fire and footprints
火光與腳印
人類發展經曆了漫長時期。最重要的進化，是學會使用工具，有了“技術”。
沒有工具，人類就是一個脆弱的物種，沒有任何人可以手無寸鐵地麵對自然。技術伴隨人類成長，從野蠻走向文明。人類曆史就是一部技術史。
幾十萬年前，地球上有多種猿人，都是非洲叢林中的普通種群，以啃食野果為生。但是，其中一種猿人，也許是基因突變，也許是偶爾使然，學會了以鋒利的石塊采割果實，捕獵動物，剝製獸皮。這一“技術”的獲得，讓它從其他猿人和動物中分離出來，人類學家稱它為“智人”(homo sapiens)。人類曆史由此開始，史稱“舊石器時代”。
石器之外，智人還學會了取火。火對於古人類猶如電對於現代人。火能煮熟食物，以前無法吃的塊莖、種子、皮肉可以成為熟食。食物的改善讓人類大腦進一步發育，加快了進化。火提供溫暖，讓人類在冰河時期未遭滅絕。火提供照明，夜幕降臨也能活動，並能進入洞穴等黑暗場所。火能擊退野獸，還能將茂密的叢林燒成食物滿地的原野。
語言是取火之外的又一重大技術。語言從唱鳴喊叫進化而來，最初的語言是少數驚歎詞和名詞，慢慢發展到表達行動和關係。語言讓人類得以交換、傳遞思想，集結同類，人類成為社會性動物，發展出社會組織（氏族、部落）。
約12000年前，以製陶器技術為標誌，新石器時代開始。製陶技術屬於“火化技術”，後來發展出冶金技術，用天然粗銅冷加工製作了很多有用的工具。新石器時代房屋建造已經使用灰泥和砂漿，利用土料土坯和石塊建造房屋。新石器時代晚期，有了專職的陶匠、編織匠、泥水匠、工具製作匠。人們觀察天空，判斷方向、季節和收割時間。約10 000 年前，他們掌握了野生植物的生長規律，開始播種、耕作，人類從食物采集轉至食物生產，發展出農業和牧業技術。編織技術出現，剪羊毛，種植亞麻和棉花，紡線，織布。人類開始過著定居的生活，開始了較完備的食物生產和生活方式。
約6000年前，以青銅器（銅錫合金）的出現為標誌，人類進入“青銅器時代”，直至公元初年。較之石器，金屬工具有更大的優點。金屬製造涉及采礦、冶煉、鍛造和鑄造等複雜技術，需要熔爐風箱。金銀加工、麵包釀酒技術也隨後出現。動物被用來牽引和運輸，出現了車、船。依靠新的灌溉技術和農業技術，生產力提高，人口增加，國家開始出現。
為了分配剩餘產品，需要把口頭的和定量的信息記錄下來，出現了書寫和計算。由“結繩記事”進化到文字，出現楔形文字、象形文字、拚音文字。書寫替代了身傳口授，其後漸漸產生出有文學價值的成分。計算是隨同書寫一起發展起來的技術，用於計數、交換、記賬。天文學、占星術、氣象學和法術伴隨曆法出現，曆法不僅用於農業，也用於儀式活動和經濟活動，如確定簽約和履約的日期。天文學、占星術、巫術用於預測莊稼收成、軍事行動或皇帝的未來。醫術也發展起來，皇家有專職禦醫，他們積累解剖學和草藥的經驗和知識。
青銅器時代後期，出現了埃及、華夏、印度、希臘、羅馬等古文明。強盛的羅馬帝國橫跨地中海、歐洲和近東。
古羅馬人是古代最偉大的工程師。羅馬文明就是技術的文明。技術鑄就了所向無敵的羅馬軍團和四通八達的道路網、供水係統。羅馬政體民主、法律完備，是保證帝國機器運轉的極重要的社會技術。公元前100年羅馬人發明了水泥。這項關鍵技術改變了建築工程和人居麵貌。水泥支撐了羅馬帝國的擴張。到處都有技術和工程活動。工程師得到社會的認可，有的人還得到過國家工程領域的最高地位，如羅馬的維特魯維（vitruvius i ）曾擔任羅馬皇帝奧古斯都的建築師。
約公元前600—前300年，史稱古希臘時代。希臘人的心智中萌生了一種奇特的嶄新的精神力量，開始了發現世界和認識自然的觀察和思索，對象包括天體、地震、雷電、疾病、死亡、人類知識的本性等。科學，又稱為自然哲學，由此濫觴發源。
希臘海岸曲折，山嶽嶙峋，寒風凜冽，生存條件並非優越，卻孕育了一個活力充溢的民族，建造起先進的文明。沒有哪個古代社會像古希臘一樣湧現過那麽多的賢哲，在遠古建立過那麽良好的政體。完善的民主製度釋放出自由空氣，賦予希臘人思索的閑暇和樂趣。能理性地探討社會製度，也就能理性地探究自然原理。科學在希臘誕生，絕非偶然。
希臘米利都的泰勒斯（thales of mliletus，公元前625—前545年）也許是世界上第一位科學家。他發現了靜電，用三角形原理測量海上船隻的距離，提出尼羅河水每年的泛濫是地中海季風引起，大地像船浮在水上，地震是浮托大地的水在做某種運動引起，水是孕育生命的萬物之源。他的觀點也許是幼稚的，方法卻是“科學”的：采用理性思考的方式，沒有涉及神或超自然的東西。別忘了當時是巫術和迷信盛行的蒙昧時代。泰勒斯及其追隨者都是有神論者，他告誡人們“神無處不在”，例如，磁石就有“靈魂”。泰勒斯卻讓自然界脫離神性，把自然當作研究目標，理性思考，提出解釋。
希臘不斷湧現科學家。畢達哥拉斯（pythagoras，公元前580—前500年），證明了畢達哥拉斯定理（勾股定理）。恩培多克勒（empedocles，公元前495—前435年），提出月亮由反射而發光，日食由月亮的位置居間所引起。德謨克利特（democritus，公元前460—前370年表），提出萬物由原子構成。歐幾裏得（euclid，公元前330—前275年），總結了平麵幾何五大公理，編著流傳千古的《幾何原本》。阿基米德（archimedes，公元前287—前212年），提出浮力定律，算出球麵積、球體積、拋物線、橢圓麵積，研究出螺旋形曲線（“阿基米德螺線”）的性質。發明了“阿基米德螺旋提水器”，成為後來的螺旋推進器的先祖。他研究螺絲、滑車、杠杆、齒輪等機械原理，提出“杠杆原理”和“力矩”的觀念，曾說“給我一個支點，我就能撬起整個地球”。設計、製造了舉重滑輪、灌地機、揚水機等多種器械。為抗擊羅馬軍隊的入侵，他製造拋石機、發射機等武器，最後死於羅馬士兵的劍下。
這些科學開拓者要麽自己擁有資產，要麽以擔任私人教師、醫師為主，並不存在“科學家”這一職業（“科學家”這一名詞直到兩千多年後的1840年才出現）。蘋果掉落在地上，星星為什麽懸在空中？古希臘人探索科學完全發自對自然奧秘的興趣或精神追求，形成了亞裏士多德的純科學傳統。
亞裏士多德（aristotle，公元前384—前322年）與柏拉圖（to，公元前428—前347年）、蘇格拉底（socrates，公元前469—前399年）並稱為西方哲學奠基人。蘇格拉底年輕時喜歡自然哲學，但哲學的偏好使他放棄了自然研究，專注於思考人的體驗和美好生活。蘇格拉底後來被雅典法庭以侮辱雅典神和腐蝕青年思想之罪名判處死刑，他本可以逃亡，卻認為逃亡會破壞法律的權威，自願飲毒汁而死。他的衣缽傳給柏拉圖。柏拉圖建立了一所私人學校（柏拉圖學園，存在800年之久），傳授和研究哲學、科學。學園大門上方有一條箴言：“不懂幾何學者莫入”。亞裏士多德、歐幾裏得是其中的學生。
