哈格里夫斯、阿克莱特和塞缪尔发明的机器都比较小，并且都是木制的。为了让这些伟大的发明发挥更大的作用，还要满足两个要求——制作材料必须结实耐用，驱动力必须稳定可靠。经过英国人的努力，最终问题得到了解决。

钢铁是制造机器时非常好的材料，但是钢铁工业在18世纪还没有形成规模。让我们简单地从头回顾一下钢铁的历史。就像其他很多元素一样，铁的历史可以追溯到世界的开端，那时候地壳刚开始形成。在地球早期的千变万化中，地势低洼的沼泽地带被茂密的森林所覆盖，随后森林腐烂变成了煤炭。含碳的水渗透土壤，把流经之地的铁微粒都带走。这些铁微粒不断地向更低的地方集中，沉积到了岩石的裂缝里面；雨水溶解石灰岩形成凹坑，并将携带的铁沉积到这里。这些铁矿石隐秘地在那里一待就是很多年，没有人知道它们的存在。

我们不知道人们什么时候第一次学会了使用铁。因为铁被混杂在石头中，没有很高的温度是不能将它们提炼出来的。铜和锡的熔点相比于铁要低很多，人们可能在学会了使用它们之后很久仍然没有发现铁。或许我们永远也不知道是谁第一个发现了熔化铁的方法。第一个铁熔炉或许是这样的：在一堆燃烧的木材上面放一些铁矿石，然后再用黏土将其封起来以保存热量，并在黏土层的上方留一个孔方便排烟，下面留一些孔让空气进来以保持木材在燃烧状态。这样一个熔炉工作几天的回报就是几磅铁。

人们很早就知道通入更多空气可以让火的温度更高。一开始，他们可能通过一个中空棍子做成的管子吹气，但这样太辛苦了，人们开始寻找更好的办法，于是发明了风箱。最早的风箱是用羊皮缝成袋子，里面充满空气，再加上一个喷嘴和阀门，用它把空气挤到火里。通过这种既低效又辛苦的方法，早期的人们成功地得到了一些铁。

可能接下来的一步就是把燃料从木材变成木炭，这样可以使火的温度更高。随后人们发明了卡塔兰熟铁炉。这是一个圆锥形的陶制或石头火炉，使用了由马或者水流带动的更加强劲的风箱。所有这些改进都发生在中世纪。

鼓风炉是在古老的卡塔兰熟铁炉的基础上改进的。在人们使用卡塔兰熟铁炉的时候，同时也在想办法加强吹入空气的力度。他们把熔炉造得更高，仍然把空气压进去。这样一来，更高的炉子和更强的气流可以让人们炼出更多的铁。这些铁会流到炉子的底部，汇入到准备好的炉缸里。他们还发现，如果把石灰石和木炭混合在一起烧，铁矿石中的很多杂质可以与石灰石结合形成炉渣。炉渣比铁轻，当它到达熔炉底部的时候，会浮在铁水上，方便去渣。

到了18世纪，人们发现英国有很多铁，但是没有木炭的话，就无法把它们从矿石中炼出来。炼铁需要太多的木炭，以至于那个时候英国的木材几乎被耗尽了。之前曾覆盖着大地的广袤森林很快消失不见。议会担心造船厂会因此没有足够的木材来造船，于是制定了非常严格的法律来限制伐木。所以，人们面对的问题是没有木炭的情况下如何才能得到制造机器用的钢铁。

自从地球诞生，在英国的土地下面就慢慢积累着丰富的煤层。煤炭从多处地表露出，人们一定早就对它很熟悉了。但是很多年来，它一直仅被当作黑色的石头，而人们从未想过石头可以燃烧。过了一段时间，人们知道这种东西可以燃烧并产生巨大的热量。但是只要还有足够的木头可以烧，就没有人愿意费劲去找其他燃料。有时候在煤炭资源丰富的地区，人们会拾一些煤块作为燃料，慢慢地，他们开始挖浅层的煤矿。

