大家好，我是龙笑生。为什么说“工业革命”一词既相当具有吸引力，又有误导性？通过与电子产品的不断融合，现代制造业发生了哪些变化？敬请关注“四叶草堂”，今天继续分享《能量与文明》一书的精彩部分。
大量相互关联的变化构成了工业化进程的关键要素，且在这个进程的每一个尺度上都是如此。到目前为止，工厂车间里最重要的变化是为单个机器提供动力的电动机的使用。它替代了通过皮带和动力轴传递蒸汽机动力的中央驱动装置，从而实现了精确和独立的控制。但如果没有用来生产优良机器和成品部件的高速工具和更高质量的钢材，即使是这种根本性的变化也只能带来有限的影响。
与流行观点相反，由蒸汽机带来的燃煤热量和机械动力的增长，对于启动复杂的工业化变革其实并不是必需的。基于便宜的农村劳动力、服务于全国乃至国际市场的乡村车间和小作坊制造业，在燃煤驱动的工业化开始之前已经延续了数代人的时间。这种“原工业化”(proto-industrialization)不仅在欧洲部分地区（阿尔斯特、科茨沃尔德、皮卡第、威斯特伐利亚、萨克森、西里西亚等）有一定规模，在明清时期的中国、德川时期的日本，以及印度部分地区，也出现了面向国内和出口市场的大量手工制造业。一个著名的例子是使用渗碳工艺加工熟铁生产印度乌兹钢，它最有名的产品形式是大马士革刀。在印度的一些地区（拉合尔、阿姆利则、阿格拉、斋浦尔、迈索尔、马拉巴、戈尔康达），它几乎是以工业化规模的产量出口到波斯和土耳其帝国的。“工业革命”一词既相当具有吸引力，在我们的观念里根深蒂固，又有误导性。工业化进程是一个渐进的、往往不均衡的发展过程。即使在某些从家庭手工业迅速向集中大规模生产（以供应更远的市场）转变的地区，情况也是如此。关于这些变化的虚假的准确时间点忽视了整个过程的复杂性和实际的演化本质。即使是与英国的工业化历程最接近的比利时，也有其独特的发展道路。与英国相比，比利时的工业化进程在冶金方面要重要得多，对纺织业的重视程度则要低得多。关键的国家特质导致了迥异的工业化模式。法国注重水力发展，美国和俄罗斯长期依赖木材，日本则有着细致工艺的传统。煤和蒸汽最初并不是工业化的革命性因素。慢慢地，它们才以前所未有的程度和可靠性来提供热和机械能。
一旦有了煤和蒸汽动力的推动，传统制造商就能以更低的成本生产更多的优质产品。这一成就是大众消费必要的先决条件。廉价而可靠的机械能供应，确保了加工工艺变得越来越复杂。反过来，这又导致零件、工具和机器的制造开始变得更复杂和更专业。那些以煤、焦炭和蒸汽为动力的新产业形成后，便以前所未有的速度为国内和国际市场供应货物。1810年后，高压锅炉和管道开始投入制造。1830年后，铁路、机车和货车产量迅速增加。水轮机和螺旋桨的产量则在1840年后开始增长。1850年后，钢铁船体和海底电报线缆有了巨大的新市场。生产廉价钢材的商业方法——先是1856年之后的贝塞麦转炉，然后是19世纪60年代的“西门子—马丁”平炉，创造了更大的新兴制成品市场，从餐具到铁轨、从铁犁到建筑横梁等。
据估计，2013年全球钢铁生产至少需要35EJ的燃料和电力，占全世界初级能量供应总量的不到7%。因此，钢铁业是全世界能量消耗最大的工业领域。相比之下，其他所有工业的能耗总和为23%，交通运输为27%，住宅用途和服务业为36%。但如果钢铁行业的能量消耗强度与20世纪60年代保持一致，那么2015年该行业将至少消耗全世界初级能量供应总量的16%。
当蒸汽机因电气化而黯然失色，一个全新的工业化时代便随之来临了。电是一种更好的能量形式（不仅在与蒸汽动力相比时如此）。只有电可以即时轻松地接入，且能非常可靠地为每一种消费（飞行除外）提供服务。只需拨动开关，我们就能将电转换为光、热、动能或化学能量。电流易于调节，因此实现了前所未有的精度、速度和过程控制。此外，它的消耗过程是洁净而无声的。只要正确布线，电力适用的场景几乎可以无限增长，也可以有无数种形式。此外，它还不占库存。由于电力有着这些属性，工业电气化成了一种真正的革命性转变。1899—1929年，美国制造业的机械总装机功率增长了约3倍，工业电动机的容量增长了近60倍，提供了82%以上的可用功率。而在19世纪末，这一份额还不到5%。在此之后，电力的份额变化不大，也就是说，从19世纪90年代后期开始，电动机只用了30年就基本取代了蒸汽动力和直接由水力驱动的装置。这种高效又可靠的单元动力供应的影响远不只消除了头顶杂乱的管道（和由之而来的不可避免的噪声与事故风险）。传动轴的拆除解放了天花板，后者因此得以安装更好的照明和通风系统，并使工厂的设计更灵活，更容易扩展。电动机的高效以及在更好的工作环境中的精确、灵活和独立的动力控制，最终大大提高了劳动生产率。
