德國曾被瓜分到差點亡國，什麼讓它站起來？
歷史，就像世界盃一樣，只記住了馬拉多納、齊達內、梅西……這些臨門一腳打進球的球員，卻無法記住是誰把球傳給他們的。
人們總是看到一個結果，而忽略形成這個結果的過程。德國足球隊帥哥們，只能和我們一樣「看」完了世界盃決賽，可不會有多少人有興趣去了解衛冕冠軍德國隊慘敗的原因。
都知道德國現在是經濟和科技強國，可誰會在意德國在鴉片戰爭的同時期，德國過的喪權辱國的日子，還不如中國呢。
德國又是如何站起來的呢？
也許，自媒體時代都喜歡快捷的碎片式閱讀，喜歡簡單直接的答案。但世界原本就很複雜，德國站起來的故事，還是得從蒸汽機講起。
蒸汽機從原型到應用的百年歷程
科學有時候就是一層窗戶紙，捅破之後，豁然開朗。而之前，卻要繞上好幾百年，才來到窗前。現在的汽車發動機隨便找一個修車的路邊攤，都可以把發動機解體再重新組裝，看似多麼稀鬆平常，而從蒸汽機到發動機，歷史繞了兩百年。
最早發現蒸汽的力量，並且利用這股力量製作出了第一台利用蒸汽力的器具的發明人，可追朔到公元前130年埃及人希龍。
希龍最著名的發明是用蒸汽推動的空心球，球上面有兩個方向相反的彎管，蒸汽噴出的扭力，會推動球不停地轉動。這是人類最早的「蒸汽機」。
在此後的一千多年內,並無進一步發展,直到17世紀,才又對熱機進行新的探索。1674 年，法國著名物理學家、工程師巴本從歐洲當時的煉鐵場廣泛使用的那種活塞式風箱中受到啟發，把風箱變為汽缸，用蒸汽代替人力推拉活塞，做出了蒸汽機的原型。
巴本的蒸汽機是堅著的，活塞上升到頂部時，被插銷固定住，移去熱源，再向汽缸內噴水,使蒸汽冷凝，汽缸內形成真空。拔去插銷，在上部大氣壓力的推動下，使活塞慢慢向下運動，並通過槓桿提起重物。
差不多40年之後的1712年，英國工程師紐科門首次製成可實用的蒸汽機，主要用途是給礦井抽水。（礦井的地下水是很大一個問題，中國十年前經常有透水事故的新聞報道）
紐科門蒸汽機繼承了巴本蒸汽機的原理，下面這個動圖，看得很清楚。鍋爐與汽缸相通，汽缸上面有一個活塞，活塞繫於一根搖動的橫杆上，橫杆的另一頭連著排水泵。當蒸汽膨脹時，推動活塞上升，使橫杆的另一端下降，把水泵的活塞壓下去；隨著，向汽缸噴冷水（下面動圖噴的藍色小液體），蒸汽就會被降溫冷縮，形成真空，大氣壓力就會就會讓活塞又降下來，帶動另一端的水泵活塞把地下水提上來。上下往複，抽水機就不停歇地工作了。（有過北方農村生活經驗，冬天握著冰冷的水泵上的鐵棍壓過水的人，能夠秒懂，蒸汽機不過是代替了你的手，哈哈！）
紐科門蒸汽機原理圖
紐科門蒸汽機實物是這樣子的，是固定的，不能挪窩，像房子那麼高
紐科門蒸汽機當時主要用於把礦井裡面的水排出來
?50年後，瓦特開始玩蒸汽機，並大大提高了蒸汽機的效率。
1763年，英國格拉斯哥大學有一台教學用的紐科門蒸汽機壞了，瓦特是格大的儀器修理工，在修理的過程中，瓦特發現紐可門蒸汽機太費燃料了，通過大量的試驗和計算，發現用煤燒出的蒸汽，僅僅只有四分之一用在作功上，其餘四分之三卻白白浪費了。
格拉斯哥大學化學教授布萊克用他的潛熱學理論對紐科門蒸汽機的弊病作了解釋 ：紐科門蒸汽機的要害在蒸汽缸上。它的汽缸既容納從鍋爐里噴出來的蒸汽，當蒸汽注滿以後，又要立即噴上冷水，使蒸汽冷凝才能產生真空, 利用氣壓「冷熱循環」的壓差去推動橫杆運動。癥結在汽缸又兼冷凝功能。
