把握大地的脉搏
随着实验站的逐渐成形，特斯拉不只是领略到了科罗拉多斯普林斯的自然美景，更是领略到了其对于科研的优势。他后来写道：“我到那里没几天就开始庆幸自己做了一个多么棒的选择，并心怀感激充满希望地开始了我那已演练多时的工作……这得益于那里让人神清气爽的美好气候。在那些地区人的感官发生了明显的生理变化，变得异常敏锐。眼睛变得异常清澈，视力提高了；耳朵感觉清爽，对声音听得更清楚了。在那里［很远］距离的物体也能被清楚地分辨出来……七八百公里外［也能听到］雷鸣。”12
12 1904 Essay, 429.
6月底7月初，洛温斯坦和格雷格继续装配实验站，特斯拉也开始在这种干净清晰的环境中做观测。由于他的意图是让发射器通过大地向远距离的接收器发送电流，因此马上要做的事就是研究大地的电势及留意其如何变化。因为纽约的各种系统（电报的、电话的、照明的和交通运输的）产生了太多的电气干扰，因此特斯拉一直无法可靠地测量大地是否具有天然的电势或电荷。如果无法对大地充电，那么特斯拉将不得不用其放大发射器产生巨量电力以使大地产生电振动并远距离传输电力。在足球隐喻（第十一章讨论过）中，没有充电的大地就好比是只有少量气体或无气体的足球。然而，如果大地已经具有电势，那么特斯拉只需向其中注入少量电力就能把它传输出去；充电的大地相当于一个完全膨胀的足球。13
13 O'Neill, Prodigal Genius , 179.
为研究大地的电势，特斯拉装配了一个由粉末检波器和墨水记录器组成的仪器。粉末检波器由两终端之间充满松散铁屑的一个玻璃管构成；每当检测到高电压（比如说来自电火花或电磁波的），铁屑就会排列起来以在两个终端之间形成传导通路。由于铁屑在检测到信号后会继续保持排列而不是恢复到初始状态，所以有些实验者会用小锤把铁屑敲松；在特斯拉的设计中，他用了一个能使检波器定期旋转的发条装置。14
14 Aitken, Syntony and Spark , 103–106；
J. A. Fleming, The Principles of Electric Wave Telegraphy (London: Longmans, Green, 1906), 357–361; NT, Fessenden Interference, 66, 87–88. 特斯拉还把铁填充物换成了颗粒更大的镍屑。
为了提高检波器的灵敏度，特斯拉把它放在了变压器的次级电路中，而变压器的初级电路被连接到大地以及可调电容器的一个高架终端。这意味着大地电势的任何变化都会增加初级绕组中的电冲击，并进而在次级绕组和检波仪器中感应出电流。采用这种实验设置，特斯拉发现“大地中……确实充满着电振动，我也很快就深深地沉浸在这种有趣的研究当中”。15
15 1904 Essay, 429.
特斯拉很高兴发现了大地确实有电势，下一步要知道的是电流如何流经地壳。为确定这一点，特斯拉用接收器仔细地监视电振动，并很快注意到很远处雷暴中的闪电放电比附近雷暴中的闪电放电对其接收器的影响要强烈得多；而按照常理，越远处的闪电放电在接收器中产生的信号应该越弱。特斯拉回忆道：“这让我非常困惑。到底是什么原因？”16
16 Ibid. 在CSN, 68的1899年7月3日的条目中，特斯拉偶尔提到了驻波。
特斯拉很快就有了一个预感。有一天晚上他和洛温斯坦一起走回酒店时，他突然意识到，如果是闪电在地壳中形成了驻波，那么就会造成上述差异。两个波沿相反方向传播时，其相位叠加产生一个波幅静止的新的单一波，这就是驻波。17 驻波的一个简单的例子是当摇动另一端固定在墙上的绳索的一端时发生的情形。当绳索没有固定的一端振动时，就会有一个波沿绳索传到墙上；到达墙之后，波接着就会沿着绳索被反弹回来。如果把输入的振动调整到与绳索的共振频率一致，那么这两个波就会叠加起来产生一个波峰和波谷看起来都不动的单一波。就像机械振动能沿绳索传播，奥利弗·洛奇也在1887年证明了电磁振荡能沿导线或导体传播，在某个点被反射并形成驻波。18 在闪电放电的情形中，特斯拉猜测，闪电冲击在地壳中产生了一个电磁波，电磁波及其反射波叠加形成驻波。特斯拉在准备1893年富兰克林学会的演讲时，首次想到了大地中可能有电磁驻波，但当时他“放弃了这个荒谬和不可能的想法”。而现在在科罗拉多，特斯拉注意到：“我的本能被唤醒了，在某种程度上我觉得一个重大启示正在召唤我。”19
17 驻波的一个模拟，参见：http://www.walter-fendt.de/ph14e/stwaverefl.htm .