电气化还创造了大量的专门产业，一开始是灯泡、发电机和输电线的制造（1880年以后），之后是蒸汽轮机和水轮机的生产（1890年以后）。1920年后诞生了燃烧粉状燃料的高压锅炉；使用大量钢筋混凝土的巨型水坝也在10年后开始建造。1950年后，各地普遍开始安装空气污染控制设施。第一座核电厂于1960年前投入生产。从20世纪30年*开代**始，对于种类越来越多的塑料的合成和塑造以及最近一类新的复合材料（特别是碳纤维）的推出，电力都是必不可少的。这些材料的能量成本约为铝的三倍，其最大的商业用途是在商业飞机制造中替代铝合金：最新的波音787按体积计算，约有80%由复合材料组成。在19世纪80年代，冶铝的具体电力消耗超过了每吨5万千瓦时，后来霍尔—埃鲁工艺的稳步改进使这一比率到1990年降低了2/3以上。铝的用途的扩大起初是由航空业的发展推动的。20世纪20年代后期，金属机身取代了木材和布料制作的机身。之后，第二次世界大战期间建造战斗机和轰炸机的需求使得对铝的需求急剧增加。自1945年以来，只要哪个领域的设计同时需要材料的轻便和高强度，铝和铝合金就会在这个领域替代钢铁。这些应用场景包括汽车、铁路用漏斗车和宇宙飞船。但需注意一点，新型轻质钢合金在这些市场也能起到作用。自20世纪50年代以来，钛已经在高温应用场景中（特别是超音速飞机）取代了铝。不过，钛生产的过程能量密集度至少是铝的三倍。
尽管在一个专注于最新电子技术进步的社会，大规模量产金属的根本重要性经常被人们忽视，但毫无疑问，通过与现代电子产品的不断融合，现代制造业已经发生变化。二者的结合，带来了前所未有的精确控制和灵活性，极大地丰富了可用设计的选择，并改变了营销、分销和绩效监控方式。通用汽车在其国内汽车生产线上使用的发动机控制软件包含约50,000行代码。如今，即使廉价汽车也装有多达50个ECU，一些高端品牌（比如梅赛德斯—奔驰S级轿车）则包含多达100个联网工作的ECU，其软件包含约1亿行代码。相比之下，美国空军的联合攻击战斗机F—35的运行系统只含有570万行代码，波音最新的商用喷气客机787的软件拥有约650万行代码。车载电子系统确实正在变得越来越复杂。但比较代码数量实际上带有误导性。汽车软件之所以臃肿，主要是因为它要兼容豪华车型提供的过多选件和配置，包括与实际驾驶无关的信息娱乐和导航系统；其中有大量重复使用的、自动生成的、冗余的代码。即便如此，对于现在的高端车型来说，车载电子系统和软件成本占到了整车成本的40%：汽车已从单纯的机械器件的集合变成了机电混合设备，每增加一项有用的控制功能（比如车道偏离警告、避免追尾的自动制动或高级诊断），就会带来更多的软件需求，进而增加整车成本。
使用化石燃料的社会产生、储存、分发和使用了比以前多得多的信息。在东亚和现代早期的欧洲，在化石燃料被人使用之前数百年，印刷就已经是一种固定的商业活动。但手工排版比较费力，印刷操作受到缓慢的手动木螺杆印刷机的限制。铁制框架虽然加快了工作速度，然而就算是先进的古腾堡印刷机设计，每小时的印刷次数也不会超过240次。19世纪40年代的第一台轮转印刷机每小时能印刷8,000次。20年后，这一速度达到了每小时25,000次。在大量发行的廉价报纸成为日常信息来源的同时，得益于电报（1838年开始商用）和不到两代人之后的电话（1876年），以及在19世纪结束前出现的两种新的信息通信技术——录音播音技术和录影技术，新闻的传播速度变得更快了。廉价、可靠和真正的全球性电信技术只有通过电才成为可能。在其发展历程的第一个世纪里，信息主要通过电线来传输。随着威廉·库克和查尔斯·惠斯通在1837年首次演示了第一个实用电报系统，各国数十年的实验终于结束了。它的成功取决于1800年问世的伏打电池提供的可靠电力供应。
这些发展的共同基础是固态电子元件的兴起。这种电子元件始于美国发明的晶体管——一种微型固态半导体器件，相当于用以放大和切换电子信号的真空管。第一次成功的实验是由贝尔实验室的两位研究人员沃尔特·布拉顿和约翰·巴丁在1947年12月16日使用锗晶体完成的。正如贝尔系统纪念馆网站所描述的那样，“显而易见的是，贝尔实验室没有发明晶体管，但他们重新创造了它”。无论如何，改变了电子计算的不是布拉顿和巴丁使用的那种粗糙的点接触器件，而是1951年由威廉·肖克利取得专利的更有效的结型场效应晶体管。同年，戈登·K.蒂尔和厄内斯特·布勒成功制造出了更大的硅晶体，并掌握了单晶拉制和硅掺杂的改进方法。随着晶体管取代真空管，新型可编程计算机的计算速度开始呈指数增长。直到20世纪50年代后期，美国的商用计算机市场终于开始发展起来了，仙童半导体公司、德州仪器公司（在1954年售出第一个硅晶体管）和IBM公司是当时最成熟的硬件和软件开发商。
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