柏拉圖死後，亞裏士多德在愛琴海各地遊曆，被召為王子的家庭教師，王子就是後來的亞曆山大大帝。如同所有的希臘科學家一樣，亞裏士多德不接受國家當局的監督，與當權者無任何從屬關係。他的講書院設在雅典郊區的一處園林裏。他的純科學研究涉及邏輯學、物理學、宇宙學、心理學、博物學、解剖學、形而上學、倫理學、美學，既是希臘啟蒙的巔峰，也是其後兩千年學問的源頭。他塑造了中世紀的學術思想，影響力延及文藝複興時期。他觀察自由落體運動，提出“物體下落的快慢與重量成正比”。他研究力學問題，認為“凡運動的事物必然都有推動者在推著它運動”，因而“必然存在第一推動者”，即存在超自然的神力。地上世界由土、水、氣、火四大元素組成。白色是一種純淨光，其他顏色是因為某種原因而發生變化的不純淨光。他對五百多種不同的植物動物進行了分類，對五十多種動物進行了解剖研究，是生物學分門別類第一人，也是著述多種動物生活史的第一人。他的顯著特點是尋根問底：為什麽有機體從一個受精卵發育成完整的成體？為什麽生物界中目的導向的活動和行為如此之多？他認為僅僅構成軀體的原材料並不具備發展成複雜有機體的能力。必然有某種額外的東西存在，他稱之為eidos，這個詞的意思和現代生物學家的“遺傳程序”頗為相近。亞裏士多德堅信世界基本完美無缺而排除了進化的觀點。
他專注於科學，卻遠離技術，認為科學活動不應考慮功利、應用。在追隨亞裏士多德的曆代科學家看來，他代表了科學的本質和純粹——對自然界以及人類在其中地位的一種非功利的、理性的探索，純粹為真理而思考。
亞裏斯多德的科學方法論，被奉為經典影響了兩千年。科學清高脫俗，不觸及實際問題，更不說去解決實際問題。不僅如此，從柏拉圖開始就形成了一種輕視體力勞動的風氣，排斥科學的任何實際的或經濟上的應用，使理論與實踐分離。
羅馬與希臘相反，工程技術欣欣向榮，科學卻不景氣。羅馬人不重視——實際是蔑視——科學理論和希臘學問。他們全力以赴地解決衣食住行、軍事征戰的技術問題，不需要對日月星辰這些司空見慣的現象尋求解釋。
公元476年，羅馬帝國滅亡，被蠻族文化取代，大部份羅馬文明被破壞，歐洲進入黑暗的“中世紀”（公元476—公元1453年）。羅馬先進的知識和技術，包括水泥製造技術，都失傳了。在其後的1200年裏，歐洲人不得不依賴落後的沙土黏合材料建造房屋，直至1568年法國工程師德洛爾姆（philibertdel’orme，1514—1570年）重新發現羅馬的水泥配方。
在此後的一千多年裏，中國成為技術輸出的中心，向歐亞大陸輸送了眾多發明，如印刷術、造紙術、火藥、羅盤、船尾舵、鑄鐵、瓷器、方板鏈、輪式研磨機、水力研磨機、冶金鼓風機、葉片式旋轉風選機、拉式紡機、手搖紡絲機械、獨輪車、航海運輸、胸帶挽具、軛、石弓、風箏、螺旋槳 、深鑽孔法、懸架、平麵拱橋、鐵索橋、運河船閘閘門、航海製圖法，等等。英國哲學家法蘭西斯培根(francis bacon,1561—1626年)寫道：“我們應該注意到這些發明的力量、功效和結果。印刷術、火藥、指南針這三大發明在文學、戰爭、航海方麵改變了整個世界的許多事物的麵貌和狀態，並由此引起了無數變化，以致似乎沒有任何帝國、任何派別、任何星球，能比這些技術發明對人類事務產生更大的動力和影響。”
所謂物極必反，中世紀的“黑暗”促成了歐洲的一係列技術創新，包括農業技術、軍事技術及風力水力技術，一躍成為一種生機勃勃的具有侵略性的高度文明。
歐洲水源豐沛，農田不需要灌溉，但土壤板實，必須深耕。歐洲農業革命的兩大技術創新，一是采用重犁深耕。重犁配有鐵鏵，安裝在輪子上，由8頭犍牛牽引，從深處翻起土壤；二是用馬代替牛作為挽畜，馬拉得更快，更有耐力。歐洲傳統用牛，其頸上挽具隻適合牛的短頸，不適合馬。中國人的胸帶挽具傳入歐洲，這種像項圈一樣的挽具將著力點移到馬的肩部，不會壓迫氣管，使馬的牽引力增加了四五倍。歐洲從此改用馬作畜力，重犁獲得普遍推廣，由二田輪作改進為三田輪作，提高了生產力。馬替代牛，提高了效率，擴大了人的活動範圍，使社會更加豐富多彩。
技術促成中世紀歐洲崛起的不止是農業。馬鐙改變了歐洲的軍事技術。騎士是歐洲封建製度的代表形象，全身披掛甲胄，威風凜凜跨騎在用盔甲防護的戰馬上。但歐洲沒有馬鐙。騎士雙腳懸空騎在高頭大馬上，無法坐穩，一旦臨敵，往往得滾身下馬，步行迎戰。馬鐙由中國傳入，它沒有運動部件，雖然簡單，卻可以讓騎手穩坐馬背，作戰不會摔下來。一位騎手配備了馬鐙，就構成一個穩固的整體，可快速馳騁，產生強大的衝力，形成所謂的“騎兵衝刺”。歐洲的騎兵簡直就是中世紀的“坦克”。騎兵衝刺這種新型戰爭技術使騎士成為職業軍人，由貴族領主供養，由此產生了封建關係。這種區域性封建關係自由分散，不需要專製社會那樣的中央政府管理。
在發生這些變化的同時，歐洲的工程師們發明了新機械，找到了新能源，最突出的是改進和完善了水車、風車和其他機械，利用風力驅動風車，利用潮汐驅動水輪。歐洲各地都有豐滿的小河，到處都能看到水車運轉。水車推動著各種各樣的機器，如鋸木機、磨麵機和鍛打機等。機械的使用節省了勞力，奴隸製度隨之消失。
中國人9世紀發明了火藥，13世紀傳到歐洲，14世紀初歐洲人造出火炮。到1500年，歐洲製造槍炮成為十分普遍的技術。16世紀滑膛槍出現。在火炮、滑膛槍麵前，弓箭、大刀、騎兵、長槍退出戰場。“火藥革命”削弱了騎士和封建領主的軍事作用，取而代之的是用火藥裝備的陸軍、海軍。葡萄牙人發明了風力驅動的多桅帆船，取代老式的有槳劃船，裝上火炮，成為炮艦，最終產生了全球性影響，為重商主義和殖民主義開辟了道路。
技術的發展在歐洲產生如此巨大的影響，科學在其中並沒起什麽作用。重大的發明如火藥和羅盤在中國發明。當時在自然哲學中無任何知識可用於研製兵器。航海屬於技藝，不屬於科學。炮兵、鑄造匠、鐵匠、造船工程師和航海家在進行發明創造的時候，靠的是代代相傳的經驗、技藝。以造船為例，船帆和索具不好用，就改進；炮舷窗不靈活，就嚐試安裝靈活機動的炮車。技術是逐步改進完善的，經驗是實踐積累的。技術和工業仍同古羅馬時代一樣，與科學沒有聯係，既沒向科學貢獻什麽，也沒從科學得到什麽。
歐洲人認識到自然界有取之不盡的資源，應開發利用，於是獨創了一種研究學問的機構——大學（universitas） 。但早期的大學沒有把科學和技術作為追求目標，主要培養牧師、醫生、律師。自然科學設在文學院，主要課程是邏輯學。亞裏士多德的邏輯和分析方法是研究任何問題的唯一概念工具，學者們按照神學觀點來解釋世界，地球是宇宙的中心，太陽照亮了星星。直到哥白尼、伽利略出現。1543年，波蘭科學家哥白尼（nikj kopernik， 1473—1543年）出版了他的《天體運行論》，推翻了地心說，提出日心說，開始了科學革命（至牛頓時期完成），讓人類由中世紀的觀點走出，從一個封閉的世界走向一個無限的宇宙。1616年宗教裁判所判定哥白尼學術為異端邪說。
意大利科學家伽利略（galileo galilei，1564—1642年）研究了斜麵、慣性和拋物線運動。在已有望遠鏡的基礎上，製成了放大30倍的望遠鏡，指向天空，搜尋天上世界，發現了月球的山脈，木星的衛星，太陽的黑子，銀河由星星組成，驗證了哥白尼學說。1632年伽利略出版《關於托勒密和哥白尼兩大世界體係的對話》，1633年被宗教裁判所判定為“最可疑的異教徒”，遭終身監禁並被迫在大庭廣眾下認罪。70歲的伽利略已是半盲，作為囚徒，又寫出了一本科學傑作《關於兩種科學的對話》，闡述了兩項重要發現：受力懸臂的數學分析及自由落體運動，後者推翻了亞裏士多德的“越重的物體下落得越快”的兩千年定論，現代科學開始。
