“At first chaos came to be.”--古希腊诗人赫西俄德
公元前8世纪，从小以耕种为生的古希腊人赫西俄德（Hesiod）写出了两部旷古烁今的神话诗作《工作与时日》和《神谱》。这两部作品让赫西俄德名垂千古，成为古希腊最有影响力的神话诗人之一。如果说荷马史诗为希腊文明提供了历史的镜子，那么，赫西俄德的作品就是希腊文明的历史基石，从而成为了整个西方文明的基础。《工作与时日》和《神谱》两部作品讲述的是古希腊众神的传说，有关普罗米修斯盗火的神话最早见于这两部诗作中，而“火”是人类文明史上最早的关于能源的象征。在希腊神话中，普罗米修斯（Prometheus）是泰坦十二神伊阿佩托斯与名望女神克吕墨涅的儿子。在宙斯与克洛诺斯率领的泰坦诸神之战中，他虽然是泰坦神的后代，却弃暗投明选择拥护由宙斯带领的奥林匹亚众神，因而得到宙斯的赏识。，普罗米修斯还是人类的创造者，他用黏土按照自己的身体创造出了人类，并由智慧女神雅典娜（Athene）赋予人类灵魂和神圣的生命，人类因此成为万物之灵。
不久后，宙斯在诸神之战中战胜并放逐了克洛诺斯，推翻古老的泰坦神族统治，宙斯和他的孩子们开始成为天界的新主人，他们开始注意到刚刚诞生的人类，要求人类用最好的珍宝和食物祭祀和供奉他们。普罗米修斯作为人类的创造者，十分反对宙斯提出的苛刻献祭条件，并因此触怒了宙斯。作为对普罗米修斯的惩罚，宙斯拒绝给人类提供建立文明的必需品：火。不过这难不倒智慧之神普罗米修斯。他乘宙斯休息时，用茴香木从宙斯的太阳车里盗取了火种，交给人类使用方法，人们从此能够用火进行烹饪食物，建立璀璨的文明。宙斯发觉人类掌握天火后，不禁大发雷霆，他吩咐火神赫淮斯托斯（Haphaestus）给普罗米修斯最严厉的惩罚。赫淮斯托斯很欣赏普罗米修斯，劝他说：“只要你归还火种，向宙斯承认错误，我一定为你向宙斯请求宽恕。”普罗米修斯拒绝了，目光坚定地说：“人类是我的孩子，也是万物之灵，我愿意为他们承受痛苦，绝不会归还火种！”赫淮斯托斯不敢违抗天界之主宙斯的命令，用一条无法挣脱的铁链把普罗米修斯绑在了高加索山脉的悬崖上，并让一只饥饿的恶鹰每天来啄食他的内脏，并让他的肝脏又重新长出来，这种痛苦要持续三万年之久。日复一日，年复一年，普罗米修斯坚定地承受痛苦，从未在宙斯面前屈服。直至著名的大力士海格力斯用弓箭射死恶鹰，砸碎铁链，将他解救出来为止，普罗米修斯为人类承受着难以想象的痛苦和折磨。人类也十分感恩戴德，相传古希腊在每届奥林匹亚奥运会举办前，人们都要在赫拉神庙前点燃圣火，纪念普罗米修斯的勇气和奉献，这个习俗传承至今。普罗米修斯盗取的并不仅仅是火种，更是文明发展的力量——能源、科学和艺术，人类开始拥有和天神同样的力量。几千年来，“盗火”的行为在不断发生，传教士、艺术家和科学家从天神（自然）那里“盗取”了火种，并和普罗大众一起分享，“火种”往往是指宗教理论的创新、出神入化的艺术品，或是改变世界的新能源和新科技。英雄们因“盗火”行为受尽挫折和痛苦，却仍然凝视深渊，负重前行，最终将星星之火转变为燎原之势，让人类文明不断发展壮大。能源就是文明最重要的火种，人类历史上科技革命的发生都离不开新能源的发现和利用。
普罗米修斯
地球化学能源时期
而从更加宏大的角度来看，生物体对能源的利用历史则要从37亿年前的地球说起，地球在那时处于太古宙时期，地表火山活动十分频繁，高温岩浆不断喷发释放出大量的水蒸气，二氧化硫和二氧化碳等气体，这些气体构成了地球的原始大气层。随着时间的推移，地球表面温度开始逐步下降，大气中的水蒸气凝结成水珠，汇集成雨水落入地表，形成了原始的海洋。生命就从炙热的海床热泉中诞生，这些原始的生命结构十分简单，主要为原核生物，比如细菌等微生物，它们只留下了极少的化石记录。2016年，《自然》杂志曾刊文报道科学家在格林兰岛的岩石中，发现了37亿年前形成的微生物菌席化石，这是地球上出现生命迹象的最早纪录。这些最初的生命体的生存之道十分奇特，它们以原始大气和海洋中的氢气和甲烷分子为主要的能量来源，通过分解和组合这些化学物质中蕴含的化学键（纯净物分子内相邻原子间强烈的相互作用力的统称）来获得能量，氢气和甲烷这些化学物质就是生命体最初的能源物质，这一时期也被称为地球化学能源时期，不过这种能源利用途径的效率十分低下，因而生命体还处于萌芽状态，无法大量繁殖，发展壮大。
