1. 5英镑报酬的启示
从伦敦回到格里诺克以后，瓦特在自己的家乡度过了一个夏天。年近花甲的父亲，给了他深厚的父爱和周到的照顾。这次难得的休息机会，使他那疲惫不堪的身体和过于紧张的精神，都得到了彻底的放松和康复。
转眼，夏去秋来。苏格兰的10月，天高气爽景色宜人。各级学校在经过漫长的暑假之后，过惯了学生生活的瓦特，似乎感到自己的“暑假”也应该结束了！
为了开始新的生活，瓦特首先到了格拉斯哥，想去见见他在大学里的那些老相识，特别是那位德高望重、乐于助人的良师益友迪克博士。
说来也真凑巧，不早不晚，正在这个时候，有一位名叫亚历山大。麦克法兰的富商，给他的母校格拉斯哥大学，捐赠了一批天文仪器。这位新近去世的富商，生前曾在牙买加的罗亚尔港，修建了一座天文台。他在遗嘱中留言要把他的一批天文仪器，捐赠给母校作为教学使用。这批刚刚运抵格拉斯哥大学的天文仪器，在漫长的海运过程中，显然是由于经心不够而遭到损坏。
负责接受这项捐赠的迪克博士，决定把清洗和修理这批天文仪器的工作，交给瓦特来干，并且在这所大学的自然科学教室楼附近，给他找了一个工作间。
急于试试身手的瓦特，自然是很高兴地接受了这项任务。
瓦特在这个工作间里，埋头工作了两个多月。他把麦克法兰捐赠的这批天文仪器，一件一件地擦洗干净；对于那些受到损坏的部件，也都设法加以修理，或者换上新的配件。这批天文仪器从拆卸、清洗，到修理、组装，全部劳动都是他一个人干下来的。学校当局给了他5 英镑的劳务报酬，这在当时算是一笔可观的收入。更重要的收获也许不在于这笔酬金，而是通过修理这批精密仪器，显示了他高超的工匠技艺，从而把他和这所大学更加紧密地连在一起。
当瓦特在格拉斯哥大学完成了那批天文仪器的修理任务以后，一年一度的圣诞节也快来临了。欧洲人不管是不是虔诚的基督教徒，但是对于圣诞节这个传统的家庭团聚节日，却都普遍十分重视。瓦特告别了他在格拉斯哥的亲戚和朋友，又回到了格里诺克他父亲身边。
瓦特的父亲老詹姆斯，自从3 年前心爱的妻子死去以后，也显得衰老多了。他本来想让小詹姆斯去念大学，因为他身体单薄，生性怯弱，不是块经商做买卖的材料，只好随着他的爱好，让他去多啃几年书本，将来好在知识界里混碗饭吃。他对詹姆斯的弟弟，也就是那个身体健壮、生性好动、机灵活泼的小约翰，十分喜爱。他想能够接他的班的，也就是说能够继承他的事业，继续经营好他的作坊和商务业务的，只有小约翰一个人了。也许正是为了培养他的这个儿子，他才同意让小约翰随着他的一条船去美洲，本来想通过这次远洋旅行，可以增加他的阅历，锻炼他的意志，万万没有想到的是，偏偏让他遇上了那场海难。商船被风浪打碎了，儿子和老船长葬身大海，生意赔本了，接着，几十年来日夜相处的妻子也撒手人寰。这接二连三的严重打击，使得老詹姆斯这位意志坚强的汉子，也有些经受不住了。
现在，老詹姆斯只有小詹姆斯这一个儿子了。不管愿意还是不愿意，都得靠他来支撑老一代开创的事业了。“知子莫若父”，他也看得出来，经过这几年的外出磨炼，小詹姆斯也的确长进多了。手艺上的进步且不说，就在人情世故方面也比过去通达多了。小詹姆斯也看透了父亲的心意。为了能在家照顾年近花甲的父亲，他决定留在格里诺克，就地开创自己的事业。
然而，事情并不尽如人意。像小詹姆斯这样一位有着高超手艺的仪器工匠，让他去充当父亲的帮手，实在是学非所用，发挥不了他的才能和专长，而要让他从事仪器制造和修理行业，又没有多少生意可做。格里诺克毕竟是个小城市，除了港湾停泊的船只有些仪表仪器需要请他修理以外，其他方面的主顾便寥寥无几。看到这种情况，老詹姆斯再也不能沉默下去了。他通情达理地对小詹姆斯说道：“儿子，你不能总这样待在格里诺克，否则，会荒废掉你来之不易的手艺。到格拉斯哥去试试看，能闯出局面，就留在那里，实在混不下去，再回来也不迟。好在我还不算太老，一时也用不上你来照顾。”
小詹姆斯经过再三的犹豫，再三的考虑，终于接受了父亲的劝告。事业和家庭，有时并不能两全其美。但如果能用干出一番事业来安慰老人的心愿，难道不也是一种孝道吗？
1757年的8 月2 日，小詹姆斯又回到了格拉斯哥，再次受到了那批有影响的朋友们的欢迎和帮助。
格拉斯哥大学成立于 1451 年，是英国有名的最高学府之一。从中世纪起，它就是一所文理医工并重的综合性大学，出过不少的杰出人物。大学是做学问的地方，历来号称“象牙之塔”，市侩气息不浓，所以有名望的大教授同普通的工匠成为朋友，也并不是什么怪事，何况他们之间的交往，通常也是相互受益的。
在帮助迪克教授修理和安装好麦克法兰捐赠的那批天文仪器之后，詹姆斯。瓦特已经成为这所大学的“知名人士”。人们都知道他是曾在伦敦跟着名师学过徒的一名工匠，而且通过修理天文仪器，已经表现出他果然技艺高超。任何一所文理医工各科齐备的综合性大学，都有许多教学和科研用的精密仪器，需要经常有人负责维修。因此，像瓦特这种工匠，正是格拉斯哥大学急需的人才。加上他所结识的那些教授们的帮助，学校当局终于同意在校园里给他一个工作间，并且给了一个“大学数据仪器制造者”的头衔，成了这所大学的“编外员工”。
