特斯拉传：现代的发明者

在人们懂得如何发电之前，电的特性已经被观察了几千年。公元前2750年的古埃及文献将带电的鱼描述为“尼罗河上的雷神”。泰勒斯（Thales）是一位才华横溢的希腊哲学家，大约2 600年前，他就对琥珀——一种黄褐色、半透明的树脂——在被摩挲后对干草叶的吸附力感到好奇。事实上，希腊语中表示“琥珀”的单词就与“电”相关。

威廉·吉尔伯特（William Gilbert）是伊丽莎白女王的一名御医，他探索了电和磁之间的联系。17世纪中叶，奥托·冯·格里克（Otto von Guericke）建造了第一台能够产生电的起电机。在同一时期，德国牧师埃瓦尔德·格奥尔格·冯·克莱斯特（Ewald Georg von Kleist）和荷兰科学家彼得·范·穆森布罗克（Pieter van Musschenbroek）独立开发了一种装置，并以穆森布罗克做实验所在城市的名字命名为“莱顿瓶”，可以在玻璃瓶内部将静电“储存”于箔层之间。除了作为科学家们的重要工具，这种原初的电池还让电成为某种杂耍里的奇景。让路易十五神魂颠倒的是，阿伯·让·安托万·诺莱（Abbe Jean Antoine Nollet）在巴黎的一座天主教修道院召集了700名修道士，说服他们手拉手围成一个大圈，排在第一位的那个人握住莱顿瓶的电触头。当排在最后的那个修道士接触另一个电触头时，他就完成了电的回路，让电荷流经所有人。700个修道士同时向空中跳起，国王和他的朝臣们高兴得倒抽了一口气。

1752年9月，本杰明·富兰克林在一场绵绵细雨之中放飞风筝，他把一把金属钥匙系在风筝绳子的末端，将雷电云层中的电荷从风筝一直传导到钥匙上。一年前，有位瑞典科学家因尝试类似的实验而丧生，当时雷电击中了他手中举过头顶的杆子。富兰克林就聪明多了，他站在门口，手里拿着一条干的缎带，而不是湿的绳子。

着了迷的公众只想要更多电火花和噼啪的放电声，但却几乎没有一个人会想到电还可以做任何有用的事情。甚至连富兰克林也“感到懊恼至极，我们至今仍无法利用这种方式为人类生产任何东西”。

事实上，莱顿瓶的起电量是有限的，而来自静电和闪电的间歇放电又是极难控制的。一个可靠的电源需要电子的快速稳定运动，而数不胜数的科学家和发明家耗费了数十年的时间来研究如何产生和控制这种运动。

例如，1821年，法拉第演示了磁体在一圈电线中旋转产生电流。剑桥大学的教授詹姆斯·克拉克·麦克斯韦尔用数学方法解决了这个问题，他证明了光是电磁辐射，或者说是在非常高的频率下振动的电。美国科学家、史密森学会第一秘书约瑟·亨利（Joseph Henry）在1829年制造了一种雏形电动机。1837年，佛蒙特州的铁匠托马斯·达文波特（Thomas Davenport）发明了一种由电池提供动力的机器，它能带动一台小型印刷机运转。海因里希·赫兹证明了电火花把电磁波传播到太空中，从而预示无线电和无线通信的潜力。

也许这种神秘的能量形式的首次实际应用是由英国化学家汉弗莱·戴维做出的，他在19世纪早期展示了一种电弧灯，由两根相隔只有一条细缝的碳棒组成。当戴维将电流导入其中一个电极，一条发光的电弧便跃过缝隙并提供照明。大约60年后，查尔斯·布鲁什安装的12盏户外电弧灯照亮了克利夫兰的市中心，但是这些电弧灯无法打进普通住户市场，其中部分原因是人必须远离危险的高电流，而且照度高达4 000烛光的电弧灯对于任何家庭来说都太亮了。特斯拉、爱迪生和许多其他发明家和企业家也都纷纷加入进来。