太阳光从地球诞生起就一直照耀着地表，直到地球上进化出能够利用阳光中蕴含能量的微生物时，地球才开始变得生机盎然起来。一种特殊的微生物蓝藻（Cyanobacteria）进化出以氧气为副产物的太阳能利用方式，影响极其深远：地球由此得到了能够吸收太阳光中的紫外线的保护罩--臭氧层，通过氧化作用形成的新化合物，以及富含氧气的大气层。这一过程导致了全新的氧气能源纪元的开启。氧气的化学性质十分活泼，能够与地球上的很多物质发生化学反应，形成有氧化合物。新的好氧微生物也开始进化形成，氧气极强的化学性质让这些生物的食物范围更广，新陈代谢也更快，获得了竞争优势。可以这么理解，它们把氧气当做“工具”，开始利用地球上存在已久的化学能源，生物对工具和能源的渴望似乎早已深埋在我们的DNA中，这是大自然给它的孩子最美妙的馈赠。
到了距今5.2亿年前，也就是寒武纪时期，地球上开始了生命大爆发，在很短的时间内，从低等的海绵动物到高等的海洋脊椎动物几乎全部涌现出来。由于生存竞争，生物还进化出了眼睛、脊索，触手等器官。这些种类繁多的生物开始向海洋不同的区域扩散，并形成了复杂的食物链和海洋生态系统的雏形，漫长的生命演化历程由此开始。到了古生代早期（距今约5.7亿年前），地球板块运动加剧，大批陆地裸露出海面。环境的改变让海洋中的生物开始了持续长达上千万年的登陆运动，无脊椎动物，脊椎动物和植物陆续开始适应陆地环境。此时，动物的活动能力开始逐渐强大起来，它们通过奔跑、游泳、甚至飞行来捕猎其他动物，有的动物也以植物的果实和叶子为食物，这些被捕猎的动物和植物的果实其是浓缩的能量，即通过食物链积累下来的太阳能，也可以叫做二次能源，生物的能源类型也因此变得更加丰富了。生物对二次能源的利用，远远不止捕猎和采集果实，还包括微生物对腐殖质的分解，这种能力并未随着时间流逝而消失，而是不断强化，至今仍然深刻地影响着大自然的孩子--人类的文明的进程。
寒武纪生物化石
火--能量的一种表现形式
漫长的地球历史为智慧人类的出现奠定了基础，而生命进化进程的最后冲刺阶段从六百多万年前开始。在这期间，许多和人类十分相似的灵长类哺乳动物都灭绝了，比如:南方古猿（学名australopithecus）、能人(Homohabilis)、直立人(Homoerectus)等。而现代人类的祖先——智人（Homo sapiens）在长期的生活斗争中，学会了使用工具和用火，并在捕猎过程中相互协作，产生了语言，成为了生命进化长跑中最终的成功者。其中“火”的作用尤为重要，它散发光和热，是能量的一种表现形式，更是人类文明的催化剂。如果要定义人类，“火”是至关重要的元素，能否使用火，是人类与地球上其他生物区分的重要标志。可以这么说，火创造了人类文明，并指引人类不断前行。火赋予人类烹饪食物的能力，把食物煮熟，让我们从同样的食物摄取更多的营养，而且更加卫生和美味；帮助我们锻造金属，制造工具，提高生产力；让我们可以利用加热法把空气中的氮气和氢气制备成化肥，增加粮食产量；更重要的是人类还可以火燃烧木头和化石燃料来获取更多的能量，开启了人类历史上的化石燃料能源时代。
南方古猿
对于火的使用，我们的祖先经历从自然取火到人工取火的漫长过程。火山喷发和闪电引发的森林起火最早让智人见识到火的力量。智人逐渐摸索到起火的森林十分暖和，被大火烧死的动物十分美味。于是，他们便试图拿回火种，把被森林大火点燃的树枝带到住所，并持续添加树枝，保持火堆持续燃烧。在漫长的实践中，智人还发现了摩擦生火的现象，打击燧石或石块时会产生火花；长时间钻木时会发热，甚至冒烟起火。经过数万年的尝试，智人终于掌握了通过摩擦燧石和钻木等人工取火的方法，火也开始从自然界中的偶然现象真正变为人类文明最重要的工具。
智人对火的使用最重要的方面在于把肉类烤熟，烤熟的食物中的油脂和其他营养更易被吸收，减轻了身体消化食物的负担，而且更加卫生。之前不宜生吃的动植物，现在火烤后也可以很方便的食用，智人的食物的来源迅速扩大，丰富的营养也促进了大脑和身体的发育，为语言的出现提供了物质基础。火还可以用来御寒，智人们在居住的洞穴中点起篝火，驱散洞穴中的湿气和附近的野兽。火堆发出的亮光也让智人开始拥有“夜生活”——能够在晚上分配食物、梳理毛发，以及为第二天的打猎活动进行准备。火的使用极大改善了智人的居住环境和生活质量，也让原本生活在热带的智人向温带和寒带地区缓慢迁移，智人开始成为全球性的物种。
在智人享受火带来的温暖和方便的同时，火也在潜移默化地改造着智人的组织和合作方式。每到夜晚降临，在璀璨的星空下，围绕篝火，智人们吃着烤熟的食物，分享着彼此的故事和经验，正如以色列历史学家尤瓦尔·赫拉利在著作《人类简史》中描述的那样，人类开始有了共同的想象--神话和宗教，而这些虚构故事让人类的大规模协作和分工成为可能，从而促进了早期人类社会的形成。团结成一个整体的原始人类不再是弱小的猿类，智力的快速发展，语言的出现，和经验的传承，让人类从自然界中数量庞大的物种中脱颖而出，成为万物之灵。
淬火的陶器时代和青铜时代