大学的环境对于瓦特来说，显然是非常有益的。他失去了上大学读书的机会，但却交结了几位大学教授和一批有学问的朋友。同这些当代精英相处，可以学到知识，开阔眼界，活跃思路，知道很多外部世界的事情。所有这一切，都对瓦特的工作有着长远的影响。因为，没有高瞻远瞩的眼光，没有通晓全局的头脑，科技研究的方向不与经济发展的需求接轨，那么，他那双掌握复杂工艺的手即使再灵巧，也不会做出什么惊天动地的事情来。他后来借以成名的蒸汽机，从一开始就是在这批有头脑的朋友们的支持、鼓励和帮助下，才通过他的刻苦钻研，终于改进成功的。瓦特蒸汽机这项伟大的技术成果，之所以能够转化成震撼世界的生产力，也是他周围那批有眼光的朋友们，坚定地把他赶出工作间，逼进他自称毫无兴趣的商业领域的结果。
瓦特是一个性格内向的人，好静不好动，这也是他喜欢大学环境的一个原因。他在大学里的那间工作室，成了他工作、读书、会友的小天地。他在这里虽然过得愉快，但在经济上却相当拮据。他不是这所大学的正式员工，没有固定工薪可领。仅靠大学里的修理活，显然是难以维持生计的。何况，瓦特也是一个闲不惯的人，如果无事可做，会比什么都难受。眼前的现实情况，逼迫他必须走出校门，进入市场，到社会上去寻求出路。
开始的时候，瓦特增加了修理和制造乐器的业务。其实，他既不爱好音乐，也不懂得乐器。靠着认真钻研音乐的数据原理，琢磨各种乐器的制作规律，加上他在数据仪器制造工艺方面的精湛技术，很快便成为乐器制造和修理业务的行家里手。什么管笛、吉他、竖琴、风笛、风琴等等，都成了他十分熟悉的东西，不管哪个结构和部件出了毛病，都可以轻而易举地被修理好。
松闲的时候，他还经常制作一些乐器。他曾制造出几台用手弹的管风琴，而且演奏效果很好。他在这方面的成功，得益于他的数学知识和机械技术。正是由于他掌握了机械技术，才使得他在制作这种管风琴的时候，能够设计出一种改进型的音栓装置，并且安装上一种使演奏者能更加有效地控制乐器里面的风压和音质的设备。据说瓦特当年制造的管式大风琴，至少有一台曾被使用到1935年。
苏格兰人在理财方面，历来有着传统的精明。在市场经济的大潮中，瓦特也逐渐学会了“游泳”。在格拉斯哥市，他终于站稳了脚跟。在解决了生存问题之后，现在的课题是，开始寻求更大的发展。
1759年，瓦特同格拉斯哥的一位名叫约翰。克雷格的建筑师，合伙在盐市大街开了一家经营仪器制造和修理业务的店铺。这家商店的开业资本，主要是由克雷格提供的；而日常的仪器制造、修理和销售业务，则由瓦特来全面承担。这种金钱和技术的结合，使得合伙双方都有利可图。
4 年以后，瓦特在格拉斯哥市区的经营活动，又有了一次新的进展。在1763年12月1 日的《格拉斯哥日报》上，我们可以找到这样一则广告“詹姆斯。瓦特的商店，已经从索特默卡特地区，迁至布坎南先生在特朗格特拥有的地界里。他在那里销售各种数据仪器和乐器，同时出售各种玩具和其他商品。”从这则广告中可以看出，瓦特的仪器制造生意仍然没有打开局面，所以才不得不靠搞多种经营，包括制造金属钮扣、装饰品等小玩艺儿，来增加营业收入。但是无论如何，他现在的生意还是发展了。他的商店已经雇上了几名工人，他自己也开始带上了徒弟。
瓦特在格拉斯哥开始发迹的另一个迹象，是在1763年，也就是他迁移店铺的同一年，他在著名的德尔夫特菲尔德陶瓷公司中，取得了一笔数额可观的股票。这家成立于1748年的陶瓷公司，当时坐落在阿盖尔街和布鲁米洛大街之间，公司门前的那条德尔夫特菲尔德街，现在已经被格拉斯哥的市政当局，改为詹姆斯。瓦特街。
瓦特与陶瓷业的关系，看来还不仅仅是作为一家陶瓷公司的股东而已。
18世纪中期，英国出现了一批规模较大的陶瓷工厂，也出现了一些闻名欧美的制陶技艺大师。与瓦特同时代的陶瓷设计者和制造商乔赛亚。韦奇伍德，就是最为知名的一位。他同人合伙在斯特福德郡开设的那家制陶工厂，生产出多种由他设计的精美陶瓷制品，成为王公贵族和有钱人家收藏的珍品，产品畅销整个欧洲。有趣的是，就连这位大名鼎鼎的陶艺大师，也曾声称詹姆斯。瓦特是他们陶瓷制造业中的一员。瓦特对制陶工艺技术虽然外行，但在坯料的化学成分、陶瓷的美术设计等方面，确实参与过某些产品的改进工作。
他对当时制陶业的最大贡献，还是为包括韦奇伍德陶瓷公司在内的一批厂家，制造过他们为生产精工彩陶所需要的某些精密仪器和设备。这样看来，把瓦特与英国的陶瓷工业挂起钩来，也并非一点没有根据。
在格拉斯哥开设店铺期间，作为一项多种经营业务，他还卖过自己绘制的地图和海图，包括由他伯父约翰勘测的克莱德河地图。也正是在从事绘图工作的时候，他成功地取得了一项小发明，那就是设计制造出一种能绘制透视图的仪器。这种仪器的设计非常精巧，可以折叠起来放在一个盒子里，装进衣袋携出使用。它是根据比例绘图仪的原理制造的，可以用来把一张图纸，按照自己需要的尺寸，方便地复制出一份新图来。他总共制造了五十多个这种绘图仪，并且销售到全国各地。由于他当时没有对这项小发明注册专利，所以后来被其他一些仪器制造商们仿制，畅销到世界许多国家。
瓦特在格拉斯哥的大学宿舍，一直住到1763年。后来，随着市区业务的发展，搬到德尔夫特菲尔德街离陶瓷公司不远的一所房子去住，仍然保留了他在大学里的那间工作室。