伽利略逝世同年，牛頓（isaac newton，1642—1727年）出生。1665年，牛頓因為躲避黑死病，離開劍橋回家鄉隱居18個月，這18個月是科學史上的幸運期，牛頓醞釀了一生主要的科學成果：微積分，色彩理論，運動定律，萬有引力，幾個數學雜項定理。但他不喜歡撰寫和公布自己的學問，直到因為與皇家學會發生齟齬，在埃德蒙·哈雷（edmond halley,1656—1742年）的勸說下，才於1687年出版了《自然哲學的數學原理》，闡述了萬有引力和三大運動定律，展示了地麵物體與天體的運動都遵循著相同的自然定律，奠定了此後三個世紀裏物理學和天文學的基礎。借助牛頓定律正確算出彗星回歸的哈雷用詩句讚道：“在理性光芒的照耀下，愚昧無知的烏雲，終將被科學驅散。”
科學當時仍屬哲學範疇。《自然哲學的數學原理》充滿了哲學意蘊，讀過此書的人腦海中都會浮現出一個宇宙形象：一部神奇而完美有序的機器，行星轉動如同鍾表的指針一樣，由一些永恒而完美的定律支配，機器後麵隱約可見上帝的身影。美國開國元勳製訂憲法時不忘牛頓體係，稱：“牛頓發現的定律，使宇宙變得有序，我們會製訂一部法律，使社會變得有序。”
牛頓證明了科學原理的真實性，證明了世界是按人類能夠發現的機理運行的。把科學應用於社會的輿論開始出現，人們期待科學造福人類。甚至牛頓在論述流體力學時也輕描淡寫了一句“我想這個命題或許在造船時有用”。視科學為有用知識的弗朗西斯培根對此作了理論提升，提出“知識就是力量”。
但是，也僅此而已。牛頓力學三百年後才被用於航天發射和登月飛行，當時隻能作為知識儲存在書本裏。16世紀和17世紀的歐洲，在科學革命的同時並未發生技術革命或工業革命。印刷機、大炮、炮艦一類的發明未借助科學。除了繪圖學，沒有任何一項科學的成果在近代早期的經濟、醫學、軍事領域產生過較大的影響。即使是伽利略的拋物線研究，顯然在大炮和彈道學方麵會有潛在價值，可事實上，在伽利略之前，歐洲的大炮已有三百年的曆史，在沒有任何科學或理論的情況下，憑著實踐經驗，大炮技術已發展得相當完備了，炮兵學校有全套教程，包括射程表等技術指南。毋寧說是炮兵技術影響了伽利略的拋物線研究，而不是伽利略的科學影響了當時的炮兵技術。
當時航海技術中最大的“經度難題”，也不是靠科學解決。由於無法測量船隻所在的經度，歐洲人的海上活動受到限製，隻能傍海岸航行。包括伽利略在內的很多天文學家嚐試過解決辦法，未能成功。1714年，英國國會以2萬英鎊懸賞“確定輪船經度的方法”，要求儀器在海上航行每日誤差不超過2.8秒。1716年法國政府也推出類似的巨額獎金。最後的解決者，不是科學家，而是匠人。英國鍾表匠哈裏森（john harrison，1693—1776年）先後做出4個海上計時儀，其3號鍾使用雙金屬條感應溫度，彌補溫度變化（今天依然在用），裝上平衡齒輪（滾動軸承和螺旋儀的前身）防止晃動，抵消船上的顛簸和晃蕩，比任何陸地上的鍾表都精確，每日誤差不到2秒，45天的航行結束，準確地預測了船隻的位置，符合領獎條件，但英國國會拒絕履約。哈裏森繼續改進，4號鍾用發條替代鍾錘，進行了兩次從英格蘭到西印度群島的航海實驗，3個多月誤差不超過5秒，相當於將航天探測器降落在海王星上，降落點誤差隻有幾英尺。國會還想耍賴，但航海界認定4號鍾比皇家天文台的航海圖優越得多。哈裏森在83歲生日那天得到了獎金。
17世紀是實驗科學興起和傳播的時期。吉爾伯特（gilber，1544—1603年）用磁體作實驗，伽利略讓不同球體在斜麵滾下，托裏拆利（evangelista torricelli，1608—1647年）用裝有水銀的管子發現了空氣壓力原理，哈維（william harvey，1578—1657年）解剖過無數屍體和活體以了解心髒的作用，胡克（robert hooke，1635—1703年）通過測試彈簧獲得胡克定律，牛頓讓光束通過透鏡和棱鏡研究光的組成。實驗成為檢驗理論或猜想的一種方便且必須的工具。科學家依靠儀器，同一時代的科學更多地靠技術幫助，卻很少給技術以幫助。以望遠鏡為例，天文學家一直在使用技術上不斷改進的望遠鏡，得出許多驚人的發現。第一架望遠鏡是荷蘭眼鏡匠利漢斯·伯希（hans lippershey，1570—1619年)發明的。高倍望遠鏡光束穿過透鏡後會產生色散、球麵像差和畸變。解決方案還是來自技術領域，依靠玻璃製造工藝解決的。用幾種折射率不同的玻璃互相補償製成複合透鏡，這已經是1730年以後的事情了。
18世紀初，牛頓、伽利略等科學巨人引領的科學革命歸於沉寂，歐洲仍然是一片農業社會景象。90％的人住在鄉村，從事農業。即使城市居民，能夠見到的製成品要麽是農田的產物，要麽是能工巧匠的製品。能源不過是動物或人類的肌肉力量，加上木材、風力、水力而已。
18世紀60年代，瓦特（james watt，1736—1819年）在紐科門(thomas neen，1663—1729年)發明的基礎上改良蒸汽機。煤在蒸汽機中燃燒，提供動力，引發第一次工業革命（18世紀60年代—19世紀初），人類進入“蒸汽時代”。蒸汽機加快了新能源（煤）的開采和使用（此前動力和熱力來源，包括煉鐵，主要靠燃燒木材）。盡管中國的鐵匠11世紀就發明了用煤做燃料的熔煉方法，英國直到1709年由亞伯拉罕達比(abraham darby，1676—1717年)發明了焦炭，才不再依靠森林提供燃料。煉鐵局麵改觀，世界進入鐵器和機器時代。英國發明家理查德·特裏維西克（richard trevithick，1771—1833年）的高壓蒸汽機用於鐵路，1814年第一台蒸汽機車出現，1830年迎來鐵路時代。1886年，德國工程師卡爾本茨（karl friedrich benz，1844—1929年）製造出世界上第一輛汽車。這一係列技術革命引起了從手工勞動向動力機器和工廠化生產的飛躍。
18世紀之前，人不知工廠為何物，商品都是手工、家庭、作坊製造的。工業革命後出現的工廠發展出高度集中的規模生產，標準化部件的製造製度（源於英國，在美國得到更廣泛的應用）被亨利福特(henry ford,1863—1947年)在汽車工業中發展成生產流水線，大大提高了生產力。
構成18世紀工業革命基礎的所有技術，仍然是工程師、技師、工匠做出來的，幾乎沒有或根本沒有科學理論的貢獻。科學家仍沿襲亞裏士多德的傳統，追求知識和精神上的滿足，不考慮理論的應用。技術行家們也未吸取科學的營養，如同古羅馬的工程師，追求實用，實踐出真知，對理論不感興趣。科學與技術各行其道，直到19世紀後期。
在技術獨步天下的時代，英國率先頒行專利法，保護技術壟斷。18世紀80年代，法國化學家貝托萊（c.l.berthollet，1748—1822年）發現漂白織物的氯化方法。因蒸汽機而富裕的瓦特，其嶽父是個漂白劑製造商，瓦特想由他們三人共同申請專利，獲取厚利。貝托萊拒絕道：“一個人愛科學，就不需要財富。”他以純科學態度進行研究並發表了結果。這件事顯示了18世界以後技術與科學的一個區別：科學是發表、共享，尋求知識和真理；技術是壟斷、功利，尋求實用和價值。仍以瓦特為例，他並非蒸汽機的發明人，隻是改良人，但他首先申請了專利，並想方設法延長專利保護期。英國當時的大政治家愛德蒙布克（edmund burke， 1729—1797年)在國會上雄辯經濟自由，反對製造不必要的壟斷，但瓦特的合作夥伴太強大，簡單的原則無法打敗他。專利獲批後，瓦特的主要精力就不再是蒸汽機技術的改進，而是借助法律打壓其他發明者和改良者。蒸汽機在英國的真正普及和重大改進實際是在瓦特專利期滿之後。