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要想感受一下电和特斯拉都带来了什么，那就从你一天生活的第一个小时开始吧。你被由电触发的闹钟叫醒，然后去冲个热水澡，而热水是电动水泵或电热水器提供的，接下来你或许还要使用电吹风或电动剃须刀。你喝的咖啡是一台电子咖啡机做的，而它也是预先定时的。你从存放在冰箱里的饮料纸罐里倒出橙汁，再把面包放进烤面包机里。你在智能手机或电脑上查看电子邮件，还可以通过收音机收听天气预报和新闻。你按下车钥匙上的按键来解锁你的汽车，你还可以坐在车里就遥控开启你家的车库门。特斯拉的发明不仅开启了我们全电气化的家居生活，还为无线电和远程控制铺平了道路。

麻省理工学院的工程学院对学生提出一项挑战，要他们想出“一天里要做或要接触的5件事物，这些事物必须与电毫不相干，既不是用电生产出来的，也与你身体内部使用电无关”。停了一会儿，教授宣布说：“很好，但是没门儿，你们根本就找不到的。”

虽然电在现代社会里无处不在，但其深远影响却是最近才出现的。仅在两三代人以前，农村居民还住在靠蜡烛和煤油灯照明、靠烧柴炉子取暖和烧开水的房子里。最早的冷却器通常是放在后门廊上的一个渗水的箱子里，里面压着50磅重的冰块。在一两代人以前，家家户户才开始享用电热水器加热的自来水。但洗好的衣服还得用手拧干，衣服也要挂在户外晾干。只是到20世纪60年代，挂在墙上的空调机才使得炎热的夏天变得好过些。与此同时，今天的青少年无法想象他们的父母是如何在没有电脑、电子游戏或手机的情况下捱过学校生活的。

如果生活中没有充足的电，那就只能辛苦地劳作。农村居民得砍木劈柴，堆放起来，再拿到家里去烧开水。生火和烧炉子简直就是一门手艺，而在夏天烧木柴会热得让人受不了。就连点亮一盏煤油灯也是要点儿本事的，灯芯太高了，灯就会冒黑烟，所以必须经常调整灯芯。大多数人在日落之后都宁肯家里黑灯瞎火。（大约有20亿人，其中大部分是非洲、拉丁美洲和亚洲的农村居民，仍然享受不到电，以及电所带来的能够节省体力的能量。）

当时的燃料也限制了城市的设计。就在100年前，成队的马匹或冒着黑烟的火车头还在牵引着绝无仅有的一些公共交通工具，使得人们没办法每天从郊区往返通勤。楼梯限制了建筑的高度，楼只能建造几层。工厂及其工人不得不在靠近水道的地方落脚，因为只有这里才能建造水轮机。发明家和投资者意识到，创造财富要靠照明和电力系统，只有它们才能彻底消除这些限制。

然而，要转向电力也并非水到渠成的事。爱迪生视天然气公司为他的“死敌”，他抱怨说：“他们密切地注视着我们的一举一动，稍有差池就会立即向我们凶猛地扑来。成功意味着在全世界范围内都采用我们的中央电站模式；失败则意味着损失金钱和名誉，我们的公司走下坡路。”

在整个18世纪和19世纪，随着灯芯、封闭容器和抛光反射器的不断改进，燃气照明系统也一路发展起来。1859年石油的发现引发了煤油照明的繁荣，从而取代了鲸油，以及从燃煤中提取的挥发性化合物，天然气工业的投资从1850年的650万美元飙升至1870年的7 200万美元。爱迪生非常了解燃气系统的缺点，例如，煤气灯都必须一盏盏地单独点亮和关掉；火焰会闪烁并释放少量的氨和硫；烟雾会把玻璃灯罩和房间内部熏黑；而当煤气灯吸耗房间里的氧气后，人们常常会感到不舒服。这位创新家坚持认为，电力显然才是更好的选择。

