亚历山大·波波夫（Alexander Popov，1869—1906）于1895年5月独立发明了无线电通信设备并装备到俄国军舰上。“实际上，波波夫从事无线电发明工作比马可尼还早一点，但马可尼比较幸运地得到了英国政府（他的祖国意大利也不太支持他的发明，所以他去了英国）的大力支持，比较早地得到了专利和公众的认可，而波波夫在经济落后的俄国没有受到相应的重视，因而影响较小。”[64] 第二次科技产业革命即电力革命意义非凡。早在1850年，“马克思就预言：自然科学正在准备着一次新的革命。蒸汽大王在前一世纪中翻转了整个世界，现在它的统治已到末日，代之而起的是更大的革命者：电力的火花。它的后果是不堪估计的”[65]。这场革命是资本主义进化史上科学技术“资本化”的深化期，它全面加深了源起于英国的“科学技术资本化”，使得科学技术与资本的结合更上层楼，既促进了科学技术革命大发展又推动美国资本主义生产力大爆发并使美国后来居上，成为资本主义世界第一工业强国。探索个中缘由必须解答一个重要问题：“‘科学技术资本化’何以深化于美国？”