瓦特之所以迁移新居，还与他准备结婚有关。 1764 年7 月16日，28岁的瓦特与相爱多年的表妹马格雷特。米勒结了婚，新房就在这所房子里。
从两小无猜的青梅竹马，到燕尔新婚的年轻夫妇，自然是如鱼似水，百般恩爱。马格雷特从小就知道表哥的脾气，干起活来就不顾一切，有时连吃饭都会忘记，这对他那虚弱的身体十分不利。结婚以后，她在生活上无微不至地关怀着他，不许他去做那些“劳而无功”的研究试验。她毕竟是一个没有见过大世面的家庭妇女，心里想的主要是丈夫和家庭的生计。他们结婚不久，妻子就怀上了孩子。作为丈夫和眼看就要当爸爸的瓦特，这时也把拼命挣钱，以便让妻子和未来的孩子过上好生活，作为他的中心任务。所以，他的店铺开展多种经营业务，招揽了很多与仪器制造无关的事情。为了赚钱，甚至可以利用空闲时间和下脚料去制造某些小服饰，或者去绘制地图、海图销售，但对他在格拉斯哥大学从事的那些研究试验，却早已置之脑后了。
瓦特确实是一位难得的人才。然而，他现在却正处在一个十字路口上：他可以同大学里的那些高贵朋友一道，去从事某项重要的发明创造，一旦试验成功，就可以成为青史留名的人物，也可以继续他目前的生活状况，也许会挣到越来越多的钞票，却白白浪费他一手精湛的工艺技术，更不会做出什么惊天动地的大事来。显然，这段时期他所选择的是后者，正在沿着一条世俗之路，一步步地滑下去。
自从搬出校园宿舍，特别是结婚成家之后，瓦特同大学里的那些良师益友开始疏远了。除非有工作任务，他很少待在大学给他安排的工作间里，这样，也就难得同过去的老朋友们见上一面。
瓦特变了，变得有些庸俗起来。他把利用手上的技术，尽多地换回一些金钱，看成是现实的养家之道，而把跟随大学教授去进行研究试验，看成是没有成功把握的冒险勾当。他既自卑，缺少必胜的信心和勇气，又自满，有时会相当固执己见。
然而，他在大学里的那批朋友却没有忘记他。尽管他们多半是知名的教授，但却从相识开始，就认定瓦特正是他们梦寐以求的合作者，因为如果没有像他这种技术高超的工匠师傅的参与，那么，再好的设计思路也只能停留在理论上，很难变为新的发明创造现实。因此，为了瓦特，也为了他们自己，更为了科技进步的需要，无论如何也要把瓦特拉回来！
2. 良朋挚友
有人说詹姆斯。瓦特的成功，是既占天时、地利，又得人和的结果。
天时，是指当时的产业革命急切需要解决的课题，就是为工业提供一种方便实用的动力机械。瓦特所研制的蒸汽机，恰好适应了时代的最大需求。
地利，是指瓦特生活在第一次产业革命的中心英国，可以亲身感受到工业疯狂发展时期的时代脉搏。
人和，是指在瓦特走向成功的道路上，始终有一批真诚的朋友，为他提供各种宝贵的帮助。没有大学里的那些教授为他出谋划策，没有实业界的一些朋友为他提供资金设备和开拓市场，那么，瓦特再有本事，也只能一事无成。
他在格拉斯哥大学结识的第一位良师益友，是物理系主任罗伯特。迪克博士。是这位教授慧眼识珠，通过请瓦特去帮他安装一批教学用的天文仪器，看出了瓦特的聪明才干；是这位教授，亲自写信介绍瓦特到伦敦去拜师学艺；也是这位教授，在瓦特学徒期满之后，为他在格拉斯哥大学安排了一些事情，并且提供了一个工作间。所有这些，对于一个刚离中学、初次涉世的年轻人来说，都是莫大的荣幸。遗憾的是，迪克教授不幸于1757年5 月因病去世。
瓦特对失去这位良师益友和恩人，感到十分悲痛。
正在瓦特处于徘徊时期，把他从安乐窝里拉到正路上来的，也是他在大学里的那批朋友，特别是约瑟夫。布莱克和约翰。罗比森这两位年轻的教授。
是他们的耐心开导和热情鼓励，终于使瓦特有了勇气和信心，重新振作起来，继续投入研究试验。对于这些能够在关键时刻提供真诚帮助的朋友，瓦特是感恩戴德、莫齿难忘的。直到1799年布莱克去世的时候，他还哀伤地写道：“我可以这么说，我所取得的成就大部分应归功于他。”
瓦特最初遇到布莱克和罗比森，是1756年他为麦克法兰捐赠的那批仪器工作的时候。这批天文仪器非常精美，当瓦特在清洗和修理仪器的时候，把很多教授和学生吸引到他在物理系附近的小工作间里。在前来参观的教师当中，就有伦理学教授亚当。斯密。后来，这位教授曾以他那部名著《国富论》而驰名于世。他的经济理论曾被卡尔。马克思批判吸收，成为马克思主义政治经济学的来源之一。在格拉斯哥大学博物馆的正厅里，我们可以看到两座大理石雕像，分别是詹姆斯。瓦特和亚当。斯密。这两位生活在同时代的杰出人物，成为这所大学的历史骄傲。
约瑟夫。布莱克当时只有28岁，不久前才被任命为教解剖学和化学的教授。他是一位苏格兰酒商的儿子，出生在法国，曾在贝尔法斯特、格拉斯哥和爱丁堡受过教育，最后在爱丁堡大学的医学院毕业。然而，他最大的兴趣是在化学方面。在他的学术生涯中，曾因重新发现当时叫做“固定空气”的二氧化碳，提出潜热的概念，以及发现重碳酸盐而闻名于世。
布莱克的研究工作非常讲究精细准确，以至有“定量化学之父”的美称。
自从认识瓦特并逐渐成为朋友之后，布莱克常找瓦特帮他制造一些他所需要的实验仪器。实际上，正是由于那些仪器制造者们，通过自己的高超技术和精巧的工艺，使各种精密量具和观测仪器的准确度有了很大提高，才使得18世纪的很多科研成果的出现成为可能。例如，在精确的热度测量仪表出现之前，对于自然和物体的热度就只能通过观察来进行估计。由于有了这类精密仪表，布莱克才能够通过他所进行的一系列的科学实验，最终确立了特定热和潜热等理论。
