"The patent system added the fuel of interest to the fire of genius."

- by Abraham Lincoln

 

作者以蒸汽機與工業革命以背景
混合歷史, 物理, 工業, 法律不同面向來檢視何謂發明(invention)與其重要性
看完之後收穫良多, 對於發明的特質也有了更深的了解
許多西方在專利法上的思辯, 是我們的教育體系上完全缺乏的一塊
我們有教的話, 也都是教"如何"申請專利, 但卻忽視專利權的意義以及其由來是否具有正當性
這個文化上的特質, 應該也是中國雖然科技啟蒙很早
但無法產生工業革命以及半導體革命的一個原因吧
書中對於蒸汽機發展做了鉅細靡遺的介紹
可作為何謂有用發明與研究的最佳典範, 也看到了那個時代英國人的勇氣和決心

對於對發明與專利有興趣的人, 這是一本建議閱讀的書
你可以看到發明是如何改變了這個世界
以及了解為何是英國, 而不是別的地方, 發生了工業革命
雖然中間有些故事不是很有趣(見仁見智), 但大體上作者的寫作功力不會讓人感到無聊

這書基本上是以歷史演進的方式, 用故事和論述交錯的方式來舖陳
我把重點分成三個層面整理如下: Invention(發明), Patent(專利), Steam engine(蒸汽機)

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Invention

作者採用Payson Usher提出的Invention四個步驟來綜觀發明這件事:
1. Awareness of unfulfilled need (認知到目前有無法被滿足的需求)
2. Incomplete pattern (發現目前試圖改善方法中矛盾或缺少的東西)
3. All-at-once insight (能一次解決所有問題的洞見)
4. Critical revision (不斷地測試和改良, 直到完美)

其中第三項的洞見, 若是靈光一閃地出現
我們通常都會用阿基米得衝出浴缸的那句話"Eureka!"來表示
根據許多心理學研究指出, Eukera並不是幸運地天外飛來一筆
而是依靠著不斷地練習與思考, 在腦中培養出"隱性知識"(Tacit Knowledge)
也就是你其實知道的比你能說出來的還多 (you know more than you can tell)
這Tacit knowledge需要很長時間的累積, 數量級上約為一萬個小時
能產生突破的人和別人最大的不同點, 就是在於練習! 與資質和背景等等都無關
一般人大約花上五千小時就是極限, 但要到達一萬個小時才能成為大師
略算一下, 若一天練習與思考五小時的話, 大概就是全年無休的進行五年半
這數量級感覺起來還滿合理的, 速成法只會出現在小說裡

另外Eureka還有另一個有趣的特性, 就是它很常出現在人放鬆的時候, 像是沖澡的時候
著名一點的有阿基米德泡澡, 和牛頓在樹下休息時看到蘋果掉下的時刻
近期的fMRI實驗, 發現人在突然解開一個謎題時
血液會在"之前"大量湧進腦部的aSTG (anterior Superior Temporal Gyrus)
或許休息時會促進這個事件發生的可能吧

所以要有好的發明, 必須靠不停地思考和實作, 但也需要適時的放鬆
有時候真的睡一覺或打個球後, 思路會更清楚

作者也提供一個有趣的統計
發明者的前三大理由是: 熱愛發明, 想要改進東西的渴望, 和財務上的收益
反過來不去發明的最大理由則是缺資金!
這裡就會知道inventor needs investor, 投資者和發明家是同等重要的

發明家通常還有一個特點(通病), 那就是太過樂觀
經統計指出發明這件事平均來說, 會讓發明家一生賺的錢少三分之一
因為發明本身需要歷經一段冗長, 不停失敗, 又消耗資本的實驗步驟, 而且成功比率也不會太高
相對於出生就有家產的人, 窮人家通常會比較願意去發明的道理就在這裡
因為前者會覺得不划算, 但後者則是nothing to lose

試問咬著金湯匙出生, 衣食無缺但庸庸碌碌一輩子
與從小當學徒, 歷經不斷地努力, 最終靠自己的點子富甲一方
你會選擇哪一個呢?
我想答案會反映出一個人的出身, 以及所受的文化