电力的发展改变了人们的日常生活。当人们只能从水龙头或屋外水井里取冷水而别无他途时，许多人便把衣服送到商业洗衣店去洗，并到公共浴室完成个人清洁。据历史学家戴维·奈（David Nye）说，随着电热水器和电动水泵的出现，“人们洗澡的频率越来越高，在家洗衣服需要动手的地方越来越少，洗碗也越来越容易”。甚至连公认的清洁标准也发生了变化：“人们换衣服更勤了，一周洗一次澡或洗一次衣服已经不够了。整座房子也可以每周用吸尘器清扫一次，而不再是每年把地毯拖到外面去拍打几次。”

19世纪和20世纪之交，电学术语和并串联的概念甚至渗入了人们的日常用语。正如奈所解释的那样，一场音乐表演能让人“来电”，并给听众“充电”。聪明的人通常总能把事情“并联”起来，却很少“把事情弄得‘串线短路’”。一位高效的组织者被“接入”了一个“网络”。

不断发展的电气化也改变了家庭的定位。当家家户户都靠自己砍柴或从商店购买煤油生活时，他们之间是相对独立的。然而，历史学家托马斯·施莱雷恩认为，电缆网络的不断扩张“需要政府和企业做出政治和经济的决策”，这些决策通过行政区划条例、消防法规和建筑物编码而获得额外的权威。

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电流产生于电子在原子间的神秘运动，而电子是构成物质的基本材料。正如我们在基础科学课上学到的，电子是绕原子核运动的带负电荷的粒子。电的基本特征是受激电子在其轨道上以极微小的距离相互移动，但电流的速度却接近光速，达到惊人的每秒18.6万英里。电子不通过空心电力线；相反，这些固体（通常是铜的）导线使受激电子能够撞击与之比邻的其他原子，从而产生一种力。

就好像将十几个台球排成一条直线，而且每个球都与另一个球触碰。当你在这一端击球，另一端的球也几乎会立即移动。但是，在这种情况下，其他球就类似于跳动的电子，只是移动了一点儿，而且经常是来回移动，但是它们所带来的涟漪效应，就拿电流或电磁力来说，就犹如闪电般迅速。

另外，还可以将其与潮汐波进行比较。潮汐波本质上是一种振动，它在海洋中移动了大量的能量，却并没有移动大量实际的海水。正如科学历史学家克里斯托弗·库珀（Christopher Cooper）所解释的那样：“电子本身并不需要从一处转到另一处的运动来产生电流。相反，我们所观察到的电荷流是一种能量脉冲，它就像某种振动一样穿过电子（及其他带电粒子）的集群，从一个电子传导到另一个电子。”

与别的燃料或能源形态不同，电是看不见的。我们只能观察它所产生的作用。

我们懂得如何利用电还不到150年。事实上，如果要工程师们举出20世纪最伟大的成就，他们一定会跳过汽车、内燃机、飞机和计算机芯片，而直接把票投给发配电系统。

我们大多数人对发电和用电都有共同的初步了解。发电厂通过燃烧煤炭或采集风能发电，然后所发的电通过挂在电线杆上的电线传送到家家户户。我们通过轻按开关或将电线插入墙上的插座来取用电流。我们也熟悉一些工程方面的术语。例如，电压可以用伏特（本质上是电流通过电线的压力）作为单位来测量，家庭用电为120伏，汽车电池为12伏，手电筒电池为1.5伏。用电量可以用瓦特（本质上是耗电的速度）为单位衡量，白炽灯为60或100瓦，微波炉和吹风机为1 000或1 200瓦。

我们对其他一些术语则不太熟悉。特斯拉曾在实验中不断增加的“电频”，指的就是交流电振荡的速率。“电阻”以欧姆为单位，用来测量物体——尤其是电线——消耗所流经电流的程度。“安培”，或简称“安”，表示电流的强度，或单位时间内传递的电荷量。典型的白炽灯泡耗用1安培的电流，而吹风机使用大约12安培。“焦耳”，其定义略微复杂一些，是“1安培的电流在1秒内通过1欧姆的电阻所耗散的热能”。

