189年前，他驾驶“火箭号”开创了铁路纪元
（图源：www-personal.umich.edu）
从前的日色变得慢/车，马，邮件都慢/一生只够爱一个人
——木心《从前慢》
人类生活在陆地上，但在交通不发达的古代，运输效率非常低下。车辆运行主要靠人力和畜力，装载量非常有限，长距离运输货物在经济上往往得不偿失。因此，很长一个时期社会资源的配送，特别是大宗货物的运输，非常依赖水路。
然而，水路运输又极大依赖于自然地理条件，需要资源却没有河流怎么办？那就只能人工挖掘，于是诞生了像京杭大运河这样耗费巨大的人力工程。
18､19世纪之交的英国，资本主义生产方式已有了飞速的发展。生产效率的提高，使得货物运输和运河资源之间的矛盾愈发突出。而一位杰出英国工程师的出现，开启了人类路上交通的伟大变革。他就是“铁路之父”——乔治‧ 斯蒂芬生（George Stephenson）。
1990年英国发行的5英镑钞票上 ，正面图案的头像就是乔治‧斯蒂芬生。他建造了世界上第一条公共铁路，发明了具有实用价值的蒸汽机车，帮助英国率先实现了交通产业近代化。如今，我们在享受高铁日行千里的交通便捷时，不妨回首两百多年前那在轨道上喷着黑烟挪动的蒸汽火车头，溯源铁路运输事业的开创者。
铁路和蒸汽机车的雏形
为了运输便利，人类铺设轨道的历史要远比蒸汽火车悠久——四千年前巴比伦人就发明了沿木质轨道推动车辆的方法。后来，许多矿坑中也有木条铺成的轨道，这可以避免雨雪时道路泥泞带来的麻烦，让运货推车走的快而平稳。由于木头容易腐朽损坏，人们开始便将一层铁皮钉在木轨上，做成蒙着铁皮的木轨。
直到1789年，英国工程师威廉•杰索普（William Jessop）设计出凸形铁轨和与之相配的有凹槽的铸铁轮子。这就形成了早期的“铁路”，但车辆前进的动力仍然依靠人或畜力。
18世纪末，经过瓦特的改进，蒸汽机技术已经日渐成熟。工业革命对原料的需求也使提高路上交通效率变得更为迫切。因此，一些英国工程师开始研究如何将蒸汽机利用在铁路运输上。
1804年，英国人里查•特里维西克（Richard Trevithick）尝试制造了第一台可运行的蒸汽机车，这部机车带有单一气缸和一个用于抵消气缸振动的大飞轮（如下图）。特里维西克的发明展示了这种“可移动的蒸汽机”能够在铁轨上行驶，甚至还可以运载重物。
特里维西克设计的蒸汽机车（图源：wikipedia）
但他的机车行驶速度很慢，比走路快不了多少，而且当时铁轨的强度也不够，行驶几次之后就常发生断裂，缺乏实用性。特里维西克随后放弃了该项研究，去南美为开发金银矿制造固定的蒸汽机去了。当15年后，铁路建设在英国异军突起时，他也只好眼睁睁的看着“铁路之父”的桂冠戴到了乔治•史蒂芬生的头上。
从司炉工到第一条公用铁路
乔治•史蒂芬生出生于1781年6月9日诺生伯兰郡（Northumberland）的矿区，父亲是煤矿上的蒸汽机司炉工。因家境贫寒，他10岁起便在矿区做零工，14岁那年也跟着父亲当上了一名见习司炉工。
当时英国的煤矿里已经使用蒸汽机抽水，所谓司炉工就是铲入煤炭，让蒸汽机工作的人。史蒂芬生很高兴能亲自操作机器，但光是操纵，还觉得不过瘾。他脑子里老是琢磨着：这机器是怎么转动起来的？它的内部是什么样的？
