牛津通识读本：全球经济史 [5]
所有这些工序都改由机械来完成。可以说，理查德·阿克莱特的最大成就就是设计出了一家小型工厂（克伦福德2号工厂），里面的机器按照合理顺序依次排列，后来英国、美国和欧洲大陆的早期棉纺织厂都参照这家工厂进行布局。纺纱是其中最重要的步骤，自从18世纪30年代起，许多人致力于改进这道工序。18世纪四五十年代，刘易斯·保罗和约翰·怀亚特采用了滚筒纺纱装置，这一思路是正确的，但是他们位于伯明翰的工厂却一直在亏本。詹姆斯·哈格里夫斯于18世纪60年代发明了珍妮纺纱机，这是第一台在商业上获得成功的纺纱机。珍妮纺纱机在手纺车的基础上有所改进，它将多个纺锤安装在同一台纺车上，用拉杆和联动装置来模仿纺纱工人手部的动作。阿克莱特雇用钟表匠人，花费五年时间来完善使用滚筒的水力纺纱机。随着滚筒的纺纱动作，无捻粗纱穿过成对排列的滚筒，被拉紧绷直。这些滚筒就像轧干机一样，牵引棉线前进。每一对滚筒的运转速度都比之前的滚筒更快，因此通过滚筒之间的相互牵引，纱线变得更长和更细。
在所有产生重大影响的纺纱机中，克朗普顿的骡机发明时间最晚。它将哈格里夫斯的珍妮纺纱机的拉杆与阿克莱特的水力纺纱机的滚筒结合在一起，从而能够纺出更为精细的纱线。有了珍妮纺纱机和水力纺纱机，英格兰在粗纱纺织领域就能和印度一较高下；有了骡机，英格兰在细纱纺织领域同样将生产成本大幅降低。
这些机器背后的经济原理大致相同。它们减少了生产每磅纱线所需的人力劳动时间。与此同时，它们增加了每磅纱线所需的资本。于是，人力成本越高的地区，机械纺纱节约的成本就越多。18世纪80年代，建立一家阿克莱特工厂的回报率，在英格兰是40%，在法国是9%，在印度不到1%。投资者期望固定资本投资能带来15%的回报率，这也就不难解释为什么在18世纪80年代，英国新建了大约150家阿克莱特工厂，法国只有4家，而印度连一家都没有。珍妮纺纱机的相对收益率也呈现类似模式。在法国大革命前夕，英格兰共建造了2万台珍妮纺纱机，法国只有900台，印度一台都没有。在法国和印度两地，花费大量时间和金钱去发明机械纺纱技术毫无意义，因为在这两个地区使用新技术无利可图。
这一局面并未持续下去，所以工业革命最终扩散到其他国家。阿克莱特的工厂把各种机器结合在一起，因此比珍妮纺纱机削减的成本更多。克朗普顿的骡机削减了纺织精纱的成本。在随后的半个世纪里，众多发明家继续改进骡机。他们不仅节省了劳动力，也节约了成本。到19世纪20年代，欧洲大陆各国采用改进后的纺纱机，变得有利可图。到19世纪50年代，经过进一步改进的机器甚至在印度和墨西哥这样的低工资经济体中也能赢利。到19世纪70年代，工厂化的棉布生产开始向第三世界转移。
蒸汽机
蒸汽机是工业革命最具变革力的新技术，有了蒸汽机，机械动力就能用于铁路、远洋轮船以及各种工业领域。
蒸汽动力是科学革命的副产品。气压是17世纪物理学的研究热点之一。欧洲各地的著名科学家，包括伽利略、托里切利、冯·格里克、惠更斯和波义耳，都对此做过研究。17世纪中期，惠更斯和冯·格里克提出，如果汽缸中出现真空环境，那么气压将把活塞推入汽缸。1675年，法国人丹尼斯·帕潘利用这一设想，制造出一个粗糙的蒸汽机原型。托马斯·钮科门经过12年的试验，于1712年在达德利制造出一台更加实用的机器。这台新机器将水煮沸以制造蒸汽，然后将蒸汽灌满汽缸，接着将冷水注入汽缸使蒸汽凝结，由此气压将活塞压至汽缸底部。汽缸活塞与连杆相连，当活塞被压入汽缸时，连杆就将抽水机的活塞提起。
蒸汽机体现了经济激励对于创造发明的重要性。欧洲各国对于发动机的科学原理都有所了解，但最终是英国完成了蒸汽机的研发，因为只有在英国使用蒸汽机才有利可图。钮科门蒸汽机被用于抽干煤矿中的积水。英国拥有庞大的煤炭产业，煤矿数量远多于其他国家。此外，早期的蒸汽机要消耗大量煤炭，因此只有在能源价格较低的地区使用，才能将利润最大化。在18世纪30年代，约翰·西奥菲勒斯·德萨居利耶写道，钮科门蒸汽机“在煤炭厂……已被普遍采用，因为那里的煤炭废料没法销售，正好可以用来提供热能”。其他地方很少使用钮科门蒸汽机。虽然已经取得科学突破，但如果没有英国煤炭业，蒸汽机就不会得到发展。
蒸汽动力成为了一项新技术，它有许多用途，并且可以在世界各地使用，但前提是蒸汽机必须得到改进。这一任务直到19世纪40年代才完成。约翰·斯密顿、詹姆斯·瓦特、理查德·特里维西克和阿瑟·伍尔夫等工程师研究并改进了蒸汽机，使之减少了能源消耗，并且使动力输出更为平稳。在18世纪30年代，要获得每小时的最大马力，钮科门蒸汽机必须消耗44磅煤炭；到了19世纪晚期，三胀式船用蒸汽机只需消耗1磅煤炭。经过英国天才工程师的技术改进，使用蒸汽机在世界各地都变得有利可图，这样一来，英国反而减弱了自己的竞争优势。最终工业革命传播到国外，全世界都开始了工业化进程。