1765年瓦特運用熱學理論終於研製成了分離冷凝器的瓦特改進蒸汽機。鍋爐與汽缸相通，冷凝器與汽缸之間有一個調節閥門相連，使冷凝器與汽缸既能連通又能分開。這樣，既能把汽缸中做工後的蒸汽引入汽缸外的冷凝器冷卻，又可以使汽缸內產生同樣的真空，避免了汽缸在一冷一熱過程中熱量的消耗，提升了效率，縮減了蒸氣機體積，使蒸氣機廣泛應用於工業生產成為可能。
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瓦特第一波改良後的蒸汽機是這樣子的
從此，瓦特的一生就是和蒸汽機相伴的。瓦特第一次改良之後的蒸汽機，活塞只能作往返的直線運動，這依然是根本局限。1781年，無法考證的說法，瓦特可能是受當年發現的天王星以及由此引出的行星繞日的圓周運動的啟發，他想到了把活塞往返直線運動變為旋轉的圓周運動，這樣就可以使動力傳給任何工作機。（天王星是首先是科學家根據牛頓的萬有引力預測到的，牛頓真是神推手？）
同年，他研製出了一套被稱為「太陽和行星」的齒輪聯動裝置，終於把活塞的往返的直線運動轉變為齒輪的旋轉運動，這一重大革新，使蒸氣機真正成為能驅動運輸工具的動力機。
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從巴本到瓦特，100多年改良，蒸汽機終於成為動力之源了，蒸汽沖入汽缸到排出的過程，驅動了活塞的運轉。
蒸汽機驅動火車的原理：蒸汽從左右兩個口，交替進氣，推動活塞像風箱一樣運動。
再看一個動圖，紅色的是蒸汽。
18世紀中後期，以蒸汽機的使用為主要標誌的技術革命，使西歐資本主義生產關係的發展達到了一個新的轉折點。這一技術革命也直接推動了自然科學尤其是熱學的發展。
英國在工業革命中，解放了生產力，大量的布匹被製造出來，鐵被冶煉出來，需要新的市場，英國開始世界範圍內的攻城掠地，建立殖民場，當然其中也包括鴉片戰爭。
蒸汽機用於印刷
蒸汽機用於紡織
格拉斯哥大學的一個修理工，改變了英國，改變了世界。看似偶然，其實一切偶然，都是必然。
格拉斯哥大學始建於1451年，是全球最為古老的十所大學之一，英語世界國家第四古老大學。
當然，英國更早的大學牛津、劍橋在13世紀就開始建校了，至今已建校800年。英國在整個中世紀都是歐洲的一個落後國家，她處於歐洲大陸文明的外圍。而英國率先在歐洲興辦高等教育，建立皇家科學院，培養了大量的科學人才，給工業革命奠定了基礎。牛頓在劍橋大學建立的經典力學，為工程技術的突破，賦予了強有力的工具。
中國的現代大學，北大、清華才百年歷史，中國的工業革命晚了英國兩三百年的歷史，根本在於承擔科技創新重任的高等教育晚了700年。
德國也曾經被反覆踐踏和蹂躪
在蒸汽機後續的100年里，內燃機的革命，讓德國強大起來。無獨有偶，德國在強大之前，也是四分五裂、被反覆蹂躪的弱國。德國的崛起，也是教育先行。
在英國滿世界插米字旗的時候，德國還叫普魯士，還生活在水生水熱之中。1806年10月，拿破崙從巴黎御駕親征，開戰不足三周，拿破崙戎裝盛服自勃蘭登堡門進入普魯士首都柏林。
拿破崙進入勃蘭登堡門