新式的纺纱机和织布机产生以后，钢铁的需求量迅速增加。同时木材的稀缺也让燃料的需求更加紧迫，所以人们开始挖掘煤矿。这个工作异常辛苦，人们需要用筐子把煤炭背出来。如果你去参观300年前的煤矿，你会看到女人们在一筐筐煤炭的重压下弓着身子，费劲地爬着梯子或者盘绕的台阶，从煤矿深处走出来。还有些煤矿的通道太过狭窄，成年人根本不能进去把煤炭拉出来，于是他们就雇用小孩。一些孩子被用作“看门工”，他们整天待在一扇小门后专门为他们掏的小洞里，手里牵着一根连在门上的线。当听到运煤车过来时，就打开门让它通过，然后再把门关上。这些可怜的孩子一整天都在黑暗中度过，连烛光都看不到。另外一些孩子把满载煤炭的小车沿着通道推出来或者拉出来。人们有时还会用手轱辘把绑在绳索上的煤筐拉出来，四五个人在地面推着轱辘一圈圈地转，很是辛苦。若矿井更深，就需要用马来拉动轱辘绕圈走。绞盘和滑轮组的结合可以帮助一匹马把沉重的煤筐拉出矿井。

炼铁对煤炭的需求渐增，矿井也越挖越深。另外一个问题的出现，让这项工作变得更加艰难。深处的矿井经常被水淹没，人们只能先一桶一桶地把水运出去。人们把桶沉到矿井底部，让它打满水，然后再用长长的锁链把这桶水拉上来。这是缓慢而又繁重的工作。使用这样简陋的方法，几乎不可能给炼铁提供足够的煤炭。人们迫切需要能够把水从矿井中快速抽出并把煤炭快速运上来的机器。

古往今来，人类一直在寻找能够帮助自己工作的动力。在最开始，人类只有依靠自身的力量，但随着负荷的加重，人的后背、胳膊和腿就变得疲劳无力了，只得开始寻找其他的方法。后来人类学会了让动物帮助自己劳动。有一天，看到山间的激流冲走挡在前面的一切东西时，某个先人意识到可以利用水流的力量。他在水中搭建了一个轮子，水流转动轮子就会产生动力。后来人们也学会利用拥有巨大旋臂的风车产生风能来抽水、磨面以及做其他事情。

所有这些设备都赋予了人类比自身强大很多的力量。但是水车只有在有水瀑的地方才能使用，风力很不稳定，而动物的力量也是有限的。多少年以来，人类一直都梦想着拥有一种比他们已知的更有用的力量。这种力量就是蒸汽的膨胀力。

人们一直都对蒸汽很好奇，于是不断地做实验测试它的用途。我们所知的有关蒸汽最古老的实验，是古希腊一个名为希罗的人做的。他发明了一个简单的装置，叫作“风神之球”。在一个顶端有开口的球状容器中将水加热，蒸汽通过两根管子从顶部出来，它的力量猛烈到足以让这个球在空中飞转。当然，这仅仅是一个玩具，但是它提示了人们：蒸汽可以用来做功。

基于这个想法，数百年来人们不断地用蒸汽做实验，想要找到一种可以利用它的方法。公元1629年，一个意大利医生布兰卡在研究了希罗的蒸汽装置之后，自己也发明了一个。他在一个人头形的金属壶里烧水，蒸汽只能通过一根“含在人嘴里”的细管出来。从管子中喷出的蒸汽吹着一个轮子，使之转动；轮子连接着两个转轴，带动两根用来在研钵里捣药的棍子。这是蒸汽第一次真正被应用在工作中。

丹尼斯·帕平是一个法国人，他第一个想到通过管状或圆筒状的汽缸利用蒸汽，这样就可以将蒸汽的全部力量都利用上。他把一个叫作活塞的圆盘放入汽缸中，通过调整松紧度，使之可以做上下运动，然后在汽缸的底部烧水使之变成蒸汽，膨胀的蒸汽把活塞向上推起；当蒸汽冷却时，活塞落下来，其力量足以使绑在上面的绳子吊起一个重物。当运动的活塞被连接到机械装置上，蒸汽的推力就派上了用场。就这样，人们终于有了第一台蒸汽机，一台人们可以随心所欲控制和利用的动力机器。

托马斯·萨弗里首次尝试了让蒸汽在矿井中派上用场。他制造了一台蒸汽机——“矿工之友”，可以用来抽水，而且不需要使用吊桶辛苦地提水就可以排干矿井中的积水。萨弗里的几台机器都被用在矿井里，这使得矿工们可以在更深的地方工作。但是这些机器排水效率很低，并且很耗煤。