继续发明
工业革命最伟大的成就在于，18世纪的发明不再像之前几个世纪那样昙花一现。相反，18世纪的发明开启了连绵不绝的创新之路。
棉纺织业继续成为创新的焦点。18世纪的发明将纺纱变成一整套工厂体系，但织布依然是在村庄里通过手工完成的。埃德蒙·卡特赖特牧师的发明改变了这一状况，他花费了数十年时间，将积蓄都用于完善织布机。他的灵感来自雅克·德·沃康松制作的机器鸭子，当时这只鸭子在凡尔赛让整个宫廷大吃一惊，它居然能扇动翅膀，能做出吃食的动作，甚至还能排便！（伏尔泰嘲讽道：“如果没有沃康松的鸭子，你都想不起来法国有什么事物值得骄傲。”）如果一台机械装置能够有那么惊人的表现，为什么它就不能做一些有用的事？卡特赖特有了这样的念头，于是在1785年为他的第一台织布机申请了专利，随后又在1792年为改进后的新机器继续申请专利。不过，当时这样的机器成本过高，还无法用于生产。之后，多位发明家一点一点地改进织布机。到19世纪20年代的时候，机械动力织布机开始在英格兰取代手工织布机，不过直到19世纪50年代之后，手工织布机才彻底退出历史舞台。机械动力织布机大幅增加了资本投入，减少了劳动力成本，因此，是否采用机械动力织布机取决于生产要素的价格以及这两种方法的相对效率。美国接受机械动力织布机的速度远快于英国，这一现象值得注意。到19世纪20年代，美国的工资水平已经高于英国，技术革新的模式反映出了这一变化。
棉纺织同样把蒸汽机引入了工厂。当然，在此之前已经有过许多尝试。1784年，博尔顿和瓦特投资阿尔比昂面粉厂，意图推广他们的机器，因为这家工厂是第一家大规模使用蒸汽动力的工厂。次年，蒸汽首次被用于棉纺织厂。不过，在19世纪40年代之前，大多数工厂依然使用水力作为动力。因为直到那时，蒸汽机的煤炭消耗量才下降到足够低的水平，从而使蒸汽机成为更为廉价的动力来源。在此之后，蒸汽机在工业领域的应用范围不断拓展。
在19世纪，蒸汽动力也给交通带来了革命性的变革。每一个高压蒸汽机的发明者（居纽、特里维西克、埃文斯）都想将它用于陆地交通，但都没有取得成功，因为谁都无法应对不平整的路面状况。解决方案之一是将蒸汽机安装在轨道上。人们早就开始在煤矿里铺上简陋的木制轨道，然后推着手推车在轨道上行进，用这种办法来运送煤炭和铁矿石。到18世纪，铁轨取代了木轨，并且路线一直延伸。1804年，理查德·特里维西克建造的第一台蒸汽动力机车，行驶在位于威尔士的佩尼达伦钢铁厂的一段铁轨上。斯托克顿至达灵顿的铁路（1825年通车）全长26英里，原本计划用作煤炭运输，后来却发现运输普通货物和旅客也能挣钱。第一条通用铁路是利物浦至曼彻斯特的干线，全长35英里，1830年通车。铁路铺设获得了巨大成功，英国从此开始了疯狂的铁路铺设。到1850年，已经通车的里程接近1万公里。三十年后，铁路网的总里程达到2.5万公里。
蒸汽动力也用于水路航行——避开糟糕道路的另一种办法。从一开始，发明就不仅限于一国。最早的蒸汽船出现在法国：1774年首航的“帕尔米佩德号”和1783年首航的“皮罗斯卡菲号”。第一艘在商业上取得成功的船只是罗伯特·富尔顿的“克莱蒙特号”，它从1807年起航行在哈德孙河上。两年后，一个名叫约翰·莫尔森的加拿大酿酒商驾驶蒸汽船行驶在圣劳伦斯河上，他用的是魁北克三河城制造的蒸汽机。
到19世纪中期，蒸汽船已经开始在远洋航行中取代帆船。由于在钢铁工业和工程制造方面居于领先位置，英国成为了世界船舶制造的中心。布鲁内尔的“大西方号”（1838年建成）标志着新的突破，因为它证明，船只可以携带足够多的煤炭横跨大西洋。布鲁内尔的另一艘船“大不列颠号”（1843年建成）是第一艘用钢铁建造的船只，它用螺旋桨取代了叶轮。不过，直到半个世纪之后，蒸汽船才将帆船彻底淘汰。原因在于，这些蒸汽船必须携带煤炭作为自身燃料，因此在远程航行的时候，可用于装载货物的空间并不多。因此，最先采用蒸汽船的路线都是短途航行。随着蒸汽机的煤炭消耗量下降，在携带同等煤炭量的情况下，蒸汽船可以航行更远的距离，从而可以在更多航线与帆船竞争。最后一条采用蒸汽船的航线是从中国到英国的远洋航行，快速帆船直到19世纪晚期才最终退出这条路线。
蒸汽动力是通用技术的一种。所谓通用技术，指的是可以应用到各个领域的技术。电力和计算机也是通用技术。要经过数十年的发展，通用技术的潜力才能被开发出来，因此要等到通用技术发明很久之后，它对于经济发展的贡献才会体现出来。蒸汽机的例子就说明了这一点。在钮科门发明蒸汽机将近一百年之后的1800年