科學史和技術史都證明了同樣或類似的發現發明可以在不同區域、由不同的人在不同時間作出。牛頓和萊布尼茨分別發明微積分，達爾文和華萊士分別發現進化論，就是有力的證明。自然規律、原理就在那裏，它們遲早會在某處或某時被某人發現或利用。蒸汽機如果不是瓦特改進，也會有別人改進。但專利法的邏輯卻是：某種發明或點子隻能是最先申請專利的人想到，別人想到就是剽竊；最初的發明不許別人改進，否則就是侵權。這與科學背道而馳。
科學與技術的這一分野，導致了人們對科學和技術的不同觀感。一個重大的科學發現，幾乎全人類為之慶賀；一項重大技術的出現，人們首先想到的是又一個商業機會、盈利模式。正如美國科學家特萊菲爾（james trefil，1938年至今）所謂的特萊菲爾定律（trefilw）所說：“每當有人發現自然的原理，其他人很快就會跟從研究，並找出如何從中牟利的方法。”我們看到十幾歲的孩子因為下載歌曲而被追訴“音樂盜版”，看到非洲艾滋病人因為無力支付專利持有者的高價藥物而死亡，也看到泰國政府寧願侵犯知識產權也支持仿製藥物，以挽救人的性命。專利製度從產生之日起就飽受爭議。但這是另一話題，不表。
曆史進入19世紀。1821年，英國科學家邁克爾·法拉第（michael faraday，1791—1867年）發現了電磁感應，奠定了電磁學基礎。1870年，麥克斯韋（james clerk maxwell，1831—1879年）總結出電磁理論方程（麥克斯韋方程），統一了電、磁、光學原理。化學、熱力學等領域也產生了將煤氣、汽油和柴油的熱能轉化機械動力的理論。第二次工業革命（19世紀70年代—20世紀初）興起。1866年，德國的西門子（e.w.von siemens，1816—1892看）製成了發電機。1873年，比利時的格拉姆（gramme， 1826—1901年）發明了電動機，電燈、電車、電話、電報、電影放映機也隨之出現。以煤氣和汽油為燃料的內燃機、柴油機也先後問世，內燃汽車、遠洋輪船、飛機相繼出現。人類社會初具現代化雛形，進入電氣化時代。
與第一次工業革命迥然不同的是，第二次工業革命的所有新技術、新發明都建立在科學理論的基礎之上。技術與科學涇渭分明、各行其道的曆史，至此終結。此後，科學引領技術，成為文明的引導力量，帶動人類社會突飛猛進。
此後的20世紀，科學可謂群星燦爛。普朗克（max nck，1858—1947年）的方程式，愛因斯坦的相對論，薛定諤（erwin schr?dinger,1887—1961年）和狄拉克（paul dirac,1902—1984年）的量子力學，魏格納（alfred lothar wegener,1880—1930年）的大陸漂移學說，摩爾根（thomas hunt morgan,1866—1945年）的遺傳變異理論，哈勃(edwin p.hubble，1889—1953年）的宇宙膨脹說，海森堡（werner karl heisenberg,1901—1976年）的不確定性原理，克裏克（francis harry pton crick,1916—2005年）和沃森（james dewey watson，1928年至今）的dna結構，馮·諾依曼（john von neumann,1903—1957年）和圖靈（n mathison turing,1912—1954年）的計算機理論，計算機無限地擴大了人的腦力，航天技術將人類送上太空和月球，哈勃望遠鏡在600千米的太空觀察到130億光年外的原始星係。人類對世界有了全新的認識，也有了前所未有的強大手段。
這種強大手段，首先展現在戰爭上。20世紀的兩次世界大戰，傷亡人數超過1.2億。參戰雙方都從實驗室源源不斷推出新式武器：戰機、坦克、潛艇、毒氣、原子彈。16世紀，列昂納多·達芬奇（leonardo da vinci，1452—1519年）就構思過“可以水下航行的船”，卻被視為“邪惡”“非紳士風度”而被摒棄。但第一次世界大戰時期的1914年9月22日，德國u－9號潛艇一個小時內就擊沉3艘英國巡洋艦。第一次世界大戰期間，各國潛艇共擊沉192艘戰艦，5000餘艘商船。第二次世界大戰更被稱為物理學家的戰爭，圖靈的密碼機破解了德國“英格瑪”的密碼係統，幫助盟軍製服了德國潛艇，雷達幫助英國皇家空軍贏得了不列顛之戰，原子彈結束了二次世界大戰。
曆史上，帝國的興起都不會依靠巫術般的科技，也很少有戰略家想到要製造或擴大科技的差距。19世紀前，軍事的優勢主要在於人力、後勤和組織。但20世紀以後，特別是原子彈的威力，喚起了各國政府對科學和技術的重視，揭開了科技發展的新一頁。強大的武器需要精確的製導技術，推動了計算機、電子技術的發展，人類步入數字時代。集成電路、微處理器和互聯網普及到每個家庭和個人，科技進入了一個更廣闊的空間——商業應用。
政治和商業的卷入，重新塑造了科學和技術本身。亞裏斯多德開創的純粹科學越來越稀有，科學和技術越來越受政治和資本的支配，沒有明確應用前景或商業價值的科學和技術難以獲得資本的支持。科學家不再是希臘先賢那樣的自由個體，而是研究機構或組織的的雇員，按主管者規劃的“專業”方向探索。許多科學研究和技術發展，都是軍事所發起。
20世紀奠定基礎的數字技術，在21世紀大放異彩。無處不在的網絡將地球變成了一個天涯咫尺的村落，機器人不僅進入了生產流水線，更進入了“專業工作”領域。人工智能獲得自我學習能力，展示了無可限量的前景。
20世紀前，人們或許還能把技術和科學區分開來，機器由工程師或技術人員製造。但在數字時代，技術和科學相互依存，相互促進：沒有科學就產生不出新技術；而產生不出新技術，科學研究也就失去了意義。科學和技術實際上以“流水線”模式銜接推進——基礎研究發現原理、規律，打開視野和思路；應用研究探索其技術或商業的可行性；技術開發（r&d）把成果製成有用的產品。
21世紀，人類生活的各個方麵，已沒有科學和技術尚未進入的領域。今天的任何商品，都是科學和技術結合的產物。以無處不在的手機為例，方寸之間，集人類數千年科學和技術成果之大成，數百位科學家、發明家薪火相傳，才帶來今天這種執世界於掌心的智能設備。每次打開手機，都使用物理、化學、光學、電磁學、計算機、互聯網、無線電、通信、量子力學、相對論的原理。科學與技術水乳交融，巧奪天成。
回顧曆史，技術胼手胝足、勞苦功高地扶持人類十多萬年。三千年前，科學涓涓細流，濫觴發源。在技術與科學分離的時期，從石器時代到電氣時代，人類走了十萬年；從泰勒斯的靜電到法拉第的電磁感應，科學走了二千五百年。自從技術與科學結合，從法拉第揭幕的電氣時代，到今日的數字時代，還不到二百年。近半個世紀來，奠定數字時代基礎的集成電路元器件數量每12個月就翻一番，性能提升一倍。21世紀，僅僅幾年時間，移動網絡、大數據就統治了世界，人工智能已開始侵蝕人類的地位。科技進程日益加速，對人類的影響日甚一日。
“科技之巔”書係之宗旨，就是逐年記錄這一偉大進程，通過年度重大突破性技術，鏤刻科技創新的火光與腳印，激發讀者的靈感與雄心。
書係第一冊已於2016年出版，收錄2012—2016年度“50大全球突破性技術”。本書是第二冊，收錄2017年度“10大全球突破性技術”。
美國開國元勳約翰·亞當斯（john adams， 1735—1826年）說：“我們這一代人必須研究政治和軍事來壯大國家，兒輩則要學習數學和工程來創造財富。這樣，孫輩們才可以學習繪畫、音樂和詩歌。”縱觀古今，未來，在於科技。