在解决了温饱和居住问题后，人类开始思考火的其他用途。突破性的发现是在大约3万年前，人们偶然发现泥土和很多矿石能够在火堆中发生变化，变成另一种物质。于是人们点起更大的火，第一次尝试用火来改编物质的形态，而这次尝试也深刻地改变了人类历史。最先开始尝试的是用泥土制作陶器，人们发现在火堆旁的黏土经过高温火烤变硬，成为了一种不透水的材料，我们的祖先因此得到启发，敏锐地意识到通过这种方法可以制盛水和食物的容器。经过数千年的反复试验和改进，人们最终掌握了制陶技术：将黏土加水和成泥，用手搓成圆筒形，再用泥饼粘合成底，然后不断修饰，在容器上端形成较小的圆形开口，一个陶制罐子就成型了，晾干后放入火堆加热，不一会就能得到质地坚硬的陶罐。在懂得用火制作陶器之前，人类只是通过改变自然物体的形状来制造工具和工艺品，比如讲石块打磨成石刀和石矛用来打猎，或是将兽牙、贝壳穿孔做成装饰品，仅仅只改变了物质的外在形态，并未改变材质本身。陶器的制作改变了这一切，它将泥土变成了了完全不同的物质--陶瓷，让人类的技术水平提升到了新的层次，到达了崭新的新石器时代。
在公元前3000年左右，人类通过烧制陶器积累了用火改变物质形态的经验，偶尔将一些颜色鲜艳的矿石丢到火堆中，会得到一些质地坚硬、不规则的金属块，通过不断尝试，人类慢慢掌握了用火从矿石中冶炼金属的方法。人类早期的几大文明都开始试图从矿石中冶炼金属，尤其是一种铜与锡或铅的混合金属--青铜。之所以称之为青铜，是因为这种金属呈青灰色，不过它原本的颜色并不是青灰色，而且是耀眼的金黄色，青灰色是金属表面被氧化形成的铜锈的颜色。青铜的熔点在700～900℃之间，和烧制陶器的温度（1000℃）十分接近，比红铜的熔点(1083℃)要低，因此青铜的冶炼对还处于文明萌芽状态的人类来说更为容易，只需要一个火堆就可以实现。而且青铜的硬度是红铜的4.7倍左右，用青铜制作的工具和容器更为坚固，所以青铜成为了人类发明的第一种合成金属。至于现代工业中普遍使用的金属铁，它的熔点是1538℃，对于3000多年前的人类来说，冶炼铁已经远远超出了他们的能力范围。
青铜器和石器相比具有显著的优势，石器的制作费时费力，即便磨制的再仔细，也仅仅是对石块的简单加工，而青铜器则完全是人类自己可以塑造的发明。青铜是一种强大的金属，人类利用它制作新的武器、容器和艺术品，而它也开启了一个崭新的时代——青铜时代！历时长达近250万年的石器时代终于结束了，人类在火的帮助下创造出了更轻、更坚固的新材料，从陶器到青铜，再到现代社会广泛应用的铁和钢，火以非凡的方式改变了我们的世界，并且这种改变仍在持续。
青铜器
在公元前6000年左右，人类就在现今土耳其境内的小亚细亚半岛上开始冶炼青铜。幼发拉底河和底格里斯河流域之间美索不达米亚地区则在公元前3000年左右进入青铜时代，苏美尔文明时期生产的刻有狮子形象的青铜刀是早期青铜器的代表。古埃及文明和中华文明紧随其后。青铜的优点不仅仅在于其坚固耐用，更重要的是人类可以通过高温将其融化，然后铸造成形状万千、用途各异的兵器、容器和乐器。西方文明制作的青铜器更注重实用，以兵器和容器居多，青铜器上的装饰图案也十分简单明了。而中国制作的青铜器多为礼器和乐器，器形巨大，常见的有鼎和编钟，表面的装饰图案多为纪念文字，也就是铭文，这样制成的青铜器往往具有某种象征意义，中国古人常常把它们称之为国之重器，也就是国家的象征。春秋左传记载，夏朝的开国君主大禹，将神州大地划分为冀、兖、青、徐、扬、荆、豫、梁、雍九州，并下令铸造九鼎，将九州的奇珍异兽和名山大川雕刻在九鼎上，用九鼎来象征九州，并将九鼎全部集中安放在夏王朝都城。九鼎象征着国家的安定团结、统一昌盛，也王权和统治权的象征。九鼎早已淹没在历史长河中，目前国内出土的青铜器的制作年代主要是商周时期，位于四川的三星堆遗址出土有高2.62米的青铜大立人、宽1.38米的青铜面具、更有高达3.95米的青铜神树，是较为典型的祭祀礼器代表。虽然苏美尔和古埃及文明更早进入青铜时代，但将青铜制造工艺发展至巅峰状态的则是中华文明。古埃及文明并出土大型的青铜礼器，因为他们更偏好建造比青铜器更为宏伟的事物——金字塔，制造大型青铜礼器和建造金字塔在本质上是相通的，那就是展示至高无上的权力，并期望能够永垂不朽。
化石燃料的革命--第一次工业革命
青铜铸造的九鼎早已淹没在历史长河中，但用火冶炼青铜的技术促进了更多的新金属的发现和新技术的发明，人类用这些金属制造工具，创造产业，建立帝国，火改变了人类的历史。更令人惊叹的是，火的魔力远远不止如此，它还赋予人类使用在地底埋藏千年的化石能源的能力，这种能力来源于从火中诞生的机器--蒸汽机，从此，在火的帮助下，人类创造了现代工业和社会经济，真正开启了属于自己的能源时代。
煤炭和蒸汽时代