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Patent

人類連自由都是奮鬥許久才得來的
當然專利權在一開始也不是一件理所當然的事
雖然專利並不是起始於英國, 卻是在兩位英國人的手上奠定了日後的基礎
一是Edward Coke提出且在1624年通過的Statute of Monopolies法案
這是第一個給予專利有壟斷權力的完整法案
另一個則是大名鼎鼎的由John Locke在1689年提出的政府論(Two Treatises of Government)
這提供了專利權一個強而有力的論述基礎

Edward Coke提出該法案, 主要是為了保護工匠們的權利
讓他們可以盡情地發揮自己的長才, 發明新的技藝, 來富足大英帝國
同時透過專利的保護, 讓他們能享有一段特許時間去實施該專利
這樣也能鼓勵大家把自己發明的技藝公告天下, 長期來說對英國的發展有十分正面的影響

John Locke的政府論談到的則是, 他認為人類不應對上帝的work產生擁有權, 像是土地和森林
但是如果是加上了自己的勞力(labor), 那麼對於該成品就有了理所當然的所有權, 像是農田
更特殊的是, 若是labor加上idea, 也可以宣稱有所有權
這就是Intellectual property (智慧財產權)的由來

然而工業化會影響到許多勞工的工作機會
這在1811年到1817年, 引起了許多紡織工人的暴力抗議, 包含破壞工廠和人員傷害
他們被稱為勒德份子(Luddite)
他們的想法是labor加上他們的skill是一種財產權, 所以他們極力抗爭維護自身的權利
然而這抵不過labor+idea才是財產權的說服力
因為英國的確因為工業革命蓬勃發展, 也讓一般大眾的食衣住行品質都大幅提昇
於是他們後來就被英國軍方所平定了下來

由這裡細想, 就會發現這些論調似乎並不存在於我們的社會文化中, 雖然大家都在申請專利
首先, 專利的主要目的是保護有能力發明的人, 而不是公司
這也是美國專利的當然所有權人是發明人, 而不是出錢的人的原因
這點第一次申請美國專利的人常常會很"驚訝", 原來還需要簽專利權讓渡書
第二, 智財權應是等於labor + idea, 也就是有空想是不夠的, 要能有可以有效實施的做法
於是坊間一堆有的沒的創新比賽, 只要紙上談兵就能拿獎
代表這個社會沒有體認到做法的重要性, 以及了解到政府論裡的智財權的根基是什麼
第三, 許多上班族和Luddite一樣, 似乎認為他們的skill加上勞力是一種所有權
好的公司應該要保護他們這個權利, 但工業革命早就告訴我們這行不通了
現在的世界是要有idea加上勞力, 才能產生被保護的權利 (而且還有時間限制, 美國專利目前是20年)
任何純綷只有skill的人, 在這個時代隨時被替換掉, 都不該太過訝異才是

書中有段我認為很有趣的論述, 就是為什麼工業革命發生在英國 (也可延伸到半導體革命在美國)
首先, 小國是不足於支撐大眾的集體發明帶來的優勢, 因為專利權的界限只到國境
小國的發明很容易被盜去別的國家使用, 這也是為什麼儘管荷蘭當時很強盛, 但發明風氣低落
所以國家本身要像英國夠大(包括殖民地), 產地腹地才足以撐起工業革命
加上專利權的完善, 採媒礦和冶鐵的需求, 讓蒸汽機有了一個完美的舞台
然而法國呢? 法國當時在科學的發展上, 可是領先英國的
除了法國大革命的混亂外, 另一個原因應該就是法國革命強調平等(equality)
這抑止了像專利這種帶有壟斷性質的東西在法國存在