托马斯·纽科门做了进一步的改进，他是一个居住在达特茅斯的五金商人。在经过大量的工作和多次失败之后，纽科门成功制造出了一台运转良好的泵。这个泵上有一根横梁，一端连着一个重物，另一端连着活塞。当重物下落时，把活塞拉到汽缸的顶端，蒸汽从下方烧火的地方进入汽缸。这时一股冷水被喷入汽缸中，导致蒸汽降温冷凝，汽缸内压力降低，活塞向下走，带动横梁另一端的重物被举起。这就是这台泵的做功过程。

据说有位名为汉弗莱·波特的天才少年对纽科门的泵做出了重要改进。纽科门的泵需要一个人控制阀门，以便让冷水或者蒸汽进入汽缸。这项工作太简单了，所以一般是由小男孩来做的。汉弗莱就是在一个煤矿上做此项工作的孩子。有一天，汉弗莱在看管阀门，心里却想着出去玩耍。他第一次注意到，当连接蒸汽机的横梁降到最低点的时候，其中一个阀门必须打开；当横梁在另一边升到最高点的时候，阀门则必须关闭。他的脑海里飞快地闪现出一个主意，为什么不让横梁自己做这个工作呢？他迅速把绳子绑到运动的横梁上，让横梁控制阀门，他就可以自由地玩耍了。汉弗莱这个方法被普遍认可，很快就被应用到了所有的蒸汽泵上。人们用连杆代替绳子，这样机器就可以自动运转了。

很多煤矿采用了纽科门的机器，它被使用了将近70年。但是这种机器低效又很费燃料，供它运转所消耗的煤炭几乎和使用它生产出来的煤炭一样多。只有发明一个比这个既笨重又低效的机器更好的机器，钢铁行业才能更快发展。公元1763年，詹姆斯·瓦特开始着手去改进纽科门的蒸汽泵，以减少它的煤炭消耗量。

詹姆斯·瓦特出生在苏格兰。他小时候身体不好，不能去学校，就在家接受来自父母亲的家庭教育。小瓦特非常喜欢摆弄东西，他常常把自己的玩具拆散，再重新组装成新的玩具。

一次偶然的机会，当他趴在地板上，用粉笔在灶台上画线的时候，他父亲的一个朋友说：“瓦特先生，你应该把孩子送到学校去，不能让他在家虚度光阴。”

“看看我的孩子在你批评他之前多么专注。”瓦特先生回复道。

尽管只有6岁，瓦特却正忙着画三角形和曲线，尝试解决一个几何问题。这位客人问了他几个问题，他都巧妙应答。

“原谅我，这个孩子的教育没有被疏忽。他不是一个一般的孩子。”他说。

瓦特的姨妈住在他们家不远处，瓦特经常和她在一起。据说，有一天，他的姨妈发现他在厨房里研究茶壶。瓦特弯腰看着茶壶，使劲盯着从壶嘴里喷出的蒸汽。很快，壶盖开始格格作响，摇晃了起来。他拿走盖子，用一个玻璃杯罩在蒸汽上，看着里面冷凝的水滴。姨妈认为这很无聊，就责骂他：“詹姆斯·瓦特，我从来没有见到过你这样的小懒虫。你为什么不拿本书去看，好让自己有点用？过去的一个小时里，你一句话都没说，只是把壶盖从茶壶上拿掉再放上去。你这样浪费自己的时间，不感到羞耻吗？”

长大以后，瓦特大部分时间都在父亲的商店里度过，这里存放着轮船的补给，也做轮船维修。他有一个小小的锻造炉和一张自己的工作台。在这里他制作了起重机和滑轮组，研究了各种金属和木材的使用方法。瓦特心灵手巧，工人们都评价他“靠手就能发财”“指尖藏着一笔财富”。

最终瓦特要进行职业选择了。他的父亲本想让他继承自己的生意，但是瓦特曾在这上面赔过一大笔钱，看起来最好还是让他选择一个能够发挥他机械天赋的生计。因此，瓦特前往格拉斯哥，成为一名仪器制造商。他成了格拉斯哥大学教授们的好朋友，为他们清洁修理各种各样的仪器。