公元1527年的一天，来自英格兰的皇室使者抵达罗马，他们受到英国国王亨利八世（Henry Ⅷ）的委托，请求拜见教皇克雷芒七世（Pope Clement VII）。他们的请求很快得到教皇的恩准，入宫面见到教皇后，皇室使节们呈上英国国王的秘密信件。教皇读完信件后十分意外，原来这是英国国王亨利八世的离婚申请，他申请和凯瑟琳王后离婚，理由是两人已经结婚二十年，但并无子嗣，如果继续维持这段婚姻，英格兰王室将缺少合法的王位继承人，威胁到英国的国家利益。
王后凯瑟琳·阿拉贡公主（Catherine goof Aragon）是西班牙伊莎贝拉女王（Isabella I）的女儿，作为英国王后，凯瑟琳十分出色，她拥有良好的治国才能，并且深受人民爱戴。但凯瑟琳王后作为妻子，却十分不受的待见，因为她并未给亨利八世生下合法的王位继承人。亨利八世十分渴望有个孩子，甚至开始怀疑和凯瑟琳的婚姻是否违背了上帝的旨意。思虑再三后，亨利八世决定和凯瑟琳离婚，想要和情妇安妮·波琳（Anne Boleyn）结婚。但在16世纪，离婚是十分不易的，《圣经》中规定，婚姻是上帝的旨意，不允许离婚，并且丧偶再娶也需得到教廷的批准。很明显，亨利八世的离婚申请是摆在教皇面前的一大难题。如果他不同意，肯定会得罪亨利八世，同意的话，又会冒犯西班牙伊莎贝拉女王。对于这个两难的选择，教皇克雷芒七世绞尽脑汁终于想出了解决办法——拖延，说不定两夫妻最后不闹矛盾，和好了。虽然亨利八世不断催促，但教皇总是以各种借口推托。这件离婚案直到5年之后，仍旧没什么进展。于是，在听取情妇安妮·波琳的建议后，亨利八世决定开始采取行动脱离罗马教廷的控制，这样离婚的事就可以不用罗马过问了。亨利八世开始力排众议采取一系列措施脱离罗马教廷，他首先宣布英格兰不再向教廷纳税，1532年，又力排众议通过《神职人员让权法》，强制将教会在议会中的权力转移给国王。两年后，英国国会又通过了《至尊法案》，宣布国王亨利八世取代主教成为为英格兰教会的首脑。一系列动作之后，亨利八世终于如愿以偿和王后凯瑟琳离婚，并正式迎娶了原本是侍女的安妮·波林。从此，独立于罗马教廷的英国国教诞生了。
英国国王亨利八世
然而，不幸的是，安妮·波琳也并未生下男性继承人，亨利八世对安妮的热情也随着时间消磨，最终以莫须有通奸罪将安妮囚禁在伦敦塔，随后被斩首。但亨利的离婚案引起的英国宗教改革，却深远地影响了英国甚至整个世界的历史进程。1536年到1539年英国宗教改革期间，亨利八世解散了英国修道院，并将教会名下大量的财产收归国有，其中就包括大量贮藏丰富的大型煤矿，这些煤矿又被拍卖给投资商人去开采。在当时的英国，容易开采的煤矿基本已被开采殆尽，剩下的大型煤矿开采难度高，且被教会把持，普通的商人无法经营开采。但教会认为这些开采难度高的煤矿耗费人力物力，并没有投资意向，因此大量的煤矿都被闲置荒废了。亨利八世的宗教改革举措恰好释放了这些煤矿的潜力，煤炭贸易开始在英国逐渐兴起。与此同时，从1550开始，欧洲大陆开始了长达二百多年的小冰期，一到冬天就十分寒冷，泰晤士河都会结冰，人们甚至还在冰上举行盛大的庙会。寒冷的天气让价格低廉、产量丰富、购买方便的煤炭成为英国人的首选燃料，哪里有需求，哪里就有供给，采煤业在英国空前的繁荣起来了。
泰晤士河的冰上庙会
采煤业从古至今都十分危险，煤矿蕴含大量有毒的一氧化碳，一氧化碳无色无味，却能不知不觉地夺人性命。在科技不发达的16世纪英国，有经验的矿工会带着金丝雀进入矿井，来预防一氧化碳中毒，金丝雀就是有毒气体早期报警器的雏形。一氧化碳导致的煤矿事故相对来说有较为成熟的解决方案，但透水事故从古至今都是煤矿事故发生最主要的原因。透水事故主要是由采煤导致地下水渗透进煤矿引发的，早期预防透水事故的主要措施是靠矿工通过人力把水一桶桶地背出来，十分低效。后来，人们制造了水车，跟中国古代水车不同的是，煤矿用的水车由链条和齿轮组成，用河流和马匹的动力让齿轮和链条转动起来，带动木桶将积水从煤矿中运输出来。当然，大部分煤矿的动力还是得靠马匹来提供，一个大型煤矿需要养几十匹马才能应付日常使用，而且还需要雇佣马夫来喂养和管理马匹，对煤矿来说是一笔不小的开支。为了覆盖马匹水车的成本，煤矿需要开采更多的媒，但开采的越多，就越容易发生透水事故，反而需要装备更多水车和饲养更多马匹，成本越来越大，成为解不开的恶性循环。
齿轮水车