18 Dalton, The Story of Radio , 79–80; 关于在绳索上创建的驻波，参见：http://www1.union.edu/newmanj/Physics100/Light%20as%20a%20Wave/light_as_a_wave.htm .
19 1904 Essay, 429.
通过追踪1899年7月3日的一场大雷暴，特斯拉证实了他的直觉。那天晚上，一场猛烈的暴风雨爆发于西边的山上，经过科罗拉多斯普林斯，然后迅速移向了东边的平原。根据特斯拉的记录，暴风雨产生了一场“恢宏的闪电，两小时内发生了不少于10 000—12 000次放电。闪电几乎没有停过，就算是在夜里暴风雨减弱时，每分钟还能看到15—20次放电。有些放电异常灿烂，可以看到10或20多个分支”。
为测量这些闪电放电，特斯拉把旋转检波器连接到了大地和一个高架金属板。为放大通过大地传输的电效应，他在检波器和大地之间插入了一个电容器。而为了记录每一次闪电的放电量，他用了一个电报继电器，检波器会让电报继电器发声。他在笔记中记录道：“继电器并没有被调节得很敏感，不过当暴风雨还在80—100英里［约130—160公里］外时，继电器就开始响了。通过响声的速度可以判断距离。随着暴风雨越来越近，就不得不把检波器调节得越来越敏感，直到达到了弹簧弹力的极限。就算这样，还是能把每一次放电都检测到。”20
20 NT, CSN, 4 July 1899, 69.
当暴风雨经过头顶时，特斯拉迅速设置了另一个仪器。他把一个电门铃连接到大地和高架终端，因此每一次闪电放电时门铃都会响。这种设置类似于俄国物理学家亚历山大·波波夫（Alexander Popov）1895年用过的闪电探测器。21 特斯拉在这个仪器中加了一个小的火花隙，当闪电发生时，火花隙中就会跳过一个明亮的火花。为了对在大地和高架金属板之间通过电流的强度有个直观感受，特斯拉用手跨接火花隙去感受每一次闪电的冲击。
21 特斯拉在1893年芝加哥世博会上遇到过波波夫，此外他也可能读过波波夫1897年在《电气技师》中对探测器的描述。关于波波夫，参见：Fleming, Principles of Electric Wave Telegraphy , 362–63, 425 and James P. Rybak, “Alexander Popov: Russia's Radio Pioneer,” Popular Electronics , August 1982, available at http://136.73.ru/h_history/popov.htm . 关于他1895年的闪电探测器，参见：R. Victor Jones, “The Branly-Lodge ‘Coherer’ Detector: A Truly Crazy Device That Worked!” available at http://people.seas.harvard.edu/~jones/cscie129/nu_lectures/lecture6/coherers/coherer.html .
“但随着暴风雨的消退，”特斯拉记录道，“我得到了最有趣和最有价值的观测。”随着暴风雨向东移到平原地带，特斯拉又用回了旋转检波器和继电器。他在笔记中记录说：
仪器再次被调节得更加敏感，能很容易地响应看到或听到的每一次放电。仪器这样响应了一会儿，就停下来了。这可被解释为闪电现在离得太远，可能已在五十英里［约80公里］以外。突然之间仪器又开始响应起来，尽管暴风雨在快速地走远，仪器所检测到的强度却在持续增强。过了一会儿，仪器的指示又停止了，不过半个小时之后，仪器又开始记录了。当仪器再次停止时，就算把它调节到精准度非常高，仪器还是没有反应。不过大约半个小时之后，它又开始响应了，现在弹簧被继电器拉得很紧，但还能指示出有闪电放电。此时暴风雨早就移到了视野之外。再次把仪器的灵敏度调节得非常高，一段时间之后它又会周期性地指示有放电。现在暴风雨至少已在两百英里［约320公里］以外。后半夜差不多每半个小时仪器都会周期性地有响应和无响应，直到拂晓。22
22 NT, CSN, 4 July 1899, 69.
在解释为什么信号会每半小时周期性地发生和停止的问题上，特斯拉的结论是他观测到了电磁驻波。他推断，闪电冲击在地壳中产生了电磁波，电磁波及其反射波合成了驻波。特斯拉不确定波是在哪里被反射的。他注意到：“很难相信反射是发生在地球表面处于相对位置的另一个点，尽管这是有可能的。但我宁愿认为它们是从云中传导路径开始的点反射的；在这种情况下，闪电击中地面的点会是一个节点。”23 由于这个节点会随着暴风雨的持续移动而变化，而特斯拉的接收器固定在一个位置，因此接收器会随着驻波波峰通过接收器下方的大地而周期性地作出响应。24
23 Ibid., 70.
24 利兰·安德森认为特斯拉检测到的这些周期性的信号是科罗拉多斯普林斯西边山脉反射的结果；参见：Seifer, Wizard , 471.