火光與腳印
人類發展經曆了漫長時期。最重要的進化，是學會使用工具，有了“技術”。
沒有工具，人類就是一個脆弱的物種，沒有任何人可以手無寸鐵地麵對自然。技術伴隨人類成長，從野蠻走向文明。人類曆史就是一部技術史。
幾十萬年前，地球上有多種猿人，都是非洲叢林中的普通種群，以啃食野果為生。但是，其中一種猿人，也許是基因突變，也許是偶爾使然，學會了以鋒利的石塊采割果實，捕獵動物，剝製獸皮。這一“技術”的獲得，讓它從其他猿人和動物中分離出來，人類學家稱它為“智人”(homo sapiens)。人類曆史由此開始，史稱“舊石器時代”。
石器之外，智人還學會了取火。火對於古人類猶如電對於現代人。火能煮熟食物，以前無法吃的塊莖、種子、皮肉可以成為熟食。食物的改善讓人類大腦進一步發育，加快了進化。火提供溫暖，讓人類在冰河時期未遭滅絕。火提供照明，夜幕降臨也能活動，並能進入洞穴等黑暗場所。火能擊退野獸，還能將茂密的叢林燒成食物滿地的原野。
語言是取火之外的又一重大技術。語言從唱鳴喊叫進化而來，最初的語言是少數驚歎詞和名詞，慢慢發展到表達行動和關係。語言讓人類得以交換、傳遞思想，集結同類，人類成為社會性動物，發展出社會組織（氏族、部落）。
約12000年前，以製陶器技術為標誌，新石器時代開始。製陶技術屬於“火化技術”，後來發展出冶金技術，用天然粗銅冷加工製作了很多有用的工具。新石器時代房屋建造已經使用灰泥和砂漿，利用土料土坯和石塊建造房屋。新石器時代晚期，有了專職的陶匠、編織匠、泥水匠、工具製作匠。人們觀察天空，判斷方向、季節和收割時間。約10 000 年前，他們掌握了野生植物的生長規律，開始播種、耕作，人類從食物采集轉至食物生產，發展出農業和牧業技術。編織技術出現，剪羊毛，種植亞麻和棉花，紡線，織布。人類開始過著定居的生活，開始了較完備的食物生產和生活方式。
約6000年前，以青銅器（銅錫合金）的出現為標誌，人類進入“青銅器時代”，直至公元初年。較之石器，金屬工具有更大的優點。金屬製造涉及采礦、冶煉、鍛造和鑄造等複雜技術，需要熔爐風箱。金銀加工、麵包釀酒技術也隨後出現。動物被用來牽引和運輸，出現了車、船。依靠新的灌溉技術和農業技術，生產力提高，人口增加，國家開始出現。
為了分配剩餘產品，需要把口頭的和定量的信息記錄下來，出現了書寫和計算。由“結繩記事”進化到文字，出現楔形文字、象形文字、拚音文字。書寫替代了身傳口授，其後漸漸產生出有文學價值的成分。計算是隨同書寫一起發展起來的技術，用於計數、交換、記賬。天文學、占星術、氣象學和法術伴隨曆法出現，曆法不僅用於農業，也用於儀式活動和經濟活動，如確定簽約和履約的日期。天文學、占星術、巫術用於預測莊稼收成、軍事行動或皇帝的未來。醫術也發展起來，皇家有專職禦醫，他們積累解剖學和草藥的經驗和知識。
青銅器時代後期，出現了埃及、華夏、印度、希臘、羅馬等古文明。強盛的羅馬帝國橫跨地中海、歐洲和近東。
古羅馬人是古代最偉大的工程師。羅馬文明就是技術的文明。技術鑄就了所向無敵的羅馬軍團和四通八達的道路網、供水係統。羅馬政體民主、法律完備，是保證帝國機器運轉的極重要的社會技術。公元前100年羅馬人發明了水泥。這項關鍵技術改變了建築工程和人居麵貌。水泥支撐了羅馬帝國的擴張。到處都有技術和工程活動。工程師得到社會的認可，有的人還得到過國家工程領域的最高地位，如羅馬的維特魯維（vitruvius i ）曾擔任羅馬皇帝奧古斯都的建築師。
約公元前600—前300年，史稱古希臘時代。希臘人的心智中萌生了一種奇特的嶄新的精神力量，開始了發現世界和認識自然的觀察和思索，對象包括天體、地震、雷電、疾病、死亡、人類知識的本性等。科學，又稱為自然哲學，由此濫觴發源。
希臘海岸曲折，山嶽嶙峋，寒風凜冽，生存條件並非優越，卻孕育了一個活力充溢的民族，建造起先進的文明。沒有哪個古代社會像古希臘一樣湧現過那麽多的賢哲，在遠古建立過那麽良好的政體。完善的民主製度釋放出自由空氣，賦予希臘人思索的閑暇和樂趣。能理性地探討社會製度，也就能理性地探究自然原理。科學在希臘誕生，絕非偶然。
希臘米利都的泰勒斯（thales of mliletus，公元前625—前545年）也許是世界上第一位科學家。他發現了靜電，用三角形原理測量海上船隻的距離，提出尼羅河水每年的泛濫是地中海季風引起，大地像船浮在水上，地震是浮托大地的水在做某種運動引起，水是孕育生命的萬物之源。他的觀點也許是幼稚的，方法卻是“科學”的：采用理性思考的方式，沒有涉及神或超自然的東西。別忘了當時是巫術和迷信盛行的蒙昧時代。泰勒斯及其追隨者都是有神論者，他告誡人們“神無處不在”，例如，磁石就有“靈魂”。泰勒斯卻讓自然界脫離神性，把自然當作研究目標，理性思考，提出解釋。
希臘不斷湧現科學家。畢達哥拉斯（pythagoras，公元前580—前500年），證明了畢達哥拉斯定理（勾股定理）。恩培多克勒（empedocles，公元前495—前435年），提出月亮由反射而發光，日食由月亮的位置居間所引起。德謨克利特（democritus，公元前460—前370年表），提出萬物由原子構成。歐幾裏得（euclid，公元前330—前275年），總結了平麵幾何五大公理，編著流傳千古的《幾何原本》。阿基米德（archimedes，公元前287—前212年），提出浮力定律，算出球麵積、球體積、拋物線、橢圓麵積，研究出螺旋形曲線（“阿基米德螺線”）的性質。發明了“阿基米德螺旋提水器”，成為後來的螺旋推進器的先祖。他研究螺絲、滑車、杠杆、齒輪等機械原理，提出“杠杆原理”和“力矩”的觀念，曾說“給我一個支點，我就能撬起整個地球”。設計、製造了舉重滑輪、灌地機、揚水機等多種器械。為抗擊羅馬軍隊的入侵，他製造拋石機、發射機等武器，最後死於羅馬士兵的劍下。
這些科學開拓者要麽自己擁有資產，要麽以擔任私人教師、醫師為主，並不存在“科學家”這一職業（“科學家”這一名詞直到兩千多年後的1840年才出現）。蘋果掉落在地上，星星為什麽懸在空中？古希臘人探索科學完全發自對自然奧秘的興趣或精神追求，形成了亞裏士多德的純科學傳統。
亞裏士多德（aristotle，公元前384—前322年）與柏拉圖（to，公元前428—前347年）、蘇格拉底（socrates，公元前469—前399年）並稱為西方哲學奠基人。蘇格拉底年輕時喜歡自然哲學，但哲學的偏好使他放棄了自然研究，專注於思考人的體驗和美好生活。蘇格拉底後來被雅典法庭以侮辱雅典神和腐蝕青年思想之罪名判處死刑，他本可以逃亡，卻認為逃亡會破壞法律的權威，自願飲毒汁而死。他的衣缽傳給柏拉圖。柏拉圖建立了一所私人學校（柏拉圖學園，存在800年之久），傳授和研究哲學、科學。學園大門上方有一條箴言：“不懂幾何學者莫入”。亞裏士多德、歐幾裏得是其中的學生。