布莱克教授对于自然热度的研究，是于1759年至1762年之间在格拉斯哥进行的。他注意到冰在溶解时要吸收热量，但温度并不改变，因此，他推论这部分热量一定是和冰的质点结合，从而成为潜热。在这一实验的后期阶段，瓦特曾对他提供过可贵的帮助。他利用瓦特为他特制的精密仪器仪表，于1761年对他的这一假设进行了定量实验，最后得到了完全证实。同样，他的潜热学说对瓦特后来进行的蒸汽机研制试验，也起了巨大的影响。
布莱克教授生于1728年4 月，比瓦特大8 岁。他身材高大修长，面孔端庄英俊，衣着整齐考究，举止彬彬有礼。他有一种惊人的魅力，能使所有的朋友都对他表示由衷的敬佩和尊重。科伯恩勋爵对布莱克教授，曾有这样一段评述：
就连最不听话的孩子见了布莱克，也都会表示尊敬。对于这样一位看来是那么温文尔雅、和蔼可亲而又名气很大的人，没有一个孩子会去惹他生气。
多年以后，罗比森在给瓦特的一封信里，回忆了他同布莱克第一次见面时的情景。他写道：
我第一次同他相识，是在您的工作间里遇到他的。当时，您正在擦洗麦克法兰的仪器。他悄悄地走了进来，背朝着我们站在那里，饶有兴趣地观赏着伯德的象限仪，独自轻轻地吹着口哨，他的那种风度，真使我为之动心。
布莱克、罗比森和瓦特这三个人，最后成为终生的坚定朋友。他们之间相互尊重，相互帮助，相互启发，贵在真诚。
约翰。罗比森当时是一个只有 18 岁的大学生。他对布莱克教授有点畏惧，但同瓦特在一起的时候，则是另外一种心情。他曾写道：
在我喜爱的那些学科（数学和机械原理）方面，我冒昧地以为自己相当精通。当后来发现瓦特先生比我强得多的时候，我又颇感自卑。然而，由于他对这些学科有着极其浓厚的兴趣，所以，对任何与他有着共同情趣的人，他都乐意与之攀谈……我到他那里去闲聊的时候很多，而且不消说，也经常和他逗趣儿。我们之间，就这样开始相识了。
1757年，19岁的罗比森在大学毕业并取得学位之后，曾申请留校给迪克博士当助手的职位，但由于他年纪太轻而未被接受。
两年以后，罗比森离开格拉斯哥，开始到国外周游。然而，他那种喜好追根寻底的活跃思路，却激励着瓦特去着手进行他们曾经探讨过的蒸汽试验。
罗比森于1759年乘船去过诺尔斯海军上将管辖的加拿大。当时，英国和法国为了争夺这块殖民地，正在进行一场战争。罗比森到了加拿大不久，正好经历了争夺魁北克的围攻战。这场旷日持久的战争打了7 年，结果法国战败，被迫于1763年签订《巴黎条约》，把在加拿大的法国殖民地割让给英国。
回到英国以后，罗比森又受到经度局的委托，乘船航行到西印度群岛，去对著名的哈里森经线仪进行测定。约翰。哈里森是英国的一位钟表制造商，与瓦特算是同行。当时，英国政府为了海外扩张的需要，专门成立了一个经度局，并授权该局重赏2 万英镑，奖给第一个发明航海天文钟的人。条件是这种航海天文钟必须有实用价值，用它来计算经度时，在从英国开往西印度群岛的航行中到达终点时，误差不得超过半度。摘取这项桂冠的是钟表匠哈里森。1762年，对他制造的第四号体积更小、准确度更高的航海天文钟进行了测验，结果是在一次开往牙买加的航行中，误差仅为5 秒。罗比森参加的这次远航，正是为了进行这项成功的测定。
1763年，罗比森回到格拉斯哥大学，担任了化学教授。他与瓦特的亲密关系，也很快恢复起来，而且好像从来就没有间断过一样。罗比森对于他的老师布莱克，也始终怀着尊敬与友情。布莱克的许多重要发现和原理，生前都没有发表过详细报告，而是写在自己的讲稿里。布莱克于1799年去世后，他的学生和朋友罗比森，把他的讲稿和笔记整理成书，以《化学原理讲义——已故布莱克在爱丁堡大学的讲稿》为题，于 1803 年出版。这本书将作为他们之间的友谊见证，永远传为美谈。
除了科技界的朋友之外，瓦特还结识了一些实业界的朋友。其中曾长期与之合作的有约翰。罗巴克、威廉。斯莫尔和马修。博尔顿等。他们不仅以其经济实力，支持过瓦特的科学实验；而且以其商业头脑，把瓦特的技术成果推向市场，使其能及时转化成生产力，自己也从中获取巨额的财富。这方面的情况，我们以后会逐渐介绍。
3.初试蒸汽
在英国有一个古老的传说，讲的是瓦特当年发现蒸汽作用力的美妙故事。
据说，当瓦特还是一个孩子的时候，在伦弗鲁郡格里诺克市他家中的大火炉旁，他注意到水壶中的水烧开时，把壶盖顶了起来，从而“发现了”蒸汽的作用力。在一幅由史东所绘的著名油画中，年轻的瓦特正和父母一起用茶，在餐桌上的水壶从水壶嘴冒出蒸汽，瓦特聚精会神地正在观察蒸汽由沸腾的水壶中冒出、凝结的情形。
这个故事当然是不真实的。它流传很广，使人家误以为瓦特是在家中喝茶时有了蒸汽机的构想。
其实，这段情节是根据他的一位阿姨所描述的。瓦特的阿姨这样说道：“我从来没有看过你这么游手好闲的男孩！快去看书或做些有用的事。你已经半小时没说话了，只会打开壶盖然后再盖上，现在又拿一个咖啡杯和汤匙放在蒸汽上面：观看蒸汽怎么从壶口冒出来，并且去盛接以及计算有多少水滴。”