1807年6月，普魯士全境淪喪。普魯士被迫同拿破崙訂立城下之盟——《提爾西特條約》。《提爾西特條約》可謂是毀滅性的，離亡國滅種僅咫尺之遙。普魯士被割取一半領土和50.7％人口，領土自30.5萬平方公里狂降近半，人口也從1000萬直接腰斬至493萬。
拿破崙戰爭後，普魯士痛定思痛。最先乾的什麼事呢？興辦教育，教育是立國之本。
在新人文主義思想運動影響下，德國開始了教育史上最重要的一次改革。領導這場改革的是當時普魯士內務部教育廳廳長、新人文主義代表 K.W.von洪堡。改革後的普魯士學製為雙軌學制。一軌是通過8年的國民學校學習，再進入職業教育學校，一軌是與大學相連的文科中學。
1810年，洪堡創立洪堡大學，洪大是世界上第一所將科學研究和教學相融合的新式大學，被譽為「現代大學之母」，愛因斯坦、黑格爾、馬克思等都曾在此任教或學習，其「教研合一」、「學術自由、教學自由、學習自由」的洪堡精神也影響到了幾乎所有的現代大學。
同年，普魯士要求教師需要國家認證，要有教師資格證才能上崗，用「最優秀的人培養更優秀的人」，教學水平大大提升。
教育是最廉價的國防。半個世紀之後的1871年，普法戰爭普魯士大獲全勝，這次戰爭使普魯士王國完成德意志統一，取代了法國在歐洲大陸的霸主地位。而普魯士元帥老毛奇說：「普魯士的小學教師贏得了薩德瓦戰役。」
這句話其實並不誇張，德國的教育體系中，注入了科學精神與國家精神，重視學生的體魄、品德、意志的教育，普魯士在普法戰爭中取勝，教育是根本。
而德國的科學教育，也奠定了德國經濟騰飛的基礎，洪堡大學到第二次世界大戰之前，成為世界的學術中心。
內燃機革命讓德國成為強國
如果說，英國因為蒸汽革命，成為「日不落」帝國，而德國顯然抓住了內燃機革命的大機會，成為汽車工業強國。
蒸汽機的發明和利用為能量守恆與轉化定律的發現創造了最基本的物質基礎。
1824年，法國人卡諾提出著名的卡諾定理，卡諾認為最理想的機械應該具備：由帶著活塞的汽缸裡面的氣體所產生的等溫膨脹、絕熱膨脹、等溫壓縮、絕熱壓縮等四種循環過程。
1842年，德國科學家邁爾提出了能量守恆理論，認定熱是能的一種形式，可與機械能互相轉化（熱力學第一定律）。
熱機效率和熱力學的研究，推動了內燃機的發明。1860年，比利時工程師勒努瓦模仿蒸汽機的結構, 設計製造出第一台實用的二衝程，用瓦斯作為燃料的內燃機。
為什麼內燃機是蒸汽機的繼承呢？ 實際上，我們給汽車加的是汽油，最後通過噴油嘴，把汽油噴進汽缸時，是霧化的，火花塞打火跟廚房裡用的燃氣灶點火是「一樣的」，灶台點的是天然氣，汽車火花塞也是啪啪地冒火星，也是點的「氣」，只不過是汽油化的「氣」。（在廚房炒過菜的秒懂，在農村用噴霧器噴過農藥的秒懂）。
汽車的火花塞跟你家灶台打火那玩藝兒是「一樣」的。
噴油嘴將汽油「霧化」。
灶台打著火的時候，會「轟」的一聲，那就是氣體瞬間燃燒的膨脹，汽車發動機也是靠瞬間燃燒的膨脹推動活塞的。看看動圖，點火過程也很清楚的：
1862年，法國人德·羅沙在吸收了卡諾研究熱力學時提到的一些內燃機基本原理的基礎上，提出了四衝程內燃機工作原理。
這個工作原理提出了取得最高效率和最佳經濟性能所需要的條件：點火前要高壓；燃氣要迅速膨脹，達到最大膨脹比等。他還提出了實現這些條件的具體步驟，這就是把活塞運動分作四個衝程：活塞下移，進燃氣；活塞上移，壓縮燃氣；點火，氣體迅速燃燒膨脹，活塞下移做功；活塞上移排出廢氣。