后来人们发现，有可能在电离层与地表之间的、被称为舒曼谐振腔体的空间中形成电磁驻波，而不必在地壳中。通过采用极低频（ELF）波，美国海军发现驻波能渗透到海洋深处，从而能够与核潜艇保持无线联系。从19世纪90年代直到2004年，海军在威斯康星州蚌湖和密歇根州里帕布利克运作了两个能把ELF信号传送给潜艇的站点。为传输ELF信号，这些站点需要有长达约45公里的地下天线。25 海军的ELF项目表明，特斯拉可能确实检测到了雷暴产生的驻波。他的观测是基于实际存在的物理现象。
25 “Extremely Low Frequency Transmitter Site Clam Lake, Wisconsin,” U.S. Navy Fact File, 28 June 2001, available at http://www.fas.org/nuke/guide/usa/c3i/fs_clam_lake_elf2003.pdf ; Lucy Sheriff, “U.S. Navy Cuts ELF Radio Transmissions,” The Register , 30 September 2004, http://www.theregister.co.uk/2004/09/30/elf_us_navy/ .
特斯拉认为电磁驻波的发现“意义重大”，因为他现在不仅知道大地能被充电，还知道电磁波如何通过大地。在这个发现之前，特斯拉认为地球可能“就像是一个巨大的水库或海洋，尽管其局部能被某种振动干扰，但整体上或大部分是静止和无反应的”。在这种情况下，电磁波（例如闪电所产生的）会行进一段距离然后就逐渐消失，就像当一块石头掉进大海里，落点附近激起的水波最强，而随着一个个同心圆向外传播水波会慢慢消散。然而，驻波的存在告诉特斯拉，对于电磁波来说，大地并不像是个海洋。特斯拉解释说：“尽管看起来不可能，我们这个体积巨大的星球，其行为与尺寸有限的导体没什么两样。”他得出结论说，如果驻波能由闪电生成，那么“可以肯定的是，它也可以由振荡器来生成”。26 在科罗拉多斯普林斯的后续实验中，特斯拉努力产生类似于他在雷暴中所检测到的低频波。
26 NT, CSN, 4 July 1899, 70, Tesla's British patent No. 8200 of 1905, quoted in James Erskine-Murray, A Handbook of Wireless Telegraphy , 2nd ed. (New York: D. Van Nostrand, 1909), 278.
对于特斯拉来说，驻波的发现意味着他的系统比马可尼的设备能覆盖更为广大的范围。的确，马可尼横跨英吉利海峡发了一个消息，但现在特斯拉觉得他能在全球范围内传输消息和电力。特斯拉后来写道：“不只能做到向任意距离无线发送电报消息，而且还能做到把人类语音的微弱调制信号传遍全球，还有就是，把无限量的电力几乎无损耗地在地球上传输任意距离。”27
27 1904 Essay, 430.
雷暴不只让特斯拉发现了驻波，他在接下来的几个月里还继续追踪雷暴以确定他的发射器能把电能传送多远。他解释说：
我是通过与几乎每天发生的闪电放电比较来做这件事的。通过对比在一定远距离处闪电放电所传输的能量，我就能够断定我发射器的效应，然后再通过实验查明它所能传输的能量。我能追踪数百英里的距离，也能随时精准地讲出在全球任一点的电路能从我的发射器中取得几分之几瓦特的能量。通过实验探明的能量与通过计算确定的完全一致。28
28 NT, Fessenden Interference, 75.
特斯拉在这里运用了类比推理。他会观测雷暴的移动，确定它在多远处，并用他的仪器测量驻波的强度如何随距离变化。然后特斯拉就认为，如果雷暴能在如此这般的距离上传输这么多能量，那么用他的发射器在同样的距离上发送能量也应当没有问题。特斯拉写道：“我精力十足地投入到放大发射器的开发中，而现在看到了这些巨大的可能性，最初生产大功率发射器的意图就不那么重要了，更重要的目标是学习如何构建最好的发射器。”29 但在他开展这个任务之前，他的仪器检测到了另一套有趣的信号。
29 1904 Essay, 430.
