是什么成就了特斯拉

想象一个没有电灯、电机、电泵、电扇、冰箱或者电梯的世界。如果没有微波,就没有收音机或电视。下次当你按下开关时,你应该想一想尼古拉·特斯拉(Nikola Tesla)。特斯拉比其他任何一位发明家都更有资格说自己开创了电力时代。但在他去世70年后,在他的那些主要发明问世一个世纪后,他的名字并不像托马斯·爱迪生、亚历山大·格雷厄姆·贝尔或莱特兄弟那样为人所熟知。

特斯拉不安于现状的大脑使他可以进一步超越这些在电力和机械方面的创新。他发明了一种“放大线圈”,它可以大幅度提高电流的频率和电压。特斯拉发现这样的电流可以辐射出电磁波,他敏锐地意识到这些电磁波大有可为。今天,“无线”已经是计算机网络世界中一个无处不在的术语。而特斯拉在100多年前就发现了这一原理。

特斯拉经常被拿来和爱迪生(Thomas Edison)作比较,但他在很多方面与爱迪生截然相反。爱迪生声称发明是“1%的灵感,99%的汗水”。然而,特斯拉是一个很有想法、很有远见的人。爱迪生是自学成才;而特斯拉接受了完整的工业教育。爱迪生解决了一些实际问题;而特斯拉梦想发明可以改变世界的技术。爱迪生将他的发明商业化;而特斯拉几乎没有商业头脑。他们唯一的共同点是,两人都睡得很少:特斯拉有时会从上午10:30工作到第二天早上5:00。

在特斯拉的有生之年,他的许多发明都没有得到任何奖励或报酬。例如,古列尔莫·马可尼(Guglielmo Marconi)发明了无线电,但他的设备是基于特斯拉的想法做出来的。直到最近几年,特斯拉才因他深刻的见解及其对现代生活的影响而获得了更广泛的认可。

特斯拉的父亲是一位东正教牧师,他希望自己1856年出生的儿子也能像自己一样。特斯拉家族是塞族人( Ethnic Serbs),居住在当时奥匈帝国的克罗地亚。特斯拉的母亲发明了像打蛋器一样的厨房器具,他觉得自己很像她。当他少年时期有一次生病时,他让父亲答应了自己,如果他康复了,就把他送到技术学校。他在奥地利格拉茨的格拉茨理工大学(Austrian Polytechnic School)学习机械和电气,目的是日后能成为一名工程师。

特斯拉小时候看过尼亚加拉瀑布的照片。他立刻想到了一个巨大的磨坊水车,它可以利用瀑布的力量进行工作。这些场景显示出特斯拉从小就思维清奇。这个年轻人能在脑海中进行微积分计算,并拥有过人的记忆力。但最引人注目的是他将自己的想法形象化的能力:他可以在脑海中反复加工自己的想法,以至于在这些想法能像实物看起来一样真实。

但他的才华也带来了一些负面作用。在他20多岁的时候,高高瘦瘦的特斯拉经历了一次精神崩溃,这让他的感觉变得过于敏感—手表的滴答声都能让他感到不适,他甚至发现阳光也会让他感到压抑。在他的一生中,他饱受恐惧症和强迫症的折磨。

特斯拉很早就对交流电产生了兴趣。当时,需要电机和照明的实验用的都是直流电(DC),就像电池产生的电流一样。直流电机效率很低,但没人能想象交流电机会如何工作。一天,当特斯拉在公园里讨论诗歌时,突然想到了如何让交流电机成为现实。

他使用交流电的想法使欧洲的专家困惑不已。1884年,28岁的特斯拉决定前往纽约并向托马斯·爱迪生介绍了他的想法。他向这位伟大的发明家描述了他对交流电的看法,但爱迪生对此并不感兴趣。相反,他雇特斯拉来操控他的直流设备。但是两个人不太合得来——特斯拉没有完成爱迪生交给他的工作就辞职了,而他最终也没有拿到自己的薪水。

直流电由沿着导体在一个方向运动的电子组成。交流电中电子运动方向每秒钟改变多次。为了制造电动机,你需要改变一块叫做定子的固定着的电磁铁的极性。磁性转子会不断地想要与定子一直改变的磁极对齐,这样定子就会旋转起来产生动力。直流电机使用巧妙的机械换向器来改变极性;交流电机以电的方式直接改变电流方向。一旦特斯拉找到了如何将交流电与电机中电磁铁的极性匹配的方法,他就取得了他最重要的突破之一。

爱迪生已经为他的直流输电系统找来了用户,在纽约市的街道上架起电线,通向这些用户家里。但乔治·威斯汀豪斯(George Westinghouse)已经在研发一种与之竞争的交流输电系统。他认为特斯拉的发明可以让他的方案比爱迪生的更具优势。

特斯拉明白,交流是驱动电动机和电灯的更有效方式。更重要的是,可以使用线圈将“交流电”升压。通过电磁感应,一个线圈中的低电压转变为另一个线圈中的高电压。高压电流可以更有效地在电线中传输,然后通过降压供家庭使用。特斯拉的电路是我们经常在电线杆上看到的变压器的前身。直流电无法升压,要把它传输到几英里以外的地方,就需要更粗的电线。

交流电在特斯拉开始他的工作之前就已经为人所知。但特斯拉设计了一个由发电机、输电线路、电动机、照明系统和其他电路组成的集成系统,使交流可以成为直流的替代品。1887年,特斯拉申请了七项与他的交流电有关的专利,这些专利没有受到挑战就得到了授权。西屋电气公司(Westinghouse)在1888年买下了这些专利。

但是直流电还在大行其道。西屋电气和爱迪生陷入了所谓的“电流之战”。爱迪生首先发难,他声称交流电太危险,公众无法安全使用。1890年,爱迪生的一位名叫哈罗德·布朗的熟人安排一台西屋交流发电机为一名死刑犯行刑,这进一步强化了他的观点。