无独有偶，在几百英里以外的德文郡达特茅斯市，当时也有一个十分类似的传说，却同瓦特的老前辈托马斯。纽科门的名字联系起来了。作为世界上第一台实用蒸汽机的制造者，纽科门最有资格誉为蒸汽机的最早发明家，而瓦特则起了一个伟大的改进者的作用。关于他们两个人的上述传说，只不过是一篇生动的民间故事而已，因为那种人所共知的现象，是用不着他们去发现的。远在古代，人们对蒸汽的作用力就有了认识；而在纽科门和瓦特的时代，蒸汽的作用力确定为自然科学已成为事实，后来则称为科学。
认识到一种力的存在是一回事，而要成功地驾驭这种力使之为人类所用，则是困难得多的另一回事。瓦特的功绩，就在于他通过不断的研究改进，终于找到了一种安全简便的办法，为工业提供了节能高效的蒸汽机。
自从瓦特诞生以来的两个多世纪，在人类历史的长河中，只不过是转瞬即逝的一刹那。然而，由于瓦特和他的继承者们的发明所引起的变化，却是那么巨大和广泛，以至于使他的童年时代所处的世界，与我们生活的当今世界相比，竟有着天壤之别，相隔甚远。
不过，在当时的英国也有两件新事，已经使工业革命的势头有了发展。
首先是阿布拉罕。达比于1709年前后，在希罗普郡的科尔布鲁克代尔，完成了利用焦炭炼铁的技术改进。这项新技术的采用，使炼铁工业不再受木炭供应的限制，从而有可能大量增加生产。其次是由于炼铁厂的老板们现在需要更多的煤炭，于是，托马斯。纽科门于1712年在斯塔福德郡，成功地安装了他的第一台矿用蒸汽机抽水泵，从而使得矿工们可以在矿井深层采煤。
纽科门的蒸汽动力泵机，在发明初期安装的不多。但在1733年这项发明专利权期满之后，采用它的人便很快增多起来。到了瓦特出生的时候，在苏格兰的埃尔郡和中洛锡安的一些煤矿里，也有一些这种动力抽水机在工作。
但同英格兰中部地区相比，苏格兰当时还是个不发达地区，几乎还没有受到新技术的触动。到了18世纪50年代，由于约翰斯莱顿等工程师使用了大口径的铁制汽缸，并对其他零件做了一些改进，纽科门式的发动机在英国的应用，在数量和功率两个方面都有了很大的提高。这激发了年轻的罗比森去思索新动力的可能性：为什么发动机的用途，只限于矿井抽水呢？难道不可以用它来转动机器，甚至驱动道路上行驶的马车吗？当他们在瓦特的作坊里交谈的时候，罗比森这些满怀希望的推想很快便引起了瓦特的兴趣。据斯迈尔斯说，他确曾设计出一种装有蒸汽机的车辆的原始模型，这种车辆带有两个用马铁片制作的汽缸。这次试验的失败表明了瓦特缺少这方面的知识，因而使瓦特决心加以弥补。瓦特从未见过纽科门式的发动机，于是他便开始研究，他从诸如德萨古利尔斯、贝利多尔和斯威策等作家那里了解到了他的前辈帕平、萨弗里和纽科门曾经取得的成就。
瓦特能够致力于这方面研究的时间是有限的，因此直到 1761 年、1762年，他才开始进入实际的试验阶段。他设法搞到了一个帕平蒸煮器（即现今高压锅的最初的雏形），把它用作蒸汽发生器，从而使他能确定蒸汽在高压情况下的功率。在这方面，他是按照萨弗里的办法进行试验的，萨弗里当年曾利用蒸汽的压力，把水管内的水顶上去。他把一个装有密封活塞块的小注水器连接到蒸煮器上，并在蒸煮器和注水器之间装一个阀门；根据阀门的转动方向，既能使蒸汽进入汽缸，也能把它全部排放出去。瓦特发现，在他使蒸汽进入汽缸的时候，这个小活塞就被往上顶，这股力可以顶起 15 磅的重量。当他转动阀门把蒸汽从蒸煮器里排放出去时，在汽缸里的蒸汽放尽后，活塞就下落，并且这种过程还可以连续反复。
即使从消极方面来说，这个第一次试验仍具有极大的意义。它表明从一开始，瓦特就如愿以偿地领会并证实了高压蒸汽具有膨胀力。瓦特确实制作过一台极其粗糙简单的高压蒸汽发动机，并且像他这样一位具有聪明才智的能工巧匠，是不可能在头脑里没有出现过这种想法的。倘若这种双向阀像纽科门式发动机上的阀那样是用机械操纵的话，这台蒸汽机就会成为自动的了。这种蒸汽机的运转原理与纽科门式发动机的原理相比会简单和有效得多。然而，瓦特却根本不考虑去采取这一有希望发展的途径。他之所以这样做的理由，可以用他自己的话来做出最好的解释：
我很快便放弃了根据这种原理制作发动机的想法，因为我知道它很容易导致对萨弗里的发动机的那些方面的否定，即萨弗里发动机的锅炉有发生爆炸的危险；难以使它的连接处密封；还有因为研制不了有助于活塞下降的真空装置，从而会浪费大量的蒸汽力等。
瓦特的这段解释，尽管是在回顾往事时所写的，但却无疑公允地说明了他当时不使用高压蒸汽的原因。的确，用当时通用的材料和工艺去制造一台锅炉，或者设计出能够经得住高压的接头和垫圈，本来就是件极端困难的事情。然而，有志者最后总会想出办法来的。瓦特最终确实采用了那套大大超过了当时实际条件的操作系统，并且在它取得成功之前，他在着手解决实际工程问题方面所遇到的困难，决不是不令人望而生畏的。瓦特在写上面这段话的时候，肯定知道这一点，不过他那过于谨小慎微和极端固执的作风，使得他在由于技术进步而原来那些困难已不复存在之后很久，仍然坚持反对使用高压蒸汽。他就是这样一个人：一旦认准了一条路比其他的路好，他就会一直沿着它走到底，决不回头。因此，他的第一次实际试验是具有决定性意义的。而那条令瓦特怯步的道路，却将留给那位伟大的康瓦尔人理查德。特里维西克去勇敢地开辟了。