柏拉圖死後，亞裏士多德在愛琴海各地遊曆，被召為王子的家庭教師，王子就是後來的亞曆山大大帝。如同所有的希臘科學家一樣，亞裏士多德不接受國家當局的監督，與當權者無任何從屬關係。他的講書院設在雅典郊區的一處園林裏。他的純科學研究涉及邏輯學、物理學、宇宙學、心理學、博物學、解剖學、形而上學、倫理學、美學，既是希臘啟蒙的巔峰，也是其後兩千年學問的源頭。他塑造了中世紀的學術思想，影響力延及文藝複興時期。他觀察自由落體運動，提出“物體下落的快慢與重量成正比”。他研究力學問題，認為“凡運動的事物必然都有推動者在推著它運動”，因而“必然存在第一推動者”，即存在超自然的神力。地上世界由土、水、氣、火四大元素組成。白色是一種純淨光，其他顏色是因為某種原因而發生變化的不純淨光。他對五百多種不同的植物動物進行了分類，對五十多種動物進行了解剖研究，是生物學分門別類第一人，也是著述多種動物生活史的第一人。他的顯著特點是尋根問底：為什麽有機體從一個受精卵發育成完整的成體？為什麽生物界中目的導向的活動和行為如此之多？他認為僅僅構成軀體的原材料並不具備發展成複雜有機體的能力。必然有某種額外的東西存在，他稱之為eidos，這個詞的意思和現代生物學家的“遺傳程序”頗為相近。亞裏士多德堅信世界基本完美無缺而排除了進化的觀點。
他專注於科學，卻遠離技術，認為科學活動不應考慮功利、應用。在追隨亞裏士多德的曆代科學家看來，他代表了科學的本質和純粹——對自然界以及人類在其中地位的一種非功利的、理性的探索，純粹為真理而思考。
亞裏斯多德的科學方法論，被奉為經典影響了兩千年。科學清高脫俗，不觸及實際問題，更不說去解決實際問題。不僅如此，從柏拉圖開始就形成了一種輕視體力勞動的風氣，排斥科學的任何實際的或經濟上的應用，使理論與實踐分離。
羅馬與希臘相反，工程技術欣欣向榮，科學卻不景氣。羅馬人不重視——實際是蔑視——科學理論和希臘學問。他們全力以赴地解決衣食住行、軍事征戰的技術問題，不需要對日月星辰這些司空見慣的現象尋求解釋。
公元476年，羅馬帝國滅亡，被蠻族文化取代，大部份羅馬文明被破壞，歐洲進入黑暗的“中世紀”（公元476—公元1453年）。羅馬先進的知識和技術，包括水泥製造技術，都失傳了。在其後的1200年裏，歐洲人不得不依賴落後的沙土黏合材料建造房屋，直至1568年法國工程師德洛爾姆（philibertdel’orme，1514—1570年）重新發現羅馬的水泥配方。
在此後的一千多年裏，中國成為技術輸出的中心，向歐亞大陸輸送了眾多發明，如印刷術、造紙術、火藥、羅盤、船尾舵、鑄鐵、瓷器、方板鏈、輪式研磨機、水力研磨機、冶金鼓風機、葉片式旋轉風選機、拉式紡機、手搖紡絲機械、獨輪車、航海運輸、胸帶挽具、軛、石弓、風箏、螺旋槳 、深鑽孔法、懸架、平麵拱橋、鐵索橋、運河船閘閘門、航海製圖法，等等。英國哲學家法蘭西斯培根(francis bacon,1561—1626年)寫道：“我們應該注意到這些發明的力量、功效和結果。印刷術、火藥、指南針這三大發明在文學、戰爭、航海方麵改變了整個世界的許多事物的麵貌和狀態，並由此引起了無數變化，以致似乎沒有任何帝國、任何派別、任何星球，能比這些技術發明對人類事務產生更大的動力和影響。”
所謂物極必反，中世紀的“黑暗”促成了歐洲的一係列技術創新，包括農業技術、軍事技術及風力水力技術，一躍成為一種生機勃勃的具有侵略性的高度文明。
歐洲水源豐沛，農田不需要灌溉，但土壤板實，必須深耕。歐洲農業革命的兩大技術創新，一是采用重犁深耕。重犁配有鐵鏵，安裝在輪子上，由8頭犍牛牽引，從深處翻起土壤；二是用馬代替牛作為挽畜，馬拉得更快，更有耐力。歐洲傳統用牛，其頸上挽具隻適合牛的短頸，不適合馬。中國人的胸帶挽具傳入歐洲，這種像項圈一樣的挽具將著力點移到馬的肩部，不會壓迫氣管，使馬的牽引力增加了四五倍。歐洲從此改用馬作畜力，重犁獲得普遍推廣，由二田輪作改進為三田輪作，提高了生產力。馬替代牛，提高了效率，擴大了人的活動範圍，使社會更加豐富多彩。
技術促成中世紀歐洲崛起的不止是農業。馬鐙改變了歐洲的軍事技術。騎士是歐洲封建製度的代表形象，全身披掛甲胄，威風凜凜跨騎在用盔甲防護的戰馬上。但歐洲沒有馬鐙。騎士雙腳懸空騎在高頭大馬上，無法坐穩，一旦臨敵，往往得滾身下馬，步行迎戰。馬鐙由中國傳入，它沒有運動部件，雖然簡單，卻可以讓騎手穩坐馬背，作戰不會摔下來。一位騎手配備了馬鐙，就構成一個穩固的整體，可快速馳騁，產生強大的衝力，形成所謂的“騎兵衝刺”。歐洲的騎兵簡直就是中世紀的“坦克”。騎兵衝刺這種新型戰爭技術使騎士成為職業軍人，由貴族領主供養，由此產生了封建關係。這種區域性封建關係自由分散，不需要專製社會那樣的中央政府管理。
在發生這些變化的同時，歐洲的工程師們發明了新機械，找到了新能源，最突出的是改進和完善了水車、風車和其他機械，利用風力驅動風車，利用潮汐驅動水輪。歐洲各地都有豐滿的小河，到處都能看到水車運轉。水車推動著各種各樣的機器，如鋸木機、磨麵機和鍛打機等。機械的使用節省了勞力，奴隸製度隨之消失。
中國人9世紀發明了火藥，13世紀傳到歐洲，14世紀初歐洲人造出火炮。到1500年，歐洲製造槍炮成為十分普遍的技術。16世紀滑膛槍出現。在火炮、滑膛槍麵前，弓箭、大刀、騎兵、長槍退出戰場。“火藥革命”削弱了騎士和封建領主的軍事作用，取而代之的是用火藥裝備的陸軍、海軍。葡萄牙人發明了風力驅動的多桅帆船，取代老式的有槳劃船，裝上火炮，成為炮艦，最終產生了全球性影響，為重商主義和殖民主義開辟了道路。
技術的發展在歐洲產生如此巨大的影響，科學在其中並沒起什麽作用。重大的發明如火藥和羅盤在中國發明。當時在自然哲學中無任何知識可用於研製兵器。航海屬於技藝，不屬於科學。炮兵、鑄造匠、鐵匠、造船工程師和航海家在進行發明創造的時候，靠的是代代相傳的經驗、技藝。以造船為例，船帆和索具不好用，就改進；炮舷窗不靈活，就嚐試安裝靈活機動的炮車。技術是逐步改進完善的，經驗是實踐積累的。技術和工業仍同古羅馬時代一樣，與科學沒有聯係，既沒向科學貢獻什麽，也沒從科學得到什麽。
歐洲人認識到自然界有取之不盡的資源，應開發利用，於是獨創了一種研究學問的機構——大學（universitas） 。但早期的大學沒有把科學和技術作為追求目標，主要培養牧師、醫生、律師。自然科學設在文學院，主要課程是邏輯學。亞裏士多德的邏輯和分析方法是研究任何問題的唯一概念工具，學者們按照神學觀點來解釋世界，地球是宇宙的中心，太陽照亮了星星。直到哥白尼、伽利略出現。1543年，波蘭科學家哥白尼（nikj kopernik， 1473—1543年）出版了他的《天體運行論》，推翻了地心說，提出日心說，開始了科學革命（至牛頓時期完成），讓人類由中世紀的觀點走出，從一個封閉的世界走向一個無限的宇宙。1616年宗教裁判所判定哥白尼學術為異端邪說。
意大利科學家伽利略（galileo galilei，1564—1642年）研究了斜麵、慣性和拋物線運動。在已有望遠鏡的基礎上，製成了放大30倍的望遠鏡，指向天空，搜尋天上世界，發現了月球的山脈，木星的衛星，太陽的黑子，銀河由星星組成，驗證了哥白尼學說。1632年伽利略出版《關於托勒密和哥白尼兩大世界體係的對話》，1633年被宗教裁判所判定為“最可疑的異教徒”，遭終身監禁並被迫在大庭廣眾下認罪。70歲的伽利略已是半盲，作為囚徒，又寫出了一本科學傑作《關於兩種科學的對話》，闡述了兩項重要發現：受力懸臂的數學分析及自由落體運動，後者推翻了亞裏士多德的“越重的物體下落得越快”的兩千年定論，現代科學開始。