真正的转机发生在1654年，马德堡市长奥托·冯·格里克（Otto von Guericke）听说了托里拆利（Evangelista Torricelli）关于真空和空气的实验，决心做个公开实验来证明大气压强的存在。这一年的5月8日，风和日丽，格里克制作了两个铜制半球，直径约14英寸（37厘米），并邀请了一大队人马在广场中心做起了实验。市民们听说市长大人要做实验，纷纷过来围观，不一会广场就被围得水泄不通，人们小声议论着市长的实验，十分好奇和期待。不一会，只见格里克和助手将两个铜球中间垫上橡皮圈，灌满水后让两个半球结合在一起，然后把水全部抽空，让球内形成真空。一系列操作后，人们发现两个铜制半球被紧紧地压在一起，无法分开。更令人震惊地是，格里克让马夫牵来16匹强壮的骏马，在铜球的两边各栓上8匹。格里克一声令下，马夫们用鞭子催赶马匹奔跑，就像在拔河。“加油！加油！”，广场上的市民们大声呼喊着，十分好奇铜球为什么不会被拉开。不知过了多久，马匹都已经精疲力竭，但铜球仍然纹丝不动，格里克只好暂停实验，让马夫和马匹们休息好后再开始第二次实验，这一次铜球的左右两边马匹都倍增了，变成了两边各16匹，共32匹马。格里克再一挥手，马夫们驱动马匹使劲地奔跑，广场上的人群突然间都安静了，感觉心都悬在喉咙里了，全神贯注地看着半球，期待着实验结果。只听见“啪”的一声巨响，铜球分成了两半，格里克举起这两个分开的半球大声向大家宣布：“女士们，先生们，实验成功了，大气压强是存在的，而且力量居然如此惊人！平时，我们将两个半球合拢，不需用力就可以将球分开，这是由于铜球内外的大气压力相互抵消了。这次实验，我们把铜球抽成真空后，铜球里面就没有大气压力了，只有铜球外的大气紧紧地压住这两个半球，所以大家亲眼所见，这两个半球必须用极大的力才能拉开。”通过马德堡半球实验，人们终于相信了真空的存在，也感知到了大气压力的力量，如果要利用大气强大的力量，则要等到半个世纪之后。
马德里半球实验
1679年，法国物理学家丹尼斯·帕潘（Denis Papin）制作了一种神奇的炊锅。水在这种密闭的炊锅中煮沸，累积的蒸汽产生的压力提高了水的沸点，能让锅内温度达到130摄氏度，锅内的食物很快就煮熟了。炊锅上装有安全阀防止锅内蒸汽压力过高而发生爆炸，这种炊锅就是现代高压锅的雏形，今天我们能吃上美味的蒸排骨，全靠帕潘当年的奇思妙想。由于发明了高压锅，帕潘如愿进入了英国皇家学会，他甚至用高压锅给当时的英国国王查理二世做了一顿饭，当了回御厨，备受国王赞赏。受到当时制造工艺的限制，帕潘发明的高压锅有散热和压力调节的问题，甚至时长有爆炸事故发生，因此在发明后很长一段时间都未推广开来。直到1807年，罐头食品之父—法国人尼古拉·阿佩尔在为拿破仑军队研究军队供给食品保存办法时，又重新对帕潘的高压锅产生了兴趣。阿佩尔先用高压锅将食物煮熟，然后放入带有软木塞的玻璃瓶中密封，能够将食物保存很长时间而不变质。这种方法也是最早期的罐头制作方法，居然也受到了高压锅的启发，我们今天能在超市选购琳琅满目的罐头，也和蒸汽力量有着千丝万缕的联系。
帕潘发明的简易蒸汽机
高压锅也让帕潘意识到了蒸汽的力量，1690年，帕潘向皇家科学学会的成员们展示了世界上第一台用蒸汽的力量来制造真空的机器，这台简易机器通过加热，把水变成蒸汽，蒸汽猛烈膨胀，推动上方的一个活塞做功来制造真空。这是继2000年前古罗马数学家希罗(Hero)发明汽转球后，人们再一次摆弄蒸汽，不过汽转球只是出现在古罗马历史记载中新奇玩物，而帕潘的发明则影响深远。几乎同时，英国达特茅斯出生的工程师托马斯·纽科门(Thomas Newcomen )发明了原理一样，但更加实用的蒸汽机--“纽科门蒸汽机”。这是人类以自然力量——人、畜、水、火、风作为动力之后，首次把蒸汽作为一种人工动力，但这种机器还极不完善，离真正意义上的“划时代”还有一步之遥。纽科门蒸汽机发明后不久就被煤矿看中，用来给矿井排水，排水的原理也十分简单，同样是利用空气做功。纽科门蒸汽机启动后将高温蒸汽引入气缸，然后关闭阀门，随后将冷水灌入密闭的汽缸，蒸汽遇冷凝结导致汽缸形成真空。汽缸的一面是阀门，一面是活塞，因为是真空，活塞外面的空气压力推动活塞移动做功，通过连接的连杆驱动矿井中的泵进行抽水。一台纽科门蒸汽机大概相当于五十匹马，而且昼夜无休，但该蒸汽机热效率低，燃煤消耗量巨大，只有煤矿才能负担的起，使用范围十分有限。但纽科门蒸汽机并没有打破和马匹水车一样的恶性循环。
纽科门蒸汽机
时间到了18世纪30年代，纽科门蒸汽机已被大部分煤矿采用，进行抽水。由于其耗煤量巨大，成本太高，煤矿主和消费者无比迫切地需要更高效，成本更低的排水方式。但他们没想到的是，新的“蒸汽抽水机”将开启一个伟大的工业革命时代，让人类利用烧煤的机器成为了大自然的主宰。1736年，蒸汽时代的灵魂人物詹姆斯·瓦特在苏格兰格拉斯哥出生，瓦特的父亲是一名熟练的造船工人，从小耳濡目染的瓦特有极强的动手能力，是个机械制造修理天才。21岁那年就被格拉斯哥大学任命为工业仪器制造师，并在大学里拥有一个修理车间。一次偶然的机会，瓦特得知格拉斯哥大学有一台纽科门蒸汽机，不过因为故障正在伦敦的机械厂修理，他向学校申请取回这台蒸汽机并亲自进行修理。蒸汽机修好后虽然勉强可以工作，但耗煤量大，效率仍然很低。这激发了瓦特的兴趣，能否通过改进提高蒸汽机的效率呢？经过长时间的观察和实验，瓦特发现，纽科门蒸汽机效率低的原因在于活塞每推动一次，气缸里的蒸汽都要先冷凝，然后再加热变为蒸汽后进行下一次推动，蒸汽80%的热量都耗散了，这个发现让瓦特想到了改进纽科门蒸汽机的方案——在气缸外安装一个独立的冷凝器，使得气缸温度能够维持在注入的蒸汽的温度，蒸汽做功后在冷凝器中冷凝。很快，瓦特就建造了一个连续运转的气缸和冷凝器模型，但距离制造一台实际应勇的蒸汽机还有很长的路要走。
