改变世界的伟大发明

第1章引言 发明通常被认为是一种能够使生活变得更加美好的新设备或新方法。我们来看看“发明”一词的一些正式定义。《牛津英语辞典》中称：发明可以是一个发现、一种制造工艺、一种新仪器的使用、一种设计或方案、一个凭空想象或一首巴特谱写的乐曲等。 美国专利局规定，申请专利的发明应当具有新颖性、创造性、实用性或具有工业应用条件。发明可以是一些全新的事物，不一定具有创新性，如一些科学发现可能并没有直接的实际应用。美国专利局规定了四种常见发明：①过程或方法；②机器；③制品；④物质成分。一项重大改进可以取得专利，但是，一个想法或建议要申请专利则必须有实际应用的完整描述，需能付诸实施。一项发明获得专利后，其所有人便拥有在若干年内使用该项发明的独占权，如20年。他也可以将此独占权授予其他方获取报酬。如果任何人未与专利所有权人签约，或未向专利所有权人支付报酬便使用此专利，那么专利所有权人可以起诉该人侵害其专利权。在实践中，市场上公开出售的某种专利产品是否受到侵权，是很容易被发现的；但是，某种制成品中是否包含某种专利物质，却不那么容易被发现。如果一个工厂安装了专利机器或设备，但拒绝对外开放，而你又没有搜查证，这种侵权就很难被发现。 我们一般认为，发明会带来一些满足我们物质需求的方法和手段，如食物、衣服、居所等。为了这些目的，我们发明了农具、纺织工具、梁柱和屋顶等。我们的精神需求——知识、真理和正义等美好事物，也得到了发明和技术的支持，包括能够记录、印刷的文字和图画，使得我们能够同万里之外的人或我们的子孙后代交流沟通，等等。基于全新的技术，鲜有像青霉素和晶体管之类的革命性突破和发明。大部分发明是基于现有技术做出改进，使该技术更加有效或变得高效（如硫化橡胶），或是为旧材料找到新用途（如把乙醚用于无痛手术和分娩）。 然而，什么是伟大的发明呢？它应当能使技术得到丰富或发展，增强技术力量，为我们的工作、生活、社会和环境带来好处。我们根据很多标准来评价一项发明，包括：①该技术之于现有技术的创新性；②凭借该技术，我们能够完成以往视为不可能完成的任务，而且还可能有令人欣喜的新发现；③为很多人带来长久的好处。 伟大的发明会带来巨大的突破，开启人类历史的新纪元。让我们想想大约400 万年前居住在东非地区的早期人类，他们没有狮子那样锋利的牙齿来撕裂生肉。石斧是**个伟大发明，它让我们的祖先可以像狮子一样食肉。我们不再仅仅依靠先天拥有的不够强大的牙齿和手脚，因为我们能够发明很多新的功能强大的工具。火的应用使人类发明了烹饪，可以把软化的硬肉和谷物作为食物，令陶瓷技术和冶金技术得以诞生，并使得人类能够在寒冷的北方定居。农业的出现增加了食物供应量，也使人类的食物供应更加稳定，这样，人们便可以定居于村落和城市。蒸汽机为生产和交通源源不断地供给能量，大大提高了生产能力，引发了工业革命。现代环境卫生和微生物理论降低了婴儿死亡率，人们再也不需要生很多孩子以确保其中两个能够长大成人。人类每一代都继承了前一代很多的技术和工具，同时在这些技术和工具的基础上，又发明了更加先进的技术和工具，让下一代受益。 根据杰里米 边沁的“多数人之*大幸福”原则，用于治疗肺癌的药品可以让几百万人受益，比治愈几千人所患的罕见疾病的药品更加重要。另外，边沁还认为，幸福应按强度、持续时间和确定性划分等级。能够让我们活下来的发明要比满足虚荣心的发明更加有用；可以持续使用多年的发明要比很快被替代的发明更加有用；长期使用的药品要比只使用一段时间的药品更加有意义。 发明的直接效益是很明显的，如生火可以取暖和照明。然而，其非预期的间接效益（或伤害）常常出现得比较慢，却更加重要。例如，火可以用于烹饪、软化粗硬的谷类，制作陶器，冶炼青铜和铁等。