伽利略逝世同年，牛頓（isaac newton，1642—1727年）出生。1665年，牛頓因為躲避黑死病，離開劍橋回家鄉隱居18個月，這18個月是科學史上的幸運期，牛頓醞釀了一生主要的科學成果：微積分，色彩理論，運動定律，萬有引力，幾個數學雜項定理。但他不喜歡撰寫和公布自己的學問，直到因為與皇家學會發生齟齬，在埃德蒙·哈雷（edmond halley,1656—1742年）的勸說下，才於1687年出版了《自然哲學的數學原理》，闡述了萬有引力和三大運動定律，展示了地麵物體與天體的運動都遵循著相同的自然定律，奠定了此後三個世紀裏物理學和天文學的基礎。借助牛頓定律正確算出彗星回歸的哈雷用詩句讚道：“在理性光芒的照耀下，愚昧無知的烏雲，終將被科學驅散。”
科學當時仍屬哲學範疇。《自然哲學的數學原理》充滿了哲學意蘊，讀過此書的人腦海中都會浮現出一個宇宙形象：一部神奇而完美有序的機器，行星轉動如同鍾表的指針一樣，由一些永恒而完美的定律支配，機器後麵隱約可見上帝的身影。美國開國元勳製訂憲法時不忘牛頓體係，稱：“牛頓發現的定律，使宇宙變得有序，我們會製訂一部法律，使社會變得有序。”
牛頓證明了科學原理的真實性，證明了世界是按人類能夠發現的機理運行的。把科學應用於社會的輿論開始出現，人們期待科學造福人類。甚至牛頓在論述流體力學時也輕描淡寫了一句“我想這個命題或許在造船時有用”。視科學為有用知識的弗朗西斯培根對此作了理論提升，提出“知識就是力量”。
但是，也僅此而已。牛頓力學三百年後才被用於航天發射和登月飛行，當時隻能作為知識儲存在書本裏。16世紀和17世紀的歐洲，在科學革命的同時並未發生技術革命或工業革命。印刷機、大炮、炮艦一類的發明未借助科學。除了繪圖學，沒有任何一項科學的成果在近代早期的經濟、醫學、軍事領域產生過較大的影響。即使是伽利略的拋物線研究，顯然在大炮和彈道學方麵會有潛在價值，可事實上，在伽利略之前，歐洲的大炮已有三百年的曆史，在沒有任何科學或理論的情況下，憑著實踐經驗，大炮技術已發展得相當完備了，炮兵學校有全套教程，包括射程表等技術指南。毋寧說是炮兵技術影響了伽利略的拋物線研究，而不是伽利略的科學影響了當時的炮兵技術。
當時航海技術中最大的“經度難題”，也不是靠科學解決。由於無法測量船隻所在的經度，歐洲人的海上活動受到限製，隻能傍海岸航行。包括伽利略在內的很多天文學家嚐試過解決辦法，未能成功。1714年，英國國會以2萬英鎊懸賞“確定輪船經度的方法”，要求儀器在海上航行每日誤差不超過2.8秒。1716年法國政府也推出類似的巨額獎金。最後的解決者，不是科學家，而是匠人。英國鍾表匠哈裏森（john harrison，1693—1776年）先後做出4個海上計時儀，其3號鍾使用雙金屬條感應溫度，彌補溫度變化（今天依然在用），裝上平衡齒輪（滾動軸承和螺旋儀的前身）防止晃動，抵消船上的顛簸和晃蕩，比任何陸地上的鍾表都精確，每日誤差不到2秒，45天的航行結束，準確地預測了船隻的位置，符合領獎條件，但英國國會拒絕履約。哈裏森繼續改進，4號鍾用發條替代鍾錘，進行了兩次從英格蘭到西印度群島的航海實驗，3個多月誤差不超過5秒，相當於將航天探測器降落在海王星上，降落點誤差隻有幾英尺。國會還想耍賴，但航海界認定4號鍾比皇家天文台的航海圖優越得多。哈裏森在83歲生日那天得到了獎金。
17世紀是實驗科學興起和傳播的時期。吉爾伯特（gilber，1544—1603年）用磁體作實驗，伽利略讓不同球體在斜麵滾下，托裏拆利（evangelista torricelli，1608—1647年）用裝有水銀的管子發現了空氣壓力原理，哈維（william harvey，1578—1657年）解剖過無數屍體和活體以了解心髒的作用，胡克（robert hooke，1635—1703年）通過測試彈簧獲得胡克定律，牛頓讓光束通過透鏡和棱鏡研究光的組成。實驗成為檢驗理論或猜想的一種方便且必須的工具。科學家依靠儀器，同一時代的科學更多地靠技術幫助，卻很少給技術以幫助。以望遠鏡為例，天文學家一直在使用技術上不斷改進的望遠鏡，得出許多驚人的發現。第一架望遠鏡是荷蘭眼鏡匠利漢斯·伯希（hans lippershey，1570—1619年)發明的。高倍望遠鏡光束穿過透鏡後會產生色散、球麵像差和畸變。解決方案還是來自技術領域，依靠玻璃製造工藝解決的。用幾種折射率不同的玻璃互相補償製成複合透鏡，這已經是1730年以後的事情了。
18世紀初，牛頓、伽利略等科學巨人引領的科學革命歸於沉寂，歐洲仍然是一片農業社會景象。90％的人住在鄉村，從事農業。即使城市居民，能夠見到的製成品要麽是農田的產物，要麽是能工巧匠的製品。能源不過是動物或人類的肌肉力量，加上木材、風力、水力而已。
18世紀60年代，瓦特（james watt，1736—1819年）在紐科門(thomas neen，1663—1729年)發明的基礎上改良蒸汽機。煤在蒸汽機中燃燒，提供動力，引發第一次工業革命（18世紀60年代—19世紀初），人類進入“蒸汽時代”。蒸汽機加快了新能源（煤）的開采和使用（此前動力和熱力來源，包括煉鐵，主要靠燃燒木材）。盡管中國的鐵匠11世紀就發明了用煤做燃料的熔煉方法，英國直到1709年由亞伯拉罕達比(abraham darby，1676—1717年)發明了焦炭，才不再依靠森林提供燃料。煉鐵局麵改觀，世界進入鐵器和機器時代。英國發明家理查德·特裏維西克（richard trevithick，1771—1833年）的高壓蒸汽機用於鐵路，1814年第一台蒸汽機車出現，1830年迎來鐵路時代。1886年，德國工程師卡爾本茨（karl friedrich benz，1844—1929年）製造出世界上第一輛汽車。這一係列技術革命引起了從手工勞動向動力機器和工廠化生產的飛躍。
18世紀之前，人不知工廠為何物，商品都是手工、家庭、作坊製造的。工業革命後出現的工廠發展出高度集中的規模生產，標準化部件的製造製度（源於英國，在美國得到更廣泛的應用）被亨利福特(henry ford,1863—1947年)在汽車工業中發展成生產流水線，大大提高了生產力。
構成18世紀工業革命基礎的所有技術，仍然是工程師、技師、工匠做出來的，幾乎沒有或根本沒有科學理論的貢獻。科學家仍沿襲亞裏士多德的傳統，追求知識和精神上的滿足，不考慮理論的應用。技術行家們也未吸取科學的營養，如同古羅馬的工程師，追求實用，實踐出真知，對理論不感興趣。科學與技術各行其道，直到19世紀後期。
在技術獨步天下的時代，英國率先頒行專利法，保護技術壟斷。18世紀80年代，法國化學家貝托萊（c.l.berthollet，1748—1822年）發現漂白織物的氯化方法。因蒸汽機而富裕的瓦特，其嶽父是個漂白劑製造商，瓦特想由他們三人共同申請專利，獲取厚利。貝托萊拒絕道：“一個人愛科學，就不需要財富。”他以純科學態度進行研究並發表了結果。這件事顯示了18世界以後技術與科學的一個區別：科學是發表、共享，尋求知識和真理；技術是壟斷、功利，尋求實用和價值。仍以瓦特為例，他並非蒸汽機的發明人，隻是改良人，但他首先申請了專利，並想方設法延長專利保護期。英國當時的大政治家愛德蒙布克（edmund burke， 1729—1797年)在國會上雄辯經濟自由，反對製造不必要的壟斷，但瓦特的合作夥伴太強大，簡單的原則無法打敗他。專利獲批後，瓦特的主要精力就不再是蒸汽機技術的改進，而是借助法律打壓其他發明者和改良者。蒸汽機在英國的真正普及和重大改進實際是在瓦特專利期滿之後。