有一天，别人都下班回家去了，他却说要留下来擦洗机器内部的灰尘。他把蒸汽机拆开了，然后将所有的零件都仔细观察了一遍。但装配起来却不是那么容易了，他忙乎了好半天，才勉强把蒸汽机安装好。回家后，他整夜提心吊胆，担心这机器明天转不了。谁知道第二天一发动，那台蒸汽机运转如常。这件事大大鼓舞了史蒂芬生，反复的拆装也让他对蒸汽机的结构了如指掌。
1810年史蒂芬生开始着手制造蒸汽机车。1813年，他在附近煤矿观摩了用来从煤矿拉煤的“装有轮子的蒸汽锅炉”，再此基础上又加装了一个将气缸的往复运动转换为单向动力的棘轮，使其在轨道上可以持续前进，研制出了名为“布卢彻”号（Blucher）的机车。
虽然这部机车较特里维西克的设计有所改进，能够以每小时6公里的速度牵引30吨煤的重量，但在最初的使用过程中仍暴露出很多问题。比如蒸汽机车的振动强烈而且浓烟滚滚，搞得坐在车上的人被颠的筋疲力尽、满面烟尘。蒸汽机车在前进时还不断从烟囱里冒出火来，把附近的树木都烧焦了，成了名副其实的“火车”。
于是，史蒂芬生继续研究改进机车的方法，他发明了蒸汽鼓风法，使锅炉的燃烧室形成负压，从而改善了通风条件也提高燃烧效率，最终使机车速度提高2〜3倍。
“布卢彻”号蒸汽机车的样式图（图源：wikipedia）
史蒂芬生与前人不同：他在开发机车的同时，也重视研制适宜的铁轨。他自己的机车虽然不是太重，却也常压裂路轨。为了解决这个问题，史蒂文生到朋友开设的铁工厂试验锻铁轨道。当时的英国，生产铸铁的工艺已经成熟，但铸铁因含碳量较高，韧性差易脆裂。史蒂芬生尝试使用含碳量更低的铁材料，取得成功后，便申请了铁轨的专利。
之后，史蒂芬生更是颇具远见的统一了铁轨铺设的轨距为1.435米。人们在后来的铁路建造中也逐渐意识到“车同轨”的重要性。由于史蒂芬生的这一特殊贡献，标准轨距又被命名为“Stephenson Gauge”（史蒂芬生规范）。
1823年，史蒂芬生与他人合作在纽卡斯尔成立铁路机车制造公司。1825年，一条全长37英里，连接英国东海岸和产煤区的铁路线路——斯托克顿到达灵顿之间铁路铺设完毕。这是世界上第一条公用铁路，如此长度的铁路在当时也是史无前例的。试车十分成功，蒸汽机车头的一声声的汽笛，不仅打破了当时英国小镇的宁静，也向全世界宣告了铁路时代的到来。
一往无前的“火箭号”
新事物的出现，特别是有生命力的新事物，总是会受到保守势力的阻击。1825年，斯托克顿到达灵顿之间试车成功，促成了在利物浦及曼彻斯特之间更长距离的铁路建设。然而在斯蒂芬生为这条引人注目的路线设计铁路时，却受到了铁路反对派的强力阻挠，上演了一场没有硝烟的斗争。
铁路反对派主要是运河公司，他们资金雄厚，且与议会高层有着千丝万缕的联系。反对派散布谣言，宣称火车的惊扰会让沿途的乡村鸡不下蛋、牛不产奶。运河公司还雇佣了当时顶级的律师，参与利物浦议会对该条铁路的法案的公开辩论，妄图将该条铁路扼杀在摇篮里。史蒂芬生的勘察队伍也经常受到反对派的骚扰，甚至有时候勘察队只能到晚上借助月光在野地里工作。
除了运河派的阻挠，史蒂芬生的苦恼还来自利物浦铁路公司内部的保守董事会成员，他们当中有不少人在支持建设一条马拉的铁路线。
在史蒂芬生遭遇挫折时，他的儿子罗伯特•史蒂芬生给了他强大的精神支撑。史蒂芬生给小史蒂芬生写了一封信，倾诉自己的苦闷。打虎亲兄弟，上阵父子兵。小史蒂芬生放弃了自己当时在南美的事业，选择回到英国帮助史蒂芬生改进蒸汽机车。就在这个时候，史蒂芬生也急需向公众展示这种新型蒸汽机车在速度， 运力等方面的巨大优势，于是，1829年他成功说服利物浦铁路公司董事会，举办一场盛况空前的“蒸汽机车大赛”（Rainhill Trials） 。