有一天，一个纽科门蒸汽泵的模型被送过来让他修理。在观察它工作的过程中，瓦特发现交替进行的加热和冷却动作使得泵运行得非常缓慢并且浪费蒸汽。因为热量的损失，这种机器永远也不能低能耗地工作，因为要保持它的运转所需的燃料太多了。

瓦特对这个问题非常感兴趣。他认为汽缸根本就不应该被冷却，反而应该一直保持与进入其中的蒸汽同样高的温度。但是如何才能让汽缸一直保持高温呢？从那时开始，他完全投入到如何制造更有用的蒸汽机这个吸引人的研究中。一连好几个月，他不分日夜地工作，用蒸汽进行实验。他租用了一间老旧的地下室，制造了一台蒸汽机模型。但是尽管花费了大量的时间和金钱，他的尝试都失败了。

后来，他灵光一闪，突然想出了解决方案。“公元1765年，一个晴朗周日的下午，我正在散步，”他在日记中写道，“我正在思考蒸汽机的问题，以及如何才能节省汽缸的热量。这时候一个主意突然浮现在我的脑海里：既然蒸汽是可伸缩的，它会自动跑到真空里。如果用一根管子把汽缸和一个真空的容器连接在一起，蒸汽就会冲进容器里，不需要冷却汽缸就可以在容器里冷凝。我没有走太远，整个过程就在我脑子里理顺了。”

第二天瓦特立即开始行动，渴望把想法变成现实。接下来就是多日的努力和频繁的失败。尽管如此，瓦特非常自信，他没有放弃。围绕着蒸汽机工作了几年之后，瓦特终于有了令自己满意的成果。

瓦特最初制造出的蒸汽机非常粗糙，它喷着烟，冒着火，浑身萦绕着嘶嘶响的蒸汽，所以他称之为“魔王”。最后，“魔王”散成了碎片，瓦特很绝望，却没有放弃。老“魔王”被运送到了伯明翰，让那里最好的机械师修理。损坏的零件被一个个地修好，最终它又能正常工作了。经过数年的思索和努力，瓦特的第一台真正的蒸汽机终于诞生了。但是即便这样，还需要做很多工作才能让它成功投入使用。

当时伯明翰有一位富有的制造商，名字叫马修·博尔顿。他对瓦特的蒸汽机很感兴趣，就与瓦特建立了合伙关系，为瓦特提供资金供他继续研究。远近的矿主们都来参观瓦特的研究成果。瓦特的蒸汽机从煤矿中抽水的效果是他们从未见过的。蒸汽机的订单如雪片般飞来。到了公元1783年，欧洲的很多煤矿都在使用瓦特的蒸汽机。

詹姆斯·瓦特的晚年幸福而富足。他一直在做实验，直到生命结束。家中阁楼上的一个小工坊是他最喜欢的地方，他很乐意待在那里一连工作好几个小时。“如果没有爱好，”他说，“那算什么生活？”

蒸汽机本来是为了从煤矿中抽水而发明的，但是很快人们就发现任何机器都可以用钢铁制造，用蒸汽驱动。英国有大量的铁矿可供制造机器，有丰富的煤炭资源可以提供机器的驱动力。瓦特的蒸汽机可以让英国人充分利用这些资源，在接下来的20年里，瓦特蒸汽机风靡整个英国。到18世纪末，蒸汽机派上了大用场，英国所有的先进产业都离不开由动力驱动的机器。曾经低效而繁重的工作，现在可以快速轻松地完成。机器让英国的货物供大于求，进而增大了出口量。矿山和工厂，铸造厂和锻造厂，都成了工业中心。凭着这些，英国成了世界工厂，我们至今仍生活在英国创造的机器时代里。

瓦特的蒸汽机给世界带来了新的力量，地球早期无边无际的森林所吸收的太阳能因它成为人们工作的动能。这些远古的树木就像我们现在所知的那些树木一样生存成长，在温暖的阳光里变得茂密繁盛，从空气中吸收了数以百万吨的碳。然后猛烈的地壳运动埋葬了这些森林，使之成为煤炭，在地表之下隐藏了无数的岁月，直到最后被挖掘出来为人类工作。因此可以说，是这些被埋葬了的远古沼泽赋予了人类重塑地球面貌的热量和能量。