瓦特反对利用高压发动机的另一个理由，是“有助于活塞下降”的真空装置会造成损失，其实，这种说法是自相矛盾的。实际上，这种损失只高达一个大气压，即每平方英寸13～14磅的压力，特里维西克后来的试验表明，当他把蒸汽加压到每平方英寸100 磅或100 磅以上时，这种损失简直是微不足道的。此外，特里维西克还表明，瓦特发动机上的真空装置的优越性，在某种程度上是被冷凝气泵耗费的力所抵消了；而冷凝气泵又是保持真空状态所必不可少的。
瓦特和特里维西克共有的惟一特点是：两个人几乎都没有一点精明果断的经商能力。而在其他各个方面，他们则大相径庭。奇怪的是，他们这种天生固有的秉性，似乎也如实地反映到了他们各自的创造发明上。瓦特的那种大型横杆式发动机，设计得机身庞大、沉重、运转缓慢、无噪音，而且运转起来是那样从容不迫，准确无误，这正是其制造者独具匠心的真实写照：谨慎、执拗、意志坚定和对工艺精益求精的态度。而在赫尔兰矿区的特里维西克式堪称为技术杰作的高压柱式发动机，其爆炸似的排气声，在5 英里以外的地方都能听得见，它简直集中体现了其制造者那种变幻莫测的创造力、勇猛的胆量和真正的潜力。
赫尔兰的这台发动机，仅仅是瓦特初次试验的那种装置的扩大型号而已，因为既做活塞又是活塞杆的柱塞杆，直接驱动抽水杆而不通过横杆起作用。瓦特不敢再对能顶起15磅重量的小活塞进一步加以改进。而特里维西克则用一个高12英尺、直径33英寸的汽缸，取代了瓦特的小注水器；他所使汽缸充气的压力相当高，因此当它喷汽轰鸣时，就像从锅炉安全阀冲出的蓝色火焰一样。把人们吓得惶惶而逃。当瓦特进行首次试验时，特里维西克还没有出生，但是当瓦特拆掉了他的装置，并决心另走一条不同的道路时，在这两位伟大的工程师之间的最终的尖锐冲突就注定要发生了。
4.勇闯新路
瓦特在摈弃了高压蒸汽的试验之后，他未来的进程似乎也是预先安排好的，因为导致他以后几次试验的情况完全是偶然发生的。在这方面，约翰。安德森教授在无意中起了作用。
在瓦特的第一位大学朋友和赞助人迪克博士于1757年5 月去世后，安德森便接任了他的自然科学教授的职务。大学责成安德森负责修复一台纽科门式发动机的操作模型，这台模型曾被送到伦敦的一位名叫西森的仪器制作师那里修理过。显然，西森未能胜任这项工作，因为最后把这台模型取回来时，发现它仍然转动不了。因此，安德森便派人把这台小型模型转送到了瓦特的作坊，并吩咐他使其恢复正常运转。不难想象，瓦特对于这一突如其来的天赐良机感到喜出望外，精神振奋。对瓦特来说，手头有了这么一台模型，要比只看一下与原物大小一般大的发动机要宝贵得多。他通过阅读资料，获得了知识，这就使他很快能让这台发动机运转起来，但是他对这台发动机的运转情况却很感失望。因此，为了了解他之所以感到不满意并努力加以改进，在这里有必要简要地介绍一下纽科门式发动机的工作原理及其应用方式。
纽科门式发动机体现着早在他之前便已经确立的两个科学原理的实际应用，其一是大气具有重压作用，从而使空气对凡是已将它排除的空间就无孔不入。早期的自然科学家们曾把这种结果，用一言以蔽之即“大自然憎恶真空存在”，但是，他们在制造真空来表明这一点理由上却遇到重重困难。德国萨克森的奥托。冯。格里克（1602—1686）和爱尔兰人罗伯特。博伊尔（1627—1691）俩人都曾用设计气泵的方法，把密封容器内的空气抽干净，从而获得这方面的成功。然而，法国人丹尼斯。帕平（1647—1714）用来造成真空的方法却迥然不同。他的方法表明，如果在一个密封容器内充满了蒸汽，那么空气就会被排出，而当这个密封容器冷却后，里面就会产生真空，因为蒸汽凝聚成水后所占的地方，只是密封容器全部容积中很小的一部分。这就是纽科门应用在他发动机上的第二个原理。
纽科门使用了一个在顶部开口的竖式汽缸中工作的活塞，他把这个汽缸直接安装在锅炉之上。蒸汽压力只要略大于大气的压力，蒸汽就可随意流入活塞下被封闭的汽缸底部。这个活塞通过铁链，与一个扇形齿轮连接，并把这个扇形齿轮装在一根木杆的一端，而横梁的中心则装有一个枢轴。在横梁的另一端，可用同样的方法连接着泵杆。由于泵杆的重压（在某些情况下还要平衡，借助于一种平衡砣来调整），把活塞拉向汽缸的顶部，与此同时进汽阀就被打开，使蒸汽冲入汽缸。随着活塞到达冲程的顶端，进汽阀便被关闭，注水阀即告打开。这就使冷水从安装在高处的水箱里喷进汽缸，水箱之所以安装在高处是为了提供一个良好的水位差。在那张著名的格拉斯哥模型图纸上，可以清楚地看到这个注水箱。喷射冷水的目的是使汽缸里的蒸汽冷凝，因而造成真空。于是，大气压就作用于活塞上面，把它压下来，从而提起泵杆，把水从矿里抽出。这样一道工作程序就完成了。汽缸里的蒸汽冷凝后的水和注入的水，以及随着蒸汽带进汽缸的空气，则通过排水阀和排气阀排放干净，否则就会积聚起来，用当时流行的一个形象的说法，就是这台发动机就要“动弹不了”。关于最初的纽科门式发动机，蒸汽阀和注水阀据说都是人工操作的，但它们不久便通过高架横梁上的一根被称为塞杆的装置而机械地进行工作了。