首先是资金问题，瓦特最早的资助者是企业家约翰·罗巴克（John Roebuck）。瓦特在1765年经人介绍认识罗巴克，此时，罗巴克刚刚获得一座煤矿的开采权，急需用于煤矿的抽水的新型蒸汽机。得知瓦特关于蒸汽机的研究后，罗巴克承诺资助瓦特改良蒸汽机。两人面谈后立刻签订了合同，合同规定罗巴克提供必要的资金赞助瓦特改良蒸汽机，罗巴克则获得改良蒸汽机销售利润的三分之二作为报酬。这份合同的签订是崭新蒸汽时代的开端，让蒸汽机真正开始走出实验室，走向全世界。
仅仅十年之后，也就是1775年，由于罗巴克经营不善，煤矿频临破产。罗巴克和瓦特的合作不得不中断，蒸汽机事业陷入了僵局，瓦特不禁心灰意冷，甚至想要放弃。不过天无绝人之路，说来也凑巧，罗巴克的债主--英国企业家马修·博尔顿（Matthew Boulton）创办了生产小五金器械的工厂，但他的工厂缺乏动力，希望借助瓦特改良的蒸汽机提供动力。借此机会，博尔顿从罗巴克手中收购了瓦特蒸汽机专利权三分之二的股份，而瓦特也因此遇到了一生中最重要的合伙人，他们之间的合作时间长达25年。就像是沃兹尼亚克和乔布斯打造第一代苹果电脑一样，瓦特擅长技术制造，马修·博尔顿擅长营销，富有魅力，又多金，简直是天造地设的合伙人。和博尔顿的合作，让瓦特得到更多的资金和更好的设备支持，尤其是在加工制作工艺和精度方面。瓦特在新型蒸汽机制造过程中面临的主要困难在于活塞与大型气缸的密闭性，当时的制造工艺下，气缸密闭性不足，很容易发生爆炸。这个问题最终被博尔顿请来帮忙的铁匠大师约翰·威尔金森（John Wilkinson）解决，他在改进加农炮时构思了一种新的精密镗孔加工技术，发明了世界上第一台真正的镗床，极大地提高了蒸汽机的制造的精度，气缸密闭性问题完美解决了。在密闭性这个最大的拦路虎解决后，瓦特的蒸汽机有了脱胎换骨的变化，1774年，瓦特在博尔顿和威尔金森的协助下，将自己改进、并重新设计的蒸汽机投入生产， 世界上最早的两台真正意义上的实用蒸汽机诞生了！一台被用来驱动博尔顿工厂的铸造风箱上，另一台被用在博尔顿的锡矿中用来抽水。两年之后，第一批新型蒸汽机就开始批量生产。不过，这批蒸汽机只能将煤燃烧产生的热量转化成机械臂的直线运动，因此主要应用在煤矿的抽水泵上。新型蒸汽机投入市场后大受欢迎，很快，英国各大煤矿都安装了由新型蒸汽机带动的水泵用来抽水。在博尔顿的请求下，瓦特开始探索如何将蒸汽机的直线往复运动转化为圆周运动，以便让蒸汽机能够给大多数机器提供动力。
转机出现在1781年，博尔顿工厂的工程师威廉·默多克（William Murdoch）发明了一种曲柄齿轮传动系统，通过这套装置能够把活塞的直线运动转变为轮轴的旋转运动，旋转的轮轴又能通过链条或齿轮给其他机器提供动力，让蒸汽机真正成为了万能机。在随后的几年时间里，瓦特对蒸汽机做了持续的改进，让蒸汽机更加安全、更有效率：他发明了双向气缸，让蒸汽能够可以推动活塞双向运动做功；发明气压计来指示蒸汽压力，防止爆炸。不断的迭代和技术创新，让瓦特蒸汽机的效率急剧提升，每单位煤燃烧产生的动力是纽科门气压机的5倍，高效率的蒸汽机减少了对煤的过度依赖，终于能够脱离煤矿使用，应用到了各行各业，比如冶铁业，纺织业。新型蒸汽机在冶铁业的应用更为重要，因为工业革命的骨架就是由铁搭成的，而蒸汽则是其中流动的血液，它们共同构成了这只碾碎一切古老、陈旧、封建文明枷锁的钢铁巨兽。
瓦特蒸汽机
18世纪初，焦炭冶铁技术的发展得归功于企业家亚伯拉罕·达比（Abraham Darby），焦炭是由煤在一千摄氏度的高温条件下经干馏而获得的固体燃料，达比最早发明了使用焦炭冶铁的技术。他早年在伯明翰一家麦芽糖厂做学徒，经过艰苦卓绝的奋斗，很快创拥有了自己的铁厂，开始焦炭冶铁的试验。试验过程中，达比发现焦炭不容易燃烧，需要大量的空气供应，才能维持冶铁过程。因此，他扩大了冶铁炉的容量，能够容纳更多空气，并冶铁炉安装了一套鼓风设施。一年之后，达比成功用焦炭冶炼出了生铁。焦炭冶铁的成功只是英国炼铁业革命的起点，它让冶铁业开始摆脱对木材的依赖，转而使用价格更为便宜的焦炭。但问题也随之而来，首当其冲的就是是动力问题，达比的冶铁炉是用以水流为动力的水车来鼓风的，但在旱季水量不足，十分影响生铁的产量，冶铁场的选址也只能在河流附近，十分不便。直到1781年，广泛使用瓦特蒸汽机用来鼓风后，才终于摆脱了对水力的依赖，冶铁业也因此开始蓬勃发展起来，铁的产量大幅增长，也越来越廉价。
