从无线照明到谐振电力
为了应对投资者对无线照明系统和振荡器的杳无兴趣，特斯拉开始反思可以用高频交流电做些什么。他决定不是专注于开发某个特定方面，而是扩大努力的范围：他将把视野从照亮几个房间，转向雄心勃勃地照亮整个地球。
尽管参观者对其用磷光灯和振荡变压器所做的不可思议的演示震惊不已，特斯拉现在开始认为这个设备并不代表未来的方向。这里的幻象（种种特效）干扰了人们去完全理解特斯拉头脑中正在演化的理念。特斯拉解释说：“他们无法理解能量的这些表现形式，并认为这已经就是真正的电力传输。我告诉他们，这些现象是美妙的，但基于同样原理的传输系统是绝对毫无价值的。这是电磁波的传输。而真正的解决方案在另一个不同的方向。”40
40 NT, Radio Testimony, 56.
各种实际问题促使特斯拉拒绝了用电磁波通过以太或大气传输电力的想法。在实验室建造谐振设备的过程中，把发射器和接收器调节到绝对同样频率的挑战令他大受挫折。马丁注意到：“建立‘谐振’关系之不易以及谐振被打破之容易，使得这当中经常遇到的重重困难想想都让人头疼……这种调谐是通过改变两个部件中的一个来巧妙达成的，这两个部件，即所谓的［发射与接收电路中的］‘电容’和‘自感’，主要是用来控制振动的速度……在非常精准的调节中，微小的变化将会彻底打破平衡，而像在感应线圈中提供自感的一段细导线，也会成为打破魔咒的最后一根稻草。”尽管特斯拉“可以拿起导线，绕成线圈，不用测试就能说出其振动将会是怎样的”，但把两个电路调整到同一频率的困难还是向特斯拉暗示，把这个实验室演示设备转化为可靠的商业系统将会是不容易的。41
41 TCM, “Tesla's Oscillator,” A28; NT, Radio Testimony, 56.
但从理论的角度，特斯拉也开始怀疑让电磁波通过以太或大气的价值。在这里他更加仔细地观察了将发射器接到天线和大地的实验（参见第十章）。在他的脑海中，当振动能量流经发射器时有两件事会发生：电磁波从天线辐射出去，而电流流进大地。麦克斯韦主张，这种新的电磁波与光波是一回事，因此，就像光一样，这些波也是沿直线传播。但这也意味着波从所有方向进入太空而偏离了接收器。特斯拉评论说：“以射线形式出去的能量是……不可收复的，并无可奈何地丢失了。你可以操作一个小的［接收］仪器去捕获其中的十亿分之一，不过除了这一点点之外，所有能量都进入太空永不返回。”42 因为如此多的能量被电磁波浪费了，对特斯拉来说研究电磁波意义不大。（当时特斯拉不知道电磁波在地球大气中的传播会经由电离层中被称为肯涅利–亥维赛层的带电粒子层反弹。这一层在1902年被预测存在，并在1924年被探测到。）
42 NT, Radio Testimony, 140.
特斯拉决定不去关心电磁波，而是专注于发射机所产生的接地电流。毕竟，特斯拉1892年在塞尔维亚遭遇雷暴期间的瞬间洞见是尝试利用大地中的电力。特斯拉想，何不让发射器通过大地向接收器发送电流，并利用大气中的电磁波作为回路呢（图11.6）？以这种方式利用接地电流，特斯拉相信能从发射器向接收器发送更多能量。
图(a)描述了多数早期研究者（例如马可尼）认为的无线通信工作方式。他们认为发射器产生电磁波，并通过空中发送到接收器。由于接收器和发射器都接地，回路电流会从接收器返回发射器，因此电路是完整的。图(b)展示了特斯拉的设想，在其中发射器通过地壳把振荡电流发送到接收器，然后电磁波通过大气从接收器传回发射器，使电路完整。我们在第十二章将会看到，特斯拉后来决定，通过假设电流能经由上层大气传导来完成接收器与发射器之间的电路。
在做出这一决定的过程中，我们看到特斯拉的思维与众不同，因为其他早期的无线先锋（赫兹、洛奇和马可尼）都专注于在空中传送电磁波。这些先锋们偶尔也会把他们的设备接地，不过他们没怎么想过要用接地电流做点什么。43 正如特斯拉通过颠覆常规做法发明了革命性的交流电动机，现在在无线电力上他看来也是想要通过反转电磁波和接地电流在高频设备中所扮演的角色而获得成功。就像在交流电动机中，他决定让转子而不是定子中的磁场发生变化一样，现在他决定应当用接地电流传输能量，而电磁波只是充当为完成电路所需的回路。
43 事实上，洛奇基本上反对把设备接地，因为那会对他试图达成谐振或调谐造成干扰。而马可尼尽管在1896年之后把设备接地，但他更关注的是通过构建更大的天线和提高发射机的功率来远距离传输电磁波。参见：Aitken, Syntony and Spark , 193–197.