1856 年，威廉 珀金（WilliamPerkin）发明合成苯胺紫a 染料，没过多久就被更新更好的染料所替代，但很多化学家和企业家从该发明中得到灵感，后来出现了很多新的合成染料和合成药品，如磺胺药物等。这些新药品成为现代医学产业的基础，拯救了数百万的生命。1920 年发明的制冷剂氟利昂可以使家用电冰箱更加安全，避免失火和释放有毒物质，但由于其在大气中经年累积，会导致臭氧空洞和全球变暖，使得它不再适用。 1.1 发明家和发明 想想伟大的发明出现于何地、何时，由何人发明？发明家受到何物激发？他们使用何种方法？他们的发明又有哪些革命性影响？ 1.1.1 发明的摇篮 在过去的几百年里，地球上出现*多发明的地方是欧洲西部，其次是北美洲。气候与发明之间是否有关联？我们可以使用基于一年中每月温度和降水量分布的“柯本气候分类法”来分析一下。梅林杰（Mellinger）、萨克斯（Sachs）和盖洛普（Gallup）发现：海洋或海洋通航水道100 千米范围内的温带地区只占全球陆地面积的8%，却居住着全球23% 的人口，GDP（国内生产总值）占全球总量的53%，这也是现代社会发明*多、生活水平*高的地方。 在远古时代，出现*多发明的地方是在气候干燥的地区（如美索不达米亚和埃及）和大河两岸地区。在近古社会，发明*多且经济发达的地方往往是在湿润温和的地带（如雅典、罗马、伦敦、西安和费城等），而湿润凉爽地带的发明相对不多（如波士顿和柏林）。亚马孙河和刚果盆地地区属于热带湿润的赤道气候，人口密集，但没有很多发明；寒冷的北极和高地气候地区，人口不多，发明也不多。 古代*重要的发明出现在热带地区，并逐渐地迁移到温暖的亚热带地区，后来又迁移到凉爽温和的地区。让我们从6 种伟大发明来看一下这种迁移：石斧*早出现于200 万年前的坦桑尼亚奥杜威峡谷（南纬5 度）；火的使用*早出现于50 万年前的中国周口店（北纬40 度）；农业*早出现于1 万年前的新月沃地a（北纬33 度）；书写*早出现于3500 年前的美索不达米亚（北纬33 度）；蒸汽机*早出现于1750 年的苏格兰（北纬56 度）；电子数字计算机*早出现于20 世纪的英国（北纬51 度）和美国（北纬41 度）。这些伟大的发明随着时间的推移不断向北迁移。 在人类历史上，欧亚大陆和北美洲的气候不是一直不变的。200 多万年前，上新世时期的全球气温明显比其后的更新世寒冷，可能比1950 年低2～6℃，欧洲北部和北美洲大部分地区都被冰层覆盖。从1 万多年前全新世开始，冰期结束，全球气温明显上升。 为何大部分伟大发明会出现在气候温和的地方，又为何恰巧出现于当时？谈到发明所需的条件，我们时常会列举以下几种条件。 （1）环境。狩猎人和采集人需要健康、适宜的气候，以及适合动植物生长的气温、降水量和土壤，这样才能获取足够的食物。农夫需要找到能够驯养的动植物、用于建造房屋的石头和黏土、用作燃料的树木，以及冶金矿石等。温带气候容易产生季节更替和狂风暴雨，居民不得不勇敢面对自然灾难，努力解决生存问题。阿诺德 约瑟夫 汤因比提出文明起源的黄金分割点理论：一群人舒适安逸地生活了很长一段时间后，需要接受刺激或挑战，对外界变化做出反应，进入一种积极创造的状态。刺激有很多种，如生活在艰苦的乡村环境中、迁移至新住所、敌人带来的外部打击、内部社会压力和惩罚等。如果需要予以刺激唤醒在安逸中度日的人们，那么是否刺激越多就越好呢？汤因比认为，挑战要足以产生刺激，但不能过大，不能超出人们承受的能力范围。他因此给出以下几个例子进行说明： 维京时代，生活在斯堪的纳维亚的维京人享受着温和的气候，他们的生活舒适安逸，没有创作出多少文化；冰岛气候寒冷，土壤贫瘠，生活在那里的维京人创造了很多文化；而生活在格陵兰岛的维京人，他们的生活环境更加寒冷、更加贫瘠，需要时时为生存而努力，几乎没有创造文化的时间。 