更有切身感覺的則是, 為什麼不發生在中國呢?
中國的科技實力自古就強盛, 國家又夠大
極權的統治在某種程度上更適合帶領革命 (如日本的明治維新和中國近來的開放改革)
作者認為問題是出在文化
工業革命雖然常被認為是有幾個英雄, 像是Watt, 靠著幾個主要發明(macro-invention)帶領起來的
但事實上更依靠後來的許多小發明(micro-invention)不斷地改進引擎 (半導體也是一樣)
於是必須要有一定比例的人前赴後繼站上發明的舞台
但發明在經濟上並不是一個聰明的選擇, 為何英國人/美國人會選擇去發明呢?
因為他們相信他們可以
而中國人卻有著老子古老的文化在身上, 那就是"無為"
被動, 庸人才會自擾的心態造成中國人對於發明的興致很低
我想若再加上中國人愛財的文化的話, 那麼發明更是一種愚笨的選擇

就算中國經濟目前再好, 也還是會發現, 模式都是走別人走過的路, 只是霸道一點的走法
阿里巴巴再厲害, 也還是Amazon翻版, 支付寶再紅, 也還是PayPal的山寨版
台灣也是如此, 大型的公司, 除了少數幾家
幾乎都是中國古代商人心態, 只是想用錢來賺錢, 發明這種不合效益的事還是留給別人做

當然也不能說這樣就一定不好, 畢竟這是中國幾千年下來的文化
只是, 如果想在台灣試著創辦依賴發明起家的公司的話
那真的得先要了解這個環境與文化, 再來想想是否能找出合適的營運模式

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Steam Engine

自從亞里士多德有了"自然界討厭真空"這個想法後 (他還真是科學界的誤導王)
人類一直都被誤導, 直到托利切利做出決定性的實驗
把水銀放進封閉的窄管內倒過來, 會得到一小段應該沒有東西的空間, 那就是真空
不過因為這話題太過爭議, 托利切利後來就遠離了這個問題
但這被掀開的潘朵拉盒子已經停不下來了
在1657年, Otto von Guericke進行了著名的馬德堡半球實驗
成功地向世人證明了真空是存在的, 而且它還很"有力"
而虎克(Hooke)和波以耳(Boyle)後來為真空做了一連串的實驗, 奠定了理論上的基礎

第一個steam engine, 是由英國的Thomas Savery所發明
於1698年申請了專利"raising water by fire"
它的名字也很直接: Miner's Friend
往地下挖煤礦, 會一直遇到地下水, 挖得越深要靠人力把水往地表上帶就越困難
這個發明的概念是先把水煮沸, 變成蒸汽充滿在一個管子裡
對管子灑水後, 蒸汽變回水就會在管子裡形成真空
就能形成一個幫浦的效果, 把水往上帶
於是有了引擎的原型, 不斷地加熱和冷卻來形成真空
但這發明的問題在於, 因為等同於用水本身來當活塞, 水最高只能往上跑10公尺左右 (在一大氣壓下)
而且這引擎必須設立在10公尺的地底下, 限制非常多

Savery-engine  (from Wikipedia)

 

真正讓steam engine發揮效用的則是Thomas Newcommen在1712年發明的Atmospheric engine
在Savery Engine放上了一個水平桿, 以及今日會稱為活塞和汽缸的東西
於是一個能放在地面上不停做工(不只是抽水)的引擎誕生了
和Savery更不同的是, Newcommen很執著於要靠這專利發財
雖然Savery engine不實用, 但專利卻很重要
Newcommen靠著部份持有Savery engine的專利, 以及自己的專利, 成為第一個靠引擎致富的人
也開啟了工業革命的大門

Newcomen_atmospheric_engine_animation  (from Wikipedia)

 

接下來就換瓦特(Watt)出場了
他本身是學徒出身, 但靠著堅持完美的態度和精確的測量, 成為當時製作科學儀器的大師
在一個因緣際會下, 他開始了和引擎共享共榮的人生
有人拿一個縮小比例的Newcommen Engine給他, 請他檢查為何運作會不正常
他從中發現了cubic-square法則, 也就是體積依縮小比例呈立方倍, 但面積是平方倍
所以縮小之後, 蒸汽的體積和汽缸之表面積成長倍率完全不同, 所以運作會和原比例的引擎不同
然後他更是第一個仔細研究引擎效率的人, 包含多少熱能做多少事, 多少水變蒸汽能帶來多大壓力
因此他發現了Newcommen Engine的大問題 (Usher的第一和第二步驟: Unsatisfactory pattern)
汽缸必須不停地被加熱和冷卻, 而花在加熱汽缸的能量是花在水上的三倍
此外真空會降低水的沸點(壓力小), 所以其實並不需要加熱到一百度