正像在前面提到过的那样，对纽科门式发动机的主要反对意见是它的燃料消耗量特大。瓦特读过关于这一问题的权威性论述，其中指出，汽缸经喷注水冷却以后，要不断被重新加热，在此期间，以蒸汽形式产生并使用的部分热量便被浪费掉了。例如，德萨古列斯就坚决反对以铁制汽缸来取代最初时期发动机上所用的黄铜汽缸。他振振有词地争辩说：薄壁的黄铜汽缸比起传热慢而又笨重的铁汽缸来传热和散热要迅速得多，因此，采用铁汽缸是倒退了一步，这就使发动机的效率降低了。尽管如此，铁制汽缸还是成功了。
由于技术上的原因，用铁铸造的汽缸要比用黄铜铸造的汽缸大得多，这就使得制造那些能从较深处抽水的并具有大功率的发动机成为可能。对于那些煤矿主来说，只要这些发动机能有更大的功率，把水从矿井中排除干净，效率的高低却是无关紧要的。然而，这台小发动机的模型的运转特性却故意与一丝不苟的瓦特作对。
瓦特发现这台发动机模型耗费的蒸汽如此之多，以至超出了那只使之运转的小锅炉的能力，而一次只能完成几个冲程而已。他决心要找出造成这种状况的原因，而他解决这个问题的方式与前人相比，则要根本得多，科学得多。在此之前，德萨古列斯并没有对如此过度耗费蒸汽这一问题给瓦特提供过完整的答案，但他意识到在做深入研究之前，他必须从已知的常数中确定某些测量的基础。在大气压力下，一定数量的水能产生多少数量的蒸汽？而要蒸发这样数量的水又需要多少热量？并且在产生了这样数量的蒸汽之后，又需要多少冷水才能使蒸汽冷凝还原为水？在提出这些问题并寻求其答案的过程中，瓦特探索的思路同约瑟夫。布莱克是一样的，尽管他没有意识到这一点。
瓦特的第一次试验是用一把水壶，从壶嘴上接一根管子，通进一个带刻度的并盛有冷水的烧瓶里。然后，他把水壶里的水烧开，直到烧瓶里的水的温度达到沸点，此时就再也没有一点蒸汽会冷凝了。他注意到烧瓶里的水的数量已增加了1/6 ，这便是蒸汽冷凝下来的水。由此他做出了正确的推算：如果要把水变成蒸汽，那么在水达到沸点时，它就能比原来它本身的体积增加6 倍。然后，他又把这一结果转换成温度的形式，他的办法是把1 克水从零摄氏度提高到100 摄氏度所需要的热量，作为100 个热量单位。试验开始的时候，烧瓶里冷水的温度是11摄氏度，因此要把这1 克水的温度提高到沸点，就需要89个热量单位。然而，这项试验却表明：从水壶里出来的蒸汽，能够将与其等量水的温度提高到沸点，并使其体积增加6 倍，其结果是所耗费的热量单位为534 个。瓦特无法对这一现象做出解释。接下去所发生的情况，最好用他自己的话来加以说明：
由于对这一异乎寻常的事实感到十分惊疑和不理解其原因，我便向我的朋友布莱克博士提起此事，他于是对我解释了他的潜热理论，这一理论他在此以前就已讲授过一些时候了；但是由于我自己一直在忙于谋求生意，因此，当我无意中发现了一个用绝妙的理论加以证实的无可辩驳的事实时，即使是我以前对它就有所闻，我也是不会去重视它的。
正如布莱克对瓦特解释的那样，当水沸腾并转变成蒸汽的过程中，尽管温度不再进一步升高，但却继续吸收热量。当蒸汽冷凝时，这部分热量就会被释放出来，正是这一结果，曾使瓦特感到迷惑不解。实际上，他们俩得出的结论是相同的，只是通过的途径不同而已。瓦特所取得的534 个热量单位这一数字（注：当今蒸汽潜热的精确数字为537 个热量单位），正是布莱克所说的蒸汽的潜热。布莱克对于他的结论能被别人用这种实际的方法加以证实，自然感到喜悦，因此，他以极大的兴趣关注着瓦特试验的进展，并且给了他很多帮助和指点。罗比森回到大学后，他也同样满腔热忱地鼓励瓦特进行试验。
一旦瓦特掌握了关于潜热的理论，纽科门式发动机效率低的症结也就迎刃而解了，并且这对他后来的所有试验工作都起着指导的作用。他终于知道了在汽缸交替加热和冷却的过程中，损失掉的热量到底有多少；通过试验还发现，对进汽和注水做再多的调整，都无法弥补这一基本缺陷。他曾利用了几个星期的时间，为此绞尽脑汁，也没有能够解决这一矛盾，即从效率考虑，应该尽可能地保持汽缸的热度，而为了造成真空，似乎又必须使汽缸冷却。
他对于摆脱这一进退两难困境的途径的发现，正是他最著名的一项创举。瓦特在晚年曾对格拉斯哥的一位工程师罗伯特。哈特确切地讲述了这一发现的由来。
瓦特想到解决的办法，是在偶然的机会里，他是在一个星期天下午散步时产生的灵感。
那是一个美丽的四处漫溢草香的1765年5 月。和风徐来，吹动格拉斯哥草地上的低矮丛林。这是一块河边的广阔草地，羊群在这儿啃食青草。洗衣妇们都在这儿晒床单。工作之余，大家也都来这儿沿着河岸散步，并且享受新鲜的空气。由于苏格兰严格规定星期天不准工作，于是瓦特会穿上他星期天的最佳行头，离开他的工作台，和其他人一样，来到河边草地呼吸新鲜空气。
他这时已经成家了。这天下午，他的太太待在家里。瓦特一个人出门。
他一面深思，一面经过洗衣妇的屋子，以及牧羊人住的屋子。
突然之间，他想到了这个谜底的答案。
瓦特说：“那是在格拉斯哥的格林公园里发生的事情。在一个晴朗的安息日下午，我出去散步。我走过那家老洗衣房，然后又通过夏洛特街尽头的大门，进入了这个公园。当时，我正思考着那台发动机的问题。当走到赫德剧场时，有一个想法浮现在我的脑海里：由于蒸汽是一种具有弹性的物体，因此，凡是有真空的地方，它就无孔不入；如果在汽缸和排气室之间有一条通道的话，那么蒸汽就会涌进这个排汽室里，并且可能在那里冷凝而不需要冷却汽缸。然后我又领会到，如果我使用一个像纽科门式的发动机上的那种喷嘴，我就准能解决冷凝蒸汽和注水的问题。为了做到这一点，我想到了两条途径，其一，如果能制成一条向下延伸三十五六英尺长的排水管，那么水就可以从这条管道流走，而所有的空气则可由一个小气泵抽出；其二，制造一个大到足以把水和空气一起抽走的泵……当我还未走过高尔夫球场的时候，对这件事情的整个安排便已经胸有成竹了。”