但拥有特斯拉专利的西屋电气可以证明,交流电是一种更有效的替代品。电流战争中冲突的最高潮发生在1893年至1894年的芝加哥哥伦比亚博览会上。西屋电气的供电成本远低于爱迪生的供电成本。他拿到了合同,并在特斯拉系统的基础上为展会供电。世博会开幕时,成千上万盏明亮的灯亮了起来,这令参观者大吃一惊。这次演示消除了公众对交流电的恐惧,交流电成为了电力系统的标准方案。

特斯拉实现了他童年的梦想:在尼亚加拉大瀑布建一座发电厂,这昭示了特斯拉的胜利。1890年,投资者在交流电和水力发电上下了重注,当时这两项技术都尚未得到检验。1896年,特斯拉设计的发电机开始向电力系统供电,漫长而紧张的等待就此结束。最终,他们将电输送到纽约市,照亮了百老汇。随着世界各地开始修建水电站,电力时代悄然到来。

特斯拉的许多发明都是基于电磁感应原理。19世纪30年代,英国科学家迈克尔·法拉第(Michael Faraday)证明,移动的磁铁会在导体中产生电流(此处有改动)。正是这种电能在一定距离内产生影响的能力让特斯拉着迷,并启发他产生了从交流电机到特斯拉线圈的各种想法。

即使是简单的电流也会产生磁场。在高压下振荡的交流电会产生电磁波。海因里希·赫兹(Heinrich Hertz)于1888年发现了电磁波,许多发明家加入了利用电磁波进行无线通信或其他用途的竞争。

在50英里(80公里)之外的纽约州西点军校,仍能探测到他在纽约的实验室产生的电磁浪。

许多发明家为无线电的发展做出了贡献,但古列尔莫·马可尼因这项发明于1909年获得了诺贝尔奖。特斯拉对自己的基础性和独创性贡献得不到认可感到不满,早在马可尼发明第一个原型机之前,特斯拉就已经申请了专利。1943年,特斯拉去世几个月后,美国最高法院终于承认特斯拉的专利发明是马可尼最初成就的基础。

特斯拉看到了电磁波的另一个用途。他认为它们让大规模无线年,他搬到科罗拉多州斯普林斯,建造了大型线圈,它们现在被称为特斯拉线圈,特斯拉用这些线圈产生了巨大的电压。有了它们,他能够制造人造闪电。他在距离25英里(40公里)外的地方点亮了200个灯泡,并试验了通过空气或地球自身传送能量的方法。

一年后回到纽约,他说服银行家J.P.摩根(J.P.Morgan)支持他建立一个可以在全世界范围内进行无线通信的系统,这个系统可以将新闻、邮件甚至图片进行无线传输。特斯拉还在梦想着能传输电能。他在长岛建立了一个名为沃登克利夫(Wardenclyffe)的实验室。在那里,他建造了一座187英尺(57米)高的木塔,并将钢管打入数百英尺深的地下。随着费用的增加,摩根退出了这个项目。由于债台高筑,特斯拉被迫在1905年摧毁了这座塔并放弃了实验室。但在他的余生中,他始终坚信无线电力传输是可行的。

与此同时,特斯拉利用电磁波制造了一艘可以用无线电控制的船。他发现,在非常高的电压下,他自制的真空管会发出可以穿透固体的射线,他创造了他所谓的“阴影图”,因此成为第一批尝试研究X射线的人之一。随着时间的推移,特斯拉对高频电磁波的研究形成了从微波炉到阴极射线电视显像管等各种创新的基础。

特斯拉把他的发明天才带到了一个与爱迪生等同时代人不同的方向。他对高频电和无线电波这一未知领域的探索为许多追随他的发明家开辟了道路。

特斯拉所依赖的另一个重要原理是电共振的概念。导体(我们称之为天线)甚至可以从数百英里外接收电磁波。但要从不同频率的多个波中选择一个,接收器需要“调谐”,也就是说,它需要在这个频率下同电磁波发生共振。这和让小提琴弦与音叉共振的想法是一样的。特斯拉发明了一种调谐电路的方法,直到今天,我们仍然通过“调谐”接受广播或电视。

一向古怪的特斯拉现在被认为患有强迫症。随着年龄的增长,他的怪癖变得更加明显。他有一种对细菌的恐惧症,并且会拼命洗手。他只吃煮过的食物。他痴迷于数字三。他声称自己收到了来自外太空的信息。作为一个老人,他对鸽子情有独钟,他把鸽子偷偷带进了自己的酒店房间。

早在1891年,乔治·威斯汀豪斯的公司就濒临破产。为了帮助那个当年信任他的人,特斯拉同意放弃西屋公司在交流电专利上所欠的版税。这位发明家本可以靠这项赚数百万美金,但现在却一贫如洗。威斯汀豪斯于1914年去世,他从未对特斯拉的贡献做出过充分补偿。

然而特斯拉仍在继续他的发明。他一生中至少获得了275项专利。他留下了一长串的名单,其中许多是最终也没实现的:

在电离层被发现的几年前他就推测电离层的存在,电离层是地球大气层中的带电层。

特斯拉的想法并非都奏效。他的无线电力传输梦想从未被证明是可行的。他驳斥了爱因斯坦的工作,而他驳斥的内容将构成现代物理学的基础。在第一次世界大战期间和之后,特斯拉研究了一种“死亡光束”,但在科幻电影之外,它从未被实现。

“总有一天,”特斯拉在1915年预测,“比如说,全世界将建立六个巨大的无线电站,地球上的所有居民不仅通过声音,还可以通过画面,联系彼此。”