歷史 物理

電磁英雄列傳之十一:特斯拉

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撰文者:高崇文 教授 (中原大學物理系)
發文日期:2017-03-02
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  • 電磁學發展了一世紀之後,終於要從實驗室走入一般民眾的生活之中。稱二十世紀是"電力的世紀"應該不為過吧。這都要歸功於一群活躍在世紀初的鬼才,他們既是工程師,也是發明家,電力的世紀就是由他們打造出來的。而在這群鬼才之中,個性最為鮮明,最愛出風頭,人生也最富傳奇性的莫過於特斯拉。就讓阿文好好地細數他一生的傳奇吧。

     尼古拉·特斯拉(英語:Nikola Tesla,塞爾維亞語:Никола Тесла)1856年出生於Smiljan (現屬於克羅埃西亞的Gospić市)的一個村莊,父母都是塞爾維亞裔。其出生地當時屬於奧地利帝國。父親Milutin 是東正教的神父。母親Djuka則是一位塞爾維亞裔的東正教神父的女兒,她非常擅長於製作家庭手工工具,還能背誦許多塞爾維亞的史詩,但不識字。尼古拉自認自己的發明天賦是遺傳自母親。東正教的神父是可以結婚的。事實上基督教的神職人員在古代是允許結婚的。只有羅馬天主教會在十二世紀的第一次Lateran 大公會議後才嚴格要求教士獨身。尼古拉有一個哥哥Dane,他在尼古拉五歲時死於騎馬意外,他還有三個姊妹。1862年時他的家庭移居到Gospić, 因為他父親被派到這個教區。1870年他到Karlovac上中學,學校上課用的是德文。原本他父親要尼古拉成為東正教神職人員,但是尼古拉染上霍亂,差點死掉,在病榻旁他父親無奈下答應他,假如他痊癒了,就讓他去讀工程學校。幸運的是他後來病好了,隔年他被徵召入伍。退伍後1875年他進了奧地利的Graz科技大學開始攻讀電機工程。

    一開始尼古拉表現地非常出色,不幸的是在第二年時他跟老師發生爭吵,失去了獎學金,更慘的是他還迷上了賭博。1878年,他索性離開Graz跑到斯洛維尼亞的Maribor,在這期間他患上了神經衰弱。他的父親跑來Maribor勸他回家。他斷然拒絕了。隔年他因為被發現沒有Maribor的居住許可證被警察押回家去。回到家後不到一個月他父親就過世了。1880年在兩位長輩資助下他到布拉格去,但是因為他到的太晚,而且他從沒學過希臘文,也沒學過捷克文,無法進入聞名的Charles-Ferdinand 大學就讀,只能旁聽。1881年他跑去布達佩斯,在電報公司工作。在這裏他的神經衰弱又發作了,差點喪命。1882年他跑去法國巴黎,在新開張的歐陸愛迪生公司做一名工程師。後來他被公司派去Strasbourg修護德鐵的直流電照明系統。當時Strasbourg屬於德意志帝國,因為普法戰爭後法國將它割讓給德國。 但是他愛流浪的天性讓他無法安定下來。1884年,特斯拉踏上了新大陸,來到了紐約,愛迪生雇用了特斯拉,安排他在愛迪生公司工作。特斯拉負責愛迪生公司直流電機的重新設計。但是沒多久特斯拉就悻悻然離開了。發生什麼事呢?

    據特斯拉自己的說法:「如果我完成馬達和發電機的改進工作,愛迪生將提供給他驚人的5萬美元(相當於今天的一百萬美元)」。特斯拉說他的工作持續了將近一年,幾乎將整個發電機整個改頭換面,公司從中獲得巨大的利潤。當特斯拉向愛迪生索取5萬美元時,愛迪生回答他:「特斯拉,你不懂我們美國人的幽默」。愛迪生這邊的說法則是當特斯拉要求加薪至每周25美元遭到拒絕後辭職。其實特斯拉與愛迪生註定是要翻臉的,為什麼呢? 因為特斯拉鍾情於交流電的運用,跟愛迪生的立場是格格不入的。說到底都是「電流戰爭」惹的禍。
     
    電流戰爭是19世紀80年代後期,愛迪生推廣的直流輸電系統,與西屋公司的老闆George · Westinghouse以及幾家歐洲公司所倡導的交流輸電系統之間的一場商業大戰。「電流戰爭」涉及到很多美國和歐洲公司,這些公司都在電力分配系統中有巨額投資,他們都希望自己的電力分配系統能取得更大的市場份額。對於當時的主要使用電力的設施如白熾燈和電動機來說,直流電工作的很好。直流電可以直接連接到蓄電池上,當發電機停電時還能作為備用電源。直流發電機還可以輕鬆地並聯,當電能需求變小時,可以關掉一些發電機來節約能源。愛迪生還發明了一種電度錶,讓用戶可以根據消耗電能的多少來付費,但是這種電度錶只能在直流電下工作。最重要的是當時還沒有能夠實用的交流電動機。所以一開始愛迪生的直流輸電系統可以說是佔盡優勢。