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四衝程發勸機原理，沿用至今
1886年，卡爾·本茨（Karl Benz）研製成功單缸汽油發動機，安裝在自己設計的三輪車架上，取得了世界上第一個「汽車製造專利」。
但是由於技術上的不成熟，本茨的「三輪車」總是拋錨。人們嘲諷本茨造出一個「散發著臭氣的怪物」。怕出洋相的本茨甚至不敢在公共場合駕駛世界第一台賓士車，於是世界上第一個駕駛員，成了女司機，而且是「無照駕駛」的。
貝瑞塔·林格在駕駛第一輛汽車
然而一直在本茨身後默默支持他的夫人——貝瑞塔·林格做出了一個勇敢的決定。1888年8月5日清晨，在本茨毫不知情的情況下，她全然不顧當地政府的阻撓和人們的冷嘲熱諷，在沒有任何駕駛培訓的前提下，帶著她的兩個兒子駕駛著世界上第一輛汽車，從曼海姆城一路長途跋涉傍晚時分終於到達190多公里外的普福爾茨海姆，去探望了孩子的祖母。興奮的她立即發了封電報給丈夫：「汽車經受住了考驗，速申請參加慕尼黑博覽會。」
在熱力學奠定的基礎上，德國工程師奧托完成四衝程內燃機設計，內燃機由此變得更加精巧耐用、高效可靠。四衝程內燃機工作原理，一直在現代汽車發動機上沿用至今。它也是發明飛機必不可少的條件（到1939年第一架噴氣式飛機飛上藍天為止，所有的航空飛行器都是用奧托四衝程內燃機做動力）。
四缸發動機原理
四缸發動機實圖
1903年12月17日，萊特兄弟試飛了完全受控、依靠自身動力的「世界上第一架飛機」。當時，萊特兄弟利用空氣動力學原理，計算出發動機不能超過90kg, 最後他們拿到了一台70kg，功率為8.8kw的四缸發動機。
萊特兄弟的「飛行者一號」所用的四缸發動機，100多年前，已有相當高的技術水平
「飛行者一號」左側可以清楚地看到這台發動機，沒有內燃機，飛天無望。
隨後，德國工程師狄塞爾開始力圖使內燃機的卡諾循環獲得最高的熱效率，但實際上做到的是近似的等壓燃燒，其熱效率達26%。壓縮點火式內燃機問世，引起了世界機械業的極大興趣，壓縮點火式內燃機也以發明者而命名為狄塞爾引擎。這種內燃機以後大多用柴油為燃料，故又稱為柴油機。
1898年，柴油機首先用於固定式發電機組，1903年用作商船動力，1904年裝於艦艇。德國在內燃機時代的突飛猛進，不僅讓德國的汽車產業從此傲視群雄，也讓德國成為一個船堅炮利的國家。
我們在享受汽車帶給我們的「像風一樣自由」的時候，真的該對這些偉大的科學家和工程師們有一個念想。科學背後的故事，往往如清晨的日出，寂靜無聲，卻讓人怦然心動。
華為最近發布《基礎研究與基礎教育是產業誕生和振興的根本》視頻，短短10分鐘濃縮了近現代的兩三百年的科技史，視頻來不及細述的故事扒出來，並不亞於浪漫愛情故事的迂迴。
一個國家的強盛，往往是幾百年的因果，並不是「只爭朝夕」的事。
從英國和德國從蒸汽機時代和內燃機時代崛起的過程中，可以看到，國家的繁榮，教育是根本，而教育的根本在探索，在創新，而不是灌輸。
今天中國的教育，是誰發明了蒸汽機這個考點，比蒸汽機到底是怎麼發明出來的更重要。中國的教育，是知識教育，卻少了科學教育。
如果教育沒有創新精神，就會折斷了中國的基礎科學研究之翼。
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