当然，在许多现代无线应用中（例如FM或与飞机通信），发射和接收电路无须接地。特斯拉坚持通过大地和大气回路构成一个完整的电路，这透露出他的想法更多是基于19世纪在电力和电报工程方面的实践（它们强调完整电路），而不是基于那时麦克斯韦学派（参见第六章）正在发展而在今天广被接受的电磁理论。与众不同的思考有利也有弊。
特斯拉已经决定最大化接地电流而最小化从设备中辐射出的电磁波，现在他调整了电路中的基本部件、电容器的电容以及线圈所产生的电感。为得到大的接地电流和使电磁波中的能量最少，特斯拉发现最好是在发射电路中采用一个很大的电感和一个很小的电容。44
44 NT, Radio Testimony, 72–73; NT, “Coil for Electro-Magnets,” U.S. Patent 512,340 (filed 7 July 1893, granted 9 January 1894).
在最初的接地电流实验中，特斯拉用了一个高的锥形线圈，该线圈由来自交流发电机和电容器组的高频电流供电。线圈的一端接地，而另一端悬空。当电源打开时，不可思议的“紫色电光流从大地中涌出，并喷洒向周围的空中”（图11.7）。45
45 NT, Radio Testimony, 73–74; TCM, “Tesla's Oscillator,” A32.
图片来源：TCM, “Tesla's Oscillator and Other Inventions,” The Century Magazine 49:916–933 (April 1895), Fig. 15.
但到底是什么导致了电光流的涌出？在特斯拉看来，显然是因为他打开了大地中的电能量。如果是这种情况，那么与其只是把电流从地球表面上的一个点发送到另一个点，使用谐振传输电力岂非更好？特斯拉认为，把与地球谐振频率同频的电振荡注入到大地中，就有可能向整个地球广播能量。据马丁说，特斯拉用一个生动的隐喻解释了这个宏伟蓝图：“特斯拉用这个线圈所做的，其实就好比是用打气筒把空气泵进一个弹性足球。每打一下气，球就会涨大和回缩。但显然这样一个充满空气的球，当突然涨大和回缩时，会以其自身的速度振动。现在如果每次打气的时间间隔与球的每一次振动协调一致，就能得到强烈的振动或冲击。”46 在这里特斯拉实现了他在雷暴期间所获得的“敏感触发器”的想法：妥善运用的话，一个小的力就能被用来撬动大地中的巨大力量。特斯拉相信，他不必向大地中注入大量电能，只需用频率正确的少量电能充当触发器，而谐振会完成剩下的事。整个地球就会像隐喻中的足球那样振动，特斯拉很有信心能跨越距离向全世界发送电力和信息。
46 TCM, “Tesla's Oscillator,” A32.
对特斯拉来说，从线圈中看到紫色电光流是一个庄严的时刻，其中包含着看到改变人类存在境遇的机会所带来的心智上的满足。马丁写道：
你可以想象一下研究者［也就是特斯拉］探索到这种独特现象时所感受到的快乐。在事先预见到结果再加上两三年不辞辛劳的耐心探索之后，他终于获得了报偿，得以目睹导线末端喷涌出炽烈光流和闪电般放电的壮观景象，并听到气井般的嘶吼。除了其深层的科学意义及其场景的奇妙魅力，这些效果也为提升人类福利的许多新实现指明了方向。电力与信息的传输只是一个开始，气候条件的改变也许是下一件要做的事。也许有一天我们还会通过利用两颗行星中的电荷，以这种方式产生信号来“呼叫”火星。47
47 Ibid.
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