    在北美推廣交流電的人主要是西屋公司的老闆George · Westinghouse,他僱了William Stanley, Jr.來研發新型的升壓和降壓變壓器在交流電輸電系統中來使用。Stanley離開西屋公司後,Oliver B. Shallenberger接管了交流電項目。當年的開式核心雙極變壓器的效率非常低。早期的交流電系統使用串聯的電流分配系統,使得關掉或斷開線路上的單一負載會造成迴路中其他設備電壓的變化。直流輸電系統沒有這些缺點。兩者之間卻開始產生意料不到的消長!1884年秋天,匈牙利的「Z.B.D」團隊(Károly Zipernowsky,Ottó Bláthy和Miksa Déri)在Ganz Works發明了一種效率很高的閉式變壓器。Z.B.D 發明的新變壓器比Lucien Gaulard和John Dixon Gibbs發明的單相開式變壓器的效率提高了3.4倍。今天我們使用的變壓器與當年三位發明家所發明的變壓器的基本原理是一樣的。他們的專利還包括一個很大的革新:在輸電系統中使用並聯代替串聯。特斯拉就在這節骨結跳上這場"電流戰爭"的舞台上。

    離開愛迪生的公司後特斯拉在1886創建了自己的公司,Tesla Electric Light & Manufacturing。但沒多久投資商不同意特斯拉關於交流電發電機的計劃,就炒了他魷魚。在1886到1887期間,特斯拉在紐約只能打零工維持生計。幸虧後來他找到兩個金主,Alfred S. Brown, 與Charles Peck,讓他又回到工程界。1887,他組裝了最早的無電刷交流電感應馬達,並在1888年為美國電氣電子工程師學會作了演示。同年,他發展特斯拉線圈,並且開始為George·Westinghouse工作。1888年7月,Westinghouse得到了特斯拉的多相交流感應電機和變壓器專利許可,並聘請特斯拉作為顧問在西屋公司的匹茲堡實驗室工作一年。Westinghouse還另外購買了Lucien Gaulard和John Dixon Gibbs的交流變壓器專利。同時特斯拉取得了異步電動機在美國的專利,(雖然它是義大利物理學家和電氣工程師Galileo Ferraris所發明的,但Ferraris相信他所提出的旋轉磁場理論以及他所開發的新產品在科學上的價值遠遠超過物質上的價值,因此他有意不為自己的發明申請專利,而是在實驗室向公眾演示這些最新成果。) 解決了機器不能使用交流電的問題。這時愛迪生慌了,為了打擊對手發明的交流電系統,愛迪生用交流電電死狗,讓大眾對於交流電產生危險的印象,最後愛迪生甚至參與使用交流電的電椅的研發。一時讓社會大眾對西屋推動的交流電印象大壞。愛迪生真是個狠角色!

    雖然愛迪生極盡所能的打壓,但事實證明,交流電才是適合社會所需的供電系統,因為直流電在長途傳輸下會不斷的損失,所以每隔一段的距離就要增設發電站,而交流電則可以通過變壓器升到非常高的電壓,用細導線輸送,再於目的地降低電壓給電力用戶。1889年匈牙利工程師Ottó Bláthy 發明了交流電的電表,解決了決定用電度數的問題。而愛迪生在1889年離開自己的公司後,愛迪生公司也開始發展交流電。1893年的世界博覽會(即芝加哥哥倫布紀念博覽會),這個世界性的博覽會第一次為電子展品開設展區。特斯拉與George.Westinghouse用交流電照亮了整個博覽會並藉此向參觀者介紹交流電。電流戰爭終於以交流電大勝落幕。

    電流戰爭到一段落後,特斯拉從1890年起又迷上了無線輸送電力以及無線電通訊的想法。1891年特斯拉拿到了美國國籍。同年在紐約第五大道建立了自己的實驗室1892年起特斯拉在倫敦巴黎等地演講,推廣他的想法,當他在巴黎時,特斯拉因得知母親病危而急匆匆地離開巴黎,剛到達Gospić不久後的幾個小時母親就死了,當時是1892年4月。她臨終前的最後一句話是:「你終於來了,尼古拉,我的驕傲。」當她死後,特斯拉就病倒了。他在Gospić休養了兩三個星期。痊癒後他在科羅埃西亞的首府Zagreb 演講,繼續推廣他的交流電的構想。他甚至還受邀到塞爾維亞王國的首都Belgrade,造成轟動,他還從塞爾維亞國王Aleksandar Obrenović手上拿到聖Sava 勳章呢。這個中輟生可以說是光宗耀祖了。兩年後他還被選為塞爾維亞皇家學術院的通訊會員呢!只是當特斯拉在1903年得知頒勳章的年輕國王與王后一起被禁衛軍謀殺時,不知心中作何感想?