这次比赛几乎成了当时一个铁路机车博览会，各路高手纷至沓来，闻讯而来的观众竟然也达到了15000人。机会总是留给有准备的人。斯蒂芬生父子制造的 “火箭号”（Rocket）机车性能优异，以22公里的时速绕着2.4公里的环行线反复行驶，完胜故障频发的另外4名对手。到了最后一圈，他还开足马力，时速达到了惊人的48公里。这台具有历史意义的“火箭号”机车，也和史蒂芬生的头像一起印在了90版5英镑钞票上。
描述“蒸汽机车大赛”的绘画，画中在前排的机车便是“火箭号”（图源：wikipedia）
史蒂芬生父子在机车制造上的重要创新包括：使用多管锅炉，增加了动力；设置了多条贯通锅炉的两端的铜制水管，从而增大了锅炉内水的受热面积，获得更多的蒸汽。1830年，史蒂芬生还将卧式锅炉的内外火箱和烟箱合二为一，在 “火箭号” 基础上又推出了“行星号”（Planet）火车头。这些设计在其后的一百多年间（直到蒸汽机时代结束），奠定了所有蒸汽机车的基础。
蒸汽机车的巨大优越性冲破了各种无知和诋毁的迷雾，线路建设在继续推进中。利物浦-曼彻斯铁路线在1830年正式铺设完毕，当时的英国首相威灵顿公爵亲自参加了竣工仪式。
此后，史蒂芬生又主持了连接利物浦—曼彻斯特至伯明翰的大枢纽铁路工程，并在许多铁路建设中担任顾问，解决许多道路铺设、桥梁设计和机车制造等问题，极大的促进了英国交通运输事业的发展。史蒂芬生也因而被誉为“铁路之父”。
后记
由史蒂芬生主导设计的蒸汽机车和铁路工程不仅彻底地改变了英国面貌，也极大地推动了社会进步，改变了整个世界的历史进程。有时我们都难以分清楚，到底是工业革命成就了铁路，还是铁路成就了工业革命。或者说，两者相互作用，创造了强大的日不落帝国，世界历史也迎来了以欧美为中心的时代。
1881年6月9日（光绪七年），就在“铁路之父”史蒂芬生的百岁冥诞之际，中国第一条官办铁路——唐山到胥各莊之间的“唐胥铁路”才开始建设铺轨。当时负责此工程的李鸿章为了避免清朝廷内部的顽固派反对，还在奏请中特别声明此路为骡马牵引的“快车马路”。直到建成一年后，才开始使用蒸汽机车牵引。
尽管火车和铁路传入中国的历程充满波折，如今中国的铁路事业已经发生了翻天覆地的大变革。目前，中国铁路营业里程超过10万多公里，其中高速铁路更是占到世界高铁总里程的一半以上。抚今追昔，让我们向那些在铁路建设史中留下丰功伟绩的伟大工程师们致敬！
专栏 | 钱币上的“赛先生”
参考资料
[1] https://en.wikipedia.org/wiki/Richard_Trevithick
[2] https://en.wikipedia.org/wiki/George_Stephenson
[3] National geographic: Stephenson's Rocket-Start of Public Passenger Railways
[4] https://en.wikipedia.org/wiki/Stephenson%27s_Rocket
[5] 高铁风云——世界高速铁路百年史话 http://blog.sina.com.cn/s/blog_5a53af350102e0v1.html
