行走在18世紀20年代的英國原野上，人們會對眼前的景色大吃一驚：中世紀英國鄉(xiāng)村那種一望無垠的田園風光已然一去不返，大地上出現(xiàn)了無數(shù)大大小小的挖煤礦坑。

一些煤礦還使用一種冒黑煙、吐白氣的奇怪機器，推動著形狀像蹺蹺板的抽水機日夜不停地上下做功，把礦坑里的積水抽出地面，使得原先碧綠平坦的原野變成一個到處污泥濁水、坑坑洼洼的大工地。

從木材到煤炭

這種變化是從16世紀早期開始的。從那時起，英國經(jīng)歷了長達二百余年的經(jīng)濟增長，人口不斷增加，海外貿(mào)易和戰(zhàn)爭規(guī)模不斷擴大，整個國家欣欣向榮。

然而，木材不足的陰影始終威脅著這一片繁榮景象：人口和制造業(yè)的增長需要越來越多的木材作為生產(chǎn)、生活的原料和燃料，迅速消耗了原先遍布英國各地的大片森林。到16世紀晚期英國已經(jīng)出現(xiàn)了“木材危機”。

木材短缺造成木頭價格高漲，嚴重影響了英國人的日常生活，他們不得不尋找一種替代的燃料做飯取暖，冶鐵煮鹽。

在英國，替代木材的燃料是現(xiàn)成的：煤炭。英國是世界上煤炭儲量最豐富的國家之一，它的煤不僅質(zhì)量好，而且埋藏較淺、易于開采；八大礦區(qū)遍布英國各地，到處都能以便宜的價格買到煤炭。英國人很早以前就發(fā)現(xiàn)了煤炭可以作為燃料使用，但是煤炭燃燒時會發(fā)出刺鼻的氣味，留下難以清掃的粉塵，嚴重破壞室內(nèi)環(huán)境、影響人體健康，人們對它敬而遠之。

16世紀以后隨著木材稀缺、價格高漲，人們已經(jīng)顧不得燒煤禁令，紛紛改用便宜的煤炭生火，同時煙囪的應(yīng)用大大改善了室內(nèi)燒煤的條件，把煤煉成焦炭用于冶煉金屬的技術(shù)也逐漸成熟，使得煤炭迅速成為英國人生產(chǎn)、生活的主要燃料，普及開來。煤炭需求的迅猛增長推動了英國采煤業(yè)蓬勃發(fā)展。

《魯濱遜漂流記》的作者笛福在倫敦看到煤炭已經(jīng)堆積成山，運煤船在泰晤士河上來回穿梭運送不停，不禁感慨“他們不會是掏空了整個國家吧”“哪里的人能用完這么多煤呢？”

煤礦挖過地下水位之后，地下水不斷涌入礦坑造成礦內(nèi)積水，甚至會淹沒整個礦坑，導致停工停產(chǎn)。17世紀初，英國盛產(chǎn)煤炭的紐卡斯爾地區(qū)的礦主驚慌地向國會報告說，由于煤礦滲水問題越來越嚴重，紐卡斯爾的煤礦再過20年就會被地下水完全淹沒。

從水車到蒸汽機

為了解決排水問題，人們絞盡腦汁想出各種辦法。17世紀早期，人們把原先澆灌農(nóng)田用的工具——鏈式水車拿來給礦坑排水，使得采煤作業(yè)的深度能夠超過地下1000多米，于是開始大規(guī)模應(yīng)用。但問題是：使用成本太高。使用人力驅(qū)動水車，需要支付的工資將是一筆天文數(shù)字，使用畜力進行驅(qū)動同樣花費不菲。

如何才能讓水車不分季節(jié)、不分氣候地有效運轉(zhuǎn)呢？有人指望發(fā)明一種能夠不借助外力連續(xù)運轉(zhuǎn)的“萬能機”解決這一難題，但這是徒勞的，解決礦坑排水難題需要真正科學的助力。

1643年，伽利略的學生托里拆利用水銀代替水進行試驗，成功地在玻璃管中造出真空，由此證實空氣有重量，發(fā)現(xiàn)了氣壓。

托里拆利的試驗結(jié)果翻越阿爾卑斯山傳播到北歐，引起各國科學家的濃厚興趣。在英國，科學家波義耳對空氣壓力進行了科學的分析，1662年提出了著名的波義耳定律：理想氣體的壓力與體積成反比。至此，人們對于空氣乃至一切氣體的壓力性質(zhì)已經(jīng)具備了比較科學的認識。

法國科學家帕潘曾經(jīng)擔任波義耳的助手，他利用液體沸點隨氣壓升高而升高的原理，于1679年發(fā)明出世界上第一臺高壓鍋。

帕潘由此構(gòu)思出蒸汽機的工作原理，并于1690年發(fā)表。之后帕潘試想了多種在實踐中運用蒸汽機的方式，比如推動船只、發(fā)射炮彈等，都沒有獲得成功，他本人于1712年在窮困潦倒中去世。

英國軍隊工程師薩弗里是把氣壓原理與礦坑抽水聯(lián)系在一起的第一人。薩弗里注意到家鄉(xiāng)德文郡煤礦的排水難題，于是借鑒帕潘的蒸汽機原理發(fā)明了一種抽水機，取名為“礦工之友”，1698年取得專利。但是這種抽水機控制閥門全靠手工，操作復雜、使用不便，抽水高度有限，安全性堪憂，只能作為自然力抽水機的補充，沒有獲得推廣。