工业革命和机械化浪潮对铁的需求量激增，焦炭炼铁技术让冶铁业繁荣的同时，由于原料问题，也促进英国冶铁业迅速向中西部产煤区迁移，拉动英国采煤业进一步蓬勃发展，冶铁业和采煤业的发展则需要更多的蒸汽机，更多蒸汽机的生产和投入使用，又可以促进煤和铁的产量。蒸汽机，煤，铁三者形成了牢固不破的良性循环，相互促进，共同发展。由此可见瓦特无与伦比的贡献，高效率的瓦特蒸汽机打破了纽科门蒸汽机耗费资源的恶性循环，改变了英国工业的格局，使生产工具和生产资料充分糅合，爆发出无比强大的创造力，让机器开始取代人工，手工业开始陨落。人类也由此被带入了工业革命和钢铁时代，迎来了科学和技术的第一次大腾飞，而这一切是以瓦特蒸汽机为动力的。从火中诞生的蒸汽机武装了人类，并赋予人类使用埋藏千年的化石能源的能力，让人类虚弱无力的双手变得力大无穷，人类在与自然数千年的斗争历史中第一次占据了上风。
火的终极奥秘--核聚变
在蒸汽机的基础上，人类又发明了内燃机、电动机，充分利用了大自然的其他馈赠--石油、天然气，学会了将其他能源转化成电能，进入了崭新的能源时代，并开启了电力革命，这些从火中诞生的机器，驱动汽车奔跑，高铁飞驰，让我们能把火箭发射到太空，探索璀璨的星辰。它们让电灯照亮黑暗，电话联通世界，整个人类社会从未像现在这样紧紧缠绕成一个整体，能源、信息相互交织，慢慢催生出更为伟大的创新。来自火的馈赠仍然没有尽头，直到现在我们还未能掌握火的所有奥秘，不过人类正朝着火的终极奥秘--核聚变发起挑战，试图利用火的力量重新塑造我们的世界，并朝着更为广阔的星辰大海进发。
人造太阳
当我们在欣赏漫威电影《钢铁侠》炫目的特效时，一定对植入托尼·斯塔克身体的方舟反应堆印象深刻，它十分微小，却能给钢铁侠战衣提供源源不尽的能源，让钢铁侠上天入地拯救世界。虽然方舟反应堆还只是好莱坞编剧的脑洞，但其原理却十分科学，它正是利用核聚变来产生能量的。如果漫威迷能够到位于合肥的中国科学院等离子体所参观的话，也一定会被这里的东方超环（EAST）磁约束核聚变实验装置所震撼，因为东方超环（EAST），俗称人造太阳，就是一个高11米、直径8米、重达400吨的巨型“方舟反应堆”。火最初是用来照明，烹调食物，帮助我们的祖先抵御寒冷和野兽，而如今人们试图利用火焰的终极奥秘--核聚变来产生新能源，这个过程和存在数十亿年之久的太阳内核发生的过程一模一样，人类准备在地球再造一个太阳。
钢铁侠
在东方超环（EAST）这个庞然大物里面有一个真空室，科学家在里面放上核聚变的原料--氘、氚两种轻核原子组成的等离子体，通过激光装置加热让它们发生核聚变，从而产生巨大能量。核聚变产生的巨大能量如果不加控制，会在一瞬间以爆炸的形式释放出来，就像是失去理智的绿巨人，摧毁一切，无人可挡。氢弹爆炸就是应用了这个原理，爆炸威力相当于几千万吨的TNT炸药，可以瞬间摧毁一座超级大都市。而“人造太阳”试验的最终目的就是为了控制核聚变，让核聚变产生的能量舒缓、可控输出，相当于驯服了疯狂的绿巨人，为人类所用。2018年11月12日，东方超环（EAST）取得重大突破，实现加热功率超过10兆瓦，等离子体储能增加到300千焦，等离子体中心温度首次达到1亿度，获得的多项实验参数都接近未来可控核聚变反应堆正常运行所需要的物理条件，为人类开发利用核聚变清洁能源奠定了坚实的基础。人造太阳的进展意义非凡，我们的祖先在百万年前才学会用火，三百多年前才开始使用蒸汽机来替代牲畜，一百多年前才观察到原子内部的结构，而如今却能在地球上制造出比太阳核心温度更高的等离子体，这团等离子体维持的时间还在不断的延长，从刚开始的50毫秒，一直到持续数百米秒，可控核聚变的实现已离我们越来越近。
东方超环磁约束核聚变装置
一个文明的先进程度取决于对能源的利用效率，远古时代，人类对火的使用，让我们走出了茹毛饮血的原始社会。1774年，詹姆斯·瓦特制造出具有实用价值的新型蒸汽机，开辟了人类利用化石能源的新时代，第一次工业革命由此开始。然而两百多年后的今天，人类的主要能源形式仍然是化石燃料，并未发生根本变化。如果人类想要提升文明的层次，走出地球，成为星际生物，可控地利用核能是关键。原因十分简单，核能的能量密度是地球上所有能源中最高的。同等质量的燃料释放出的能量，核能是化石燃料的上千万倍，能量密度可见一斑。