然後在某一個散步途中, 他的Eureka moment出現了
那就是多用另一個汽缸 (condensed cylinder)用來冷卻用
因為加熱和冷卻作用在不同的汽缸上, 能量效率變為兩倍, 也不用注水和灑水
這被作者列為工業革命裡, 第二重大的發明

steam_engine_animation  (http://lancefuhrer.com/steam_engine.htm)

 

然而實現一個proof-of-concept的小模型是一回事
當他試圖要做成一個可用的產品, 卻遇到許多瓶頸
因為他的汽缸和活塞需要搭配地很完美
他試了很多年, 甚至第一個金主都破產還是無法量產
而第二位金主Matthew Boulton才是他的伯樂, 甚至眼光看得更遠
認為這東西不只能用在採礦, 還能用在磨坊上
他們一起開的Boulton & Watt公司, 日後壟斷了蒸汽機市場直到1800年左右, 因為他們的主要專利過期了

推廣蒸汽機到別的用途上, 最一開始的難度就在於一個古老的問題
如何轉化線性運動(活塞)為旋轉運動(磨坊, 紡織機等)
從一開始的結合crank, cam, gear, 和connection rod
[crank和gear都是很古老的發明, 但真正有用的應用卻等到18世紀]
到後來的William Murdock的sun-and-the-planet gear
最後演化至Watt發明的double-acting cylinder
這讓引擎可以在任何的地方建造
雖然一開始受到Luddite強烈反彈, 但後來還是成功地開啟工業革命的大門
[有趣的是, 蒸汽機的動力到底從哪來的, 要直到1851年才被物理學家解決]

19世紀初, 蒸汽機開始被用在運輸用途上, 如蒸汽火車
Locomotion engine的用途和瓦特的引擎不同, 必須能帶著走而且效能要高
當時已發明要提高power-to-weight ratio, 就是要提高汽缸的壓力
最後Locomotion engine摒棄掉condenser cylinder(減輕重量)
讓蒸汽由上迅速冒出(傳統火車的容貌), 可快速地吸收新的空氣進汽缸

Richard Trevithick在1801年展示了第一個能推動四輪車的引擎
且在1804年, 成功地搭載十噸的鐵礦
卻也因此發現軌道的重要性, 當時木制的軌道一下子就壞掉了
而George Stephenson致力於鐵軌的舖設, 目前全世界仍有60%的鐵軌是依照他的尺寸規定而設置的
也因此被稱為鐵路之父

作者把工業革命尾聲放在1829年的一場著名的火車比賽 Rainhill trials
當時英國人在Manchester(工業大城)和Liverpool港口之間建立了人類第一條客運鐵路
為了要展示給人們知道火車的載重能力和速度, 官方辦了一場比賽
最後實際參加的只有三台火車, 而勝利者是George and Robert Stephenson父子檔的Rocket!
這台Rocket現在放在英國倫敦科學博物館展示, 見證了人類一個重大的時刻

美國立國的年代, 也正是工業革命如火如荼的時刻
而且一開始的美國人, 其實都是英國人, 所以他們甚至把專利的法源列入憲法裡
這也讓美國成為最重視專利, 也靠專利成長至今的強盛國家
雖然近年來的專利爛仗一堆, 只希望Obama在2013年提出要修改法律嚇止專利蟑螂的行動能成功
讓專利要回歸到它的本質: 保護技術人員的智財權, 並以真正有用的專利造福世界

林肯本身也熱愛發明, 卸任總統後發明了不少小東西
而他提在DC. Hoover Building上的字
被作者拿來說明他認為工業革命中最大的發明, 也是世界上最有影響力的想法
那就是"專利系統"

"The patent system added the fuel of interest to the fire of genius."

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