科學史和技術史都證明了同樣或類似的發現發明可以在不同區域、由不同的人在不同時間作出。牛頓和萊布尼茨分別發明微積分，達爾文和華萊士分別發現進化論，就是有力的證明。自然規律、原理就在那裏，它們遲早會在某處或某時被某人發現或利用。蒸汽機如果不是瓦特改進，也會有別人改進。但專利法的邏輯卻是：某種發明或點子隻能是最先申請專利的人想到，別人想到就是剽竊；最初的發明不許別人改進，否則就是侵權。這與科學背道而馳。
科學與技術的這一分野，導致了人們對科學和技術的不同觀感。一個重大的科學發現，幾乎全人類為之慶賀；一項重大技術的出現，人們首先想到的是又一個商業機會、盈利模式。正如美國科學家特萊菲爾（james trefil，1938年至今）所謂的特萊菲爾定律（trefilw）所說：“每當有人發現自然的原理，其他人很快就會跟從研究，並找出如何從中牟利的方法。”我們看到十幾歲的孩子因為下載歌曲而被追訴“音樂盜版”，看到非洲艾滋病人因為無力支付專利持有者的高價藥物而死亡，也看到泰國政府寧願侵犯知識產權也支持仿製藥物，以挽救人的性命。專利製度從產生之日起就飽受爭議。但這是另一話題，不表。
曆史進入19世紀。1821年，英國科學家邁克爾·法拉第（michael faraday，1791—1867年）發現了電磁感應，奠定了電磁學基礎。1870年，麥克斯韋（james clerk maxwell，1831—1879年）總結出電磁理論方程（麥克斯韋方程），統一了電、磁、光學原理。化學、熱力學等領域也產生了將煤氣、汽油和柴油的熱能轉化機械動力的理論。第二次工業革命（19世紀70年代—20世紀初）興起。1866年，德國的西門子（e.w.von siemens，1816—1892看）製成了發電機。1873年，比利時的格拉姆（gramme， 1826—1901年）發明了電動機，電燈、電車、電話、電報、電影放映機也隨之出現。以煤氣和汽油為燃料的內燃機、柴油機也先後問世，內燃汽車、遠洋輪船、飛機相繼出現。人類社會初具現代化雛形，進入電氣化時代。
與第一次工業革命迥然不同的是，第二次工業革命的所有新技術、新發明都建立在科學理論的基礎之上。技術與科學涇渭分明、各行其道的曆史，至此終結。此後，科學引領技術，成為文明的引導力量，帶動人類社會突飛猛進。
此後的20世紀，科學可謂群星燦爛。普朗克（max nck，1858—1947年）的方程式，愛因斯坦的相對論，薛定諤（erwin schr?dinger,1887—1961年）和狄拉克（paul dirac,1902—1984年）的量子力學，魏格納（alfred lothar wegener,1880—1930年）的大陸漂移學說，摩爾根（thomas hunt morgan,1866—1945年）的遺傳變異理論，哈勃(edwin p.hubble，1889—1953年）的宇宙膨脹說，海森堡（werner karl heisenberg,1901—1976年）的不確定性原理，克裏克（francis harry pton crick,1916—2005年）和沃森（james dewey watson，1928年至今）的dna結構，馮·諾依曼（john von neumann,1903—1957年）和圖靈（n mathison turing,1912—1954年）的計算機理論，計算機無限地擴大了人的腦力，航天技術將人類送上太空和月球，哈勃望遠鏡在600千米的太空觀察到130億光年外的原始星係。人類對世界有了全新的認識，也有了前所未有的強大手段。
這種強大手段，首先展現在戰爭上。20世紀的兩次世界大戰，傷亡人數超過1.2億。參戰雙方都從實驗室源源不斷推出新式武器：戰機、坦克、潛艇、毒氣、原子彈。16世紀，列昂納多·達芬奇（leonardo da vinci，1452—1519年）就構思過“可以水下航行的船”，卻被視為“邪惡”“非紳士風度”而被摒棄。但第一次世界大戰時期的1914年9月22日，德國u－9號潛艇一個小時內就擊沉3艘英國巡洋艦。第一次世界大戰期間，各國潛艇共擊沉192艘戰艦，5000餘艘商船。第二次世界大戰更被稱為物理學家的戰爭，圖靈的密碼機破解了德國“英格瑪”的密碼係統，幫助盟軍製服了德國潛艇，雷達幫助英國皇家空軍贏得了不列顛之戰，原子彈結束了二次世界大戰。
曆史上，帝國的興起都不會依靠巫術般的科技，也很少有戰略家想到要製造或擴大科技的差距。19世紀前，軍事的優勢主要在於人力、後勤和組織。但20世紀以後，特別是原子彈的威力，喚起了各國政府對科學和技術的重視，揭開了科技發展的新一頁。強大的武器需要精確的製導技術，推動了計算機、電子技術的發展，人類步入數字時代。集成電路、微處理器和互聯網普及到每個家庭和個人，科技進入了一個更廣闊的空間——商業應用。
政治和商業的卷入，重新塑造了科學和技術本身。亞裏斯多德開創的純粹科學越來越稀有，科學和技術越來越受政治和資本的支配，沒有明確應用前景或商業價值的科學和技術難以獲得資本的支持。科學家不再是希臘先賢那樣的自由個體，而是研究機構或組織的的雇員，按主管者規劃的“專業”方向探索。許多科學研究和技術發展，都是軍事所發起。
20世紀奠定基礎的數字技術，在21世紀大放異彩。無處不在的網絡將地球變成了一個天涯咫尺的村落，機器人不僅進入了生產流水線，更進入了“專業工作”領域。人工智能獲得自我學習能力，展示了無可限量的前景。
20世紀前，人們或許還能把技術和科學區分開來，機器由工程師或技術人員製造。但在數字時代，技術和科學相互依存，相互促進：沒有科學就產生不出新技術；而產生不出新技術，科學研究也就失去了意義。科學和技術實際上以“流水線”模式銜接推進——基礎研究發現原理、規律，打開視野和思路；應用研究探索其技術或商業的可行性；技術開發（r&d）把成果製成有用的產品。
21世紀，人類生活的各個方麵，已沒有科學和技術尚未進入的領域。今天的任何商品，都是科學和技術結合的產物。以無處不在的手機為例，方寸之間，集人類數千年科學和技術成果之大成，數百位科學家、發明家薪火相傳，才帶來今天這種執世界於掌心的智能設備。每次打開手機，都使用物理、化學、光學、電磁學、計算機、互聯網、無線電、通信、量子力學、相對論的原理。科學與技術水乳交融，巧奪天成。
回顧曆史，技術胼手胝足、勞苦功高地扶持人類十多萬年。三千年前，科學涓涓細流，濫觴發源。在技術與科學分離的時期，從石器時代到電氣時代，人類走了十萬年；從泰勒斯的靜電到法拉第的電磁感應，科學走了二千五百年。自從技術與科學結合，從法拉第揭幕的電氣時代，到今日的數字時代，還不到二百年。近半個世紀來，奠定數字時代基礎的集成電路元器件數量每12個月就翻一番，性能提升一倍。21世紀，僅僅幾年時間，移動網絡、大數據就統治了世界，人工智能已開始侵蝕人類的地位。科技進程日益加速，對人類的影響日甚一日。
“科技之巔”書係之宗旨，就是逐年記錄這一偉大進程，通過年度重大突破性技術，鏤刻科技創新的火光與腳印，激發讀者的靈感與雄心。
書係第一冊已於2016年出版，收錄2012—2016年度“50大全球突破性技術”。本書是第二冊，收錄2017年度“10大全球突破性技術”。
美國開國元勳約翰·亞當斯（john adams， 1735—1826年）說：“我們這一代人必須研究政治和軍事來壯大國家，兒輩則要學習數學和工程來創造財富。這樣，孫輩們才可以學習繪畫、音樂和詩歌。”縱觀古今，未來，在於科技。