核能的来源是通过核反应从原子核中释放的，核反应则有两种情况：核裂变和核聚变。核裂变是较重的原子核分裂释放能量的过程，通常属于链式反应，也就是一生二，二生四...不断持续的过程。只要在合适的反应条件下，且核原料的浓度适宜，核裂变链式反应就能发生，且随时可以控制反应的进行，目前核裂变发电技术已经十分成熟，多座商业化核裂变发电站已投入使用。核裂变技术虽然相对简单，但其所需的原料（比如铀矿）储量十分有限。此外，核裂变产生的废弃物多为长半衰期放射性物质，很容易产生放射性污染。原料的储量和废弃物的污染问题极大地限制了核裂变广泛应用的前景，人类急需更好的核能解决方案。
核裂变原理图
核聚变完美地解决了污染和储量问题，核聚变是通过较轻的原子核聚合在一起释放能量，原料是氢元素的同位素氘和氚，核聚变比核裂变产生的能量效率还要高600倍，比化石燃料高出1000万倍。核聚变的废弃物也是稳定的同位素，无辐射污染，十分清洁环保。更为重要的是，核聚变原料的储量之丰富超出我们的想象，每升海水中含有0.03克氘。这0.03克氘在核聚变时释放出的能量相当于300升汽油燃烧产生的能量。地球上海水的总体积为13.7亿立方公里，其中蕴含的氘可谓是取之不尽、用之不竭，而且提取方式简单，成本低廉。氚的含量虽然相对较少，但在核聚变过程中并不被净消耗，可以回收循环利用。如果海水中的氘全部进行核聚变，释放出的能量足以提供人类上百亿年的能源需求，能源危机将成为历史名词。
氘-氚的核聚变反应展现出了良好的应用前景，但要想实现可控的核聚变技术，仍然任重道远。因为氘、氚两个原子的原子核都带正电，相互排斥，使得核聚变的反应条件异常苛刻，需要要把原料加热到上千万甚至上亿摄氏度，让氘、氚两个原子通过热运动，硬生生克服排斥力撞在一起，才能发生核聚变反应。那么，如何给核聚变原料提供上亿度超高温的同时，又不把设备烧穿，这十分具有技术含量。上亿度的高温比太阳中心的温度还要高，整个太阳系中没有任何材料能承受。因此，科学家们发挥奇思妙想，用磁场来隔空控制带电荷的核原料，使其不必直接接触反应堆容器，这样就不用担心把设备烧穿的问题了。这种聚变控制方式就应用到了我们在上文中提到的东方超环（EAST）磁约束核聚变装置中。
核聚变原理图
可控核聚变一旦成功，人类将进入下一个能源纪元。化石能源时代涌现的石油短缺，环境污染问题都将一去不复返。人类开始摆脱能源束缚，掌控近乎无限的能源。人类文明从诞生开始，绝大多数的冲突、争端和战争问题的本质都是对能源的争夺，从更大的角度来看，地球上生物的种间竞争和种内斗争归根结底是能源分配的问题，整个生物圈就是一个无比庞大的食物链，因此，无限的能源将带来无限的繁荣和富足。简单试想下可控核聚变实现后的农业，核聚变产生的近乎无限的能源，让无土栽培、温度控制和人工光源彻底摆脱能源的制约，给植物提供近乎完美的温度、湿度、水分和光照，并实行实时反馈和自动控制，粮食生产将不再受限于土地和季节，产量将会有指数级提升，地球上将会再有饥荒，这是个多么美好的未来。更进一步，掌握了可控核聚变后，人类还可以制造以核聚变发动机为基础的宇宙飞船，进行星际旅行，探索宇宙的奥秘，成为星际物种。多年之后，当人类的后代在宇宙的另一端仰望星空时，定会回忆起这段光辉的历史和人造太阳绚丽的光芒。
无土栽培
生命已经在这颗蓝色的星球上走过了37亿年，回顾这段波澜壮阔的生命发展历史，从能源的角度可以大致分为三个时期：地球化学能源时期，化石能源时期和核能时期。每一个时期都解锁了一种新的能源，同时伴随着能够利用这一能源并改变整个地球生态环境的新物种的产生。当然，先前的能源和物种也并未消失，在能源的引导下，地球上的生命和环境不断交互，物种和生态环境类型都不断多样化，才有了今天丰富多彩的大自然。生命也从原始海洋中的微小蓝藻进化成了拥有情感和理性的智慧生物人类。从接触到火的那一刻起，人类就注定走上了一条重新定义自己，并塑造世界的光辉之路。火赋予我们烹饪食物的能力，让我们吃的更健康更有营养，让人类的智力不断提高，最终在协作中促进了语言和社会的产生；火帮助我们制作陶器、锻造金属，提高生产力，从愚昧的原始社会进入了崭新的青铜时代；从火中诞生的蒸汽机，促进了采矿业和冶铁业的发展，引发了第一次工业革命，给了我们改造世界的力量；火的终极奥秘让我们制造出人造太阳，终有一天会拥有取之不尽的清洁能源。人类也将进化成为星际物种，拥有长寿，富足的生命，甚至化身为神。而这一切开始于37亿年前原始海洋中的微生物利用氢气和甲烷中的化学键供能。生命对能源的渴望早已深埋在我们的DNA中，指引着我们不断前行，探索宇宙最本源的奥秘，攫取最丰硕的生命果实，这是地球母亲给它的孩子最美妙的馈赠。我们来自哪里，我们将要去到何方？火会照亮我们前进的路，能源将告诉我们答案。
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