曾生活在美国弗吉尼亚州和卡罗莱纳州的欧洲人，他们的生活舒适安乐，没有做出多少文化贡献；生活在美国马萨诸塞州的欧洲人，由于当地气候恶劣、土壤多石，创造出灿烂的文化和发达的商业；但生活在美国缅因州和加拿大新斯科舍省的欧洲人，他们谋生困难，几乎没有时间创造文化。 如果我们按挑战难度为气候带分等级，从难度*小的挑战到难度*大的挑战，*佳的气候带大概是位于中间。按照难度从小到大排列，我们可能获得以下结果：潮湿的赤道地区＜湿润温和地区＜湿润寒冷地区＜干燥地区＜高原地区＜南北极地区。但为什么北美洲在哥伦布到来以前一直处于“休眠状态”，1950 年以后却一跃成为全世界*强大的地区？只靠环境因素不足以解释这个问题。 （2）联系和继承。发明家需要受到他们从祖先那里继承来的技术的刺激。另外，他们还需要向遇见的“邻居”和“游客”学习。他们需要依靠交通运输与其他人进行交易和沟通，学习新的观念和技术。杰拉德 戴蒙德（JaredDiamond）认为，欧亚大陆气候温和，变化不大，西欧国家的人们可能会旅行1.3 万千米到东亚国家，学习和吸收其他国家人们的发明和观念。从另一方面来说，北美洲和南美洲的民族是相对孤立的部落，如果要从白令海峡旅行1.3 万公里到火地岛，就要横越很多气候带，他们需要适应新的食物来源和有害物，适时取暖和降温。同样地，大洋洲民族与欧亚地区善于发明的部落也是隔绝的。这个“联系和继承”的要求不能解释为何非洲于一时辉煌之后没有再继续辉煌下去，为何罗马在东罗马帝国时期与文艺复兴时期之间处于长期“休眠状态”，为何穆罕默德出世后伊斯兰文明突然诞生，为何成吉思汗和忽必烈之后的蒙古长期静默，等等。 （3）灵魂和领袖。一种文明的创造力和推动力，以及后来的停滞和衰落，有很多难以分析与解释的原因。我们可以列出一系列影响因素：内在传统、哲学、宗教、外部挑战、乐观主义、稳定性和安全性、是否欢迎新观念、是否愿意接受进步观念和奖励创新者等。奥斯瓦尔德 斯宾格勒（Oswald Spengler）认为，每一种伟大的文明都有一种精神，从愚昧野蛮中苏醒到新文明诞生，从帝国发展顶峰到衰落，直至消亡，这种精神可以穿越千年：希腊罗马文明的阿波罗精神，从梅罗文加王朝到如今西方文明的浮士德精神。这种解释可以视为一种受神灵启示的预言，而不是科学方法，因为它没有提供任何预示未来精神到来的原则。 1.1.2 创造力 我们对**把石斧的发明人知之甚少，他生活在大约两三百万年前的东非地区。但在文字发明以后，我们开始拥有关于发明家的一些书面文件和资料。发明人是何人，他们有什么样的背景，所受教育情况如何？他们为何对发明产生兴趣，他们使用何种工具和手段？他们的发明具有哪些革新性？ 在古代，大部分人都为他们眼前的需求而劳碌，只有少数人有闲暇去做短期内不会带来收益的事情。在人类历史上，有名字记录的*早的发明家可能是印和滇、大禹。印和滇生活在公元前2600 年的埃及，他是法老左塞尔的大臣、太阳神拉的大祭司，也是埃及**位工程师、建筑家和医师。他发明了古本手卷和建筑梁柱，死后被奉为神灵。大禹约生活在公元前2060 年的中国，他是夏朝的创建人和首位君王。那时，中国遭遇严重洪灾，尧帝把治洪任务指派给大臣鲧。鲧建造了很多堤坝，但没能平息洪水，尧帝杀了鲧，又把这项任务派给鲧的儿子禹。禹没有建造堤坝，而是重新挖掘河道，用来泄洪和灌溉。禹花费13年成功治理了洪水，受到尧帝嘉奖，尧将帝位传给了禹a。这两位发明家的职务繁多，平时非常忙碌，他们只花了一点时间在发明上面。自印和滇、大禹以后，再无其他发明家受到与他们同等的肯定和尊敬。 发明家一般可以分为业余爱好者和专业人士。业余爱好者把发明作为爱好或副业，而获得支持的专业人士则可能为名为利而发明。 发明需要时间和耐心。发明家要有乐观态度，还可能有其他的谋生手段。