瓦特的这一重大构思就这样形成了，他急得手指发痒，跃跃欲试，想先搞出模型来，可是出于对苏格兰安息日的考虑，他不能马上就到他那个靠近牛肉市场尽头的一个小院中的小作坊里去。这个小作坊就是他当时（1765年5 月）进行试验工作的地方。但是，就在第二天，他便开始动手制造了一个装置，尽管这个装置设计简单、制作粗糙，但却能够使他对他的新理论进行检验。现在同瓦特的其他的一些模型一起保存在科学博物馆里的这个装置，被认为是分离式冷凝器原理的第一次历史性的应用。按照传统的做法，这台装置归科学博物馆所有是理所当然的。它是由伯明翰的詹姆斯。瓦特公司于1876年赠给科学博物馆的。由于这正是我们所期望的，因此看来也就没有理由去怀疑它的真实性了。这个装置是由三个直立排列的圆筒状主要部件组成的。首先是一个装有保温套的封闭式蒸汽汽缸，另外还配有一个活塞和一个活塞杆，这个活塞杆的下端通过一个填料函伸出来，头上带有一个挂钩，用来提升供试验的重物。这个汽缸的旁边是冷凝器部件和气泵筒，这两个部件在其底部，由一个作为冷凝器一部分的长方形水箱把它们连接在一起。虽然，这台小模型肯定在某个时候损坏过，并且修理时所用的方法也未能使它运转，但瓦特用来证实自己理论的方法，却似乎是显而易见的。
他首先是往冷凝器里倒冷水。只要临时去掉气泵缸上的活塞，就能够做到这一点。然后，他使蒸汽通过一条管子以及与汽缸顶部相连接的管子注入汽缸，里面要排除的空气便从冷凝器顶上一个简单的单向阀泄出。当蒸汽开始从这个阀门喷出时，就表明汽缸里已经充满了蒸汽。于是关闭蒸汽开关，气泵活塞便升起，在冷凝器里造成部分真空。这就使得蒸汽从汽缸进入了冷凝器，并在这里通过冷却，水得到冷凝，这样就在活塞上部的汽缸里造成了真空。由于在蒸汽缸套里处于大气压下的蒸汽是与活塞下面的汽缸相通的，所以必然会把活塞推向汽缸顶部。当蒸汽再次进入汽缸顶部时，活塞两面的压力便均衡了，结果，加在活塞杆上的重压就会使活塞再次返回底部。于是，这种循环就又开始了。
显然，这个小模型用这种方式只能运转几个冲程而已，因为冷凝器里的水很快就会变得太热，从而无法使蒸汽有效地冷凝下来。不过这运转几个冲程，就足以向这位欢欣鼓舞的发明家证明：他的设想是行得通的；他使两种看来互相对立的条件一致起来，即既要保持汽缸的恒热，又要在汽缸里造成有效的真空。
瓦特在证实了自己的观点之后，他的当务之急便是设计和制造一个高效率的冷凝器。蒸汽冷凝器有两种：一种是喷射型的，另一种是表面型的。纽科门运用的是喷射原理，他采取喷洒冷却水的办法，使发动机的汽缸里的蒸汽冷凝。表面型冷凝器原理，是给进入的蒸汽提供最大的冷却面积。它除了冷凝的是蒸汽而不是冷却水之外，其他的功能和设计都与汽车上的散热器类似。其实，安装在本世纪晚些时候制造的那些蒸汽型汽车上的冷凝器，与传统的散热器没有什么区别。正如人们将会看到的，后来，瓦特采用了喷射式冷凝器，然而，他最初试验的却是表面型冷凝器，它是用马口铁皮焊成一些小桶，在小桶上安装着小圆管或狭长形的槽，冷水可以通过它们而循环流动。
罗比森后来讲述了发生在这一时期的一件小事。这件小事非常清楚地说明了瓦特复杂性格中的两个侧面：一个侧面是他会偶尔出现一种强烈的自信情绪，这同他常有的意志消沉和自我怀疑的情绪形成了鲜明的对照；另一个侧面是他那种秘而不宣的性格，使他有时甚至对自己最好的朋友都信不过。
有一次，罗比森没打招呼就闯进了瓦特家的起居室，发现这位发明家正坐在火炉旁，他的膝盖上放着“一个小小的马口铁箱”。罗比森后来才明白，这就是表面冷凝器。毫无疑问，瓦特当时正在用火炉里烧着的烙铁焊接它。罗比森立刻便开始兴致勃勃地同他谈起这个他们俩都极为关注的问题，而且还向瓦特问起试验的进展如何。瓦特却闭口不答，默默地坐在那里凝视着炉火。
过了很长时间，当罗比森继续追问他的时候，他才终于冷冷地瞅着他并粗暴地开口说道：“老兄，你就用不着再操这份心了；我现在已经制成了一台一点蒸汽都不会浪费的发动机了。它将全部沸腾发热，咳，要是我高兴的话，还可以注进热水。“说完之后，他就把那个小小的马口铁箱放在地板上，用脚把它轻轻地踢到桌子底下，不让人看见，事情就这样结束了。直到后来，罗比森才间接地听说，他这个朋友发明的是一个分离式冷凝器。
瓦特吹嘘得太早了，他虽然已经取得了重大的发现，但是他所提到的那台发动机，只不过是一个并不完美而且是个粗糙的玩具而已，它仅适于说明一个理论罢了。要将这个玩具变成一台大功率的、实用的机器，还需要很多年的时间。瓦特在这些充满了困难、沮丧和挫折的岁月里再不能“单干下去了”，而需要从他的朋友那里得到一切帮助和鼓励。
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