“马力”是苏格兰工程师詹姆斯·瓦特（James Watt）在19世纪初发明的一个术语，用来比较蒸汽机的输出功率与驮马的功率；它测量的是做功的速率。“千瓦时”等于10个100瓦的灯泡1小时所消耗的电量。最后，那些使电流容易流动的材料，如铜线，被称为“导体”，而那些使电流不易流动的材料，如棉花，被称为“绝缘体”。

基本的电学公式是P = I × V。正如你可能猜到的，“P”测量的是功率，或者电流所做的功，用瓦特来表示。“I”指的是电流，尽管它源于法语intensite de courrant（电流强度），并以安培或安来衡量。“V”代表电压，你可能也能猜到，它是用伏特来测量的。这个公式本质上意味着功率（瓦特）等于电流（安培）乘以电压（伏特）。举例来说，一个灯泡连接10伏的电源，做了1瓦特的功，并且有十分之一安培的电流经过灯泡，那么用这个公式就表示为：P = 0.1I × 10V = 1W。换句话说，你家里一个100瓦的灯泡在电压为10伏时需要耗用10安的电量。

事实上，就连物理学家也不能完全理解电荷的基本性质。在较高的水平上，发电背后的工程通常都开始于旋转，也即用燃烧燃料、利用水流或吹风的方法来带动涡轮机工作。然后，这些机械能使磁铁内部（或者说经过线圈的磁铁）的铜线圈旋转，迫使导线上的电子从一个铜原子跳到另一个铜原子，从而产生电荷。

电的对称似乎很神奇。绕着铁芯缠上一根铜丝，然后在一个大磁铁的两极之间将它旋转，就能产生电。若把这个过程反过来，让电流通过这根铁芯，就能产生机械旋转。一位小说家把这种平衡描述为：“电动机其实就是发电机的逆过程。”

这些电动机现在为我们的计算机、空调、电梯、地铁，以及现代经济的几乎所有领域提供动力。如前所述，特斯拉曾这样描述发电：“我们把一个简单的环或一块铁绕成线圈。我们建立与发电机的连接，于是我们惊奇而喜悦地看到，我们让神奇的力量发挥出异样的效果，使得我们能够随心所欲地转换、传输和引导能量。”

来自这种发电机的电能被称为交流电（AC），因为它的流动方向像波（具体地说，是正弦曲线）一样变换。想象一个水轮上的点，沿着直线映射它的方向变化会得到相同的波（一半时间里，轮子上的点向上移动，另一半时间则向下移动）。按照美国的标准每秒60次，按欧洲标准每秒50次。交流发电机的一大优点是，它可以很容易地用变压器调整电压，使发电公司能够有效地远距离输送高压电力，既节省资金，又能满足使用大型电动机和大型机器的需求。还有一种变压器，通常为银灰色的圆柱形盒子，它被安装在街道或后巷的一些配电杆上，可以将电压调低到你家灯泡和大多数电器都可以安全使用的程度。

1. Carl Van Doren, Benjamin Franklin (New York: Viking Press, 1938).
2. http://engineering.mit.edu/ask/what%E2%80%99s-difference-between- ac-and-dc.
3. Silverberg, Light for the World.
4. David E. Nye, Electrifying America (Cambridge, MA: The MIT Press, 2001).
5. Ibid.
6. Thomas J. Schlereth, Victorian America: Transformations in Everyday Life (New York: Harper Collins Publishers, 1991).
7. Christopher Cooper, The Truth About Tesla (New York: Race Point Publisher, 2005).
8. https://en.wikipedia.org/wiki/Joule.
9. Moore, The Last Days of Night.
10. Nikola Tesla, London Speech, 1892.