    1895年三月,特斯拉的實驗室在一場火災中付之一炬。他在該年年底在格林威治村附近重建了一個新的實驗室。當特斯拉41歲時,他申請了第一個無線電專利。一年後,他向美軍演示了用無線電遙控船隻1898年,他在麥迪遜廣場花園的一次電學博覽會上向公眾演示了無線電遙控船隻。特斯拉稱那船隻叫teleautomaton。引起一陣轟動,眾人紛紛猜測是不是裡頭暗藏什麼機關。特斯拉甚至嘗試把無線電遙控的魚雷的構想賣給美國軍方,可惜沒有成功。

    1899年,特斯拉搬到科羅拉多州的科羅拉泉(Colorado Spring),並開始在那兒進行高頻高壓實驗的研究。到達後不久他向記者說,他正在做將訊號從派克斯峰送到巴黎的無線傳輸實驗。他在自己的實驗與發現的基礎之上通過計算得出地球的共振頻率接近8赫茲。20世紀50年代,研究人員才證實電離層的空腔諧振頻率在此範圍之內,它後來被稱之為舒曼共振,這是因為1954年德國物理學家舒曼Winfried Otto Schumann認為距離地面約一百英哩的天空有一層環電離層(Ionosphere),它會隨著日光強弱發生變化,與地球表面剛好形成一個類似空腔諧振器(Cavity resonator)的空間。

     
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    (圖:Nikola Tesla's laboratory in Colorado Springs circa 1900, Wikimedia Commom)

    特斯拉於1900年1月7日離開了科羅拉多泉市(colorado spring)。實驗室被拆除,裡面的東西也都被賣掉來抵債。接著特斯拉拿著15萬美元,其中51%來自於約翰·皮爾蓬·摩根,他開始計畫建造Wardenclyffe Tower。最終完成了一座高187英尺鐵塔,鐵塔頂部有一個直徑為68英尺的半球型圓頂,可是在1901年12月12日,馬可尼完成了跨大西洋的無線電傳送實驗,由於馬可尼趕在特斯拉之前成功完成了實驗,摩根停止了對特斯拉實驗的資助。1902的七月,特斯拉的研究從休士頓街移到了Wardenclyffe塔。1903年,特斯拉陷入了財政危機。火上加油的是1904年,美國專利及商標局撤銷了原本的判決,給了馬可尼無線電的專利權。馬可尼還在1909年拿到了諾貝爾物理獎呢!然而不管特斯拉多麼惱火,馬可尼由於在無線電方面的商業成就而舉世矚目,而且精明地使他的馬可尼世界無線電公司一直處於無線電發展的商業領先地位。
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    [古列爾莫・馬可尼的諾貝爾獎官方照片。]

    雖然特斯拉是個科學天才,但是他對於財務法律顯然是不太行,所以他吃了不少虧。1912年,特斯拉被判罰2.35萬美元,用來償還他的債務,同時實驗工地的設備被法院沒收充當抵押,Wardenclyffe塔後來也在1917年被拆除。晚年他變得深居簡出,獨居在紐約市的一個旅館裡,偶爾才會向新聞界發表一些不同尋常的聲明。因舉止怪異,特斯拉被普遍認為是「瘋狂科學家」的原型。1943年1月7日特斯拉在紐約酒店死於心臟衰竭。他的葬禮於1月12日在紐約曼哈頓的聖約翰座堂舉行。諷刺的是1943年6月21日,就在特斯拉去世後不久,美國最高法院推翻了承認馬可尼發明權的原判而裁定:尼古拉.特斯拉提出的基本無線電專利早於其他競爭者,無線電專利發明人是尼古拉.特斯拉。

    有趣的是,特斯拉死後卻成了塞爾維亞的國民英雄,雖然他生前根本沒當過塞爾維亞的國民! 他的骨灰於1957年被安葬於塞爾維亞Belgrade的尼古拉特斯拉博物館。在塞爾維亞首都有一座國際機場以他的名字命名。塞爾維亞紙幣上至今有他的頭像。 不過我想特斯拉大概最得意的是國際單位制中的,用來衡量磁感應強度(也作磁通量密度)的單位,是以他的名字命名,符號T(由國際度量衡大會在1960年確立)。

    尼古拉·特斯拉曾於許多不同的大眾文化中出現,例如書、電影、廣播、電視、音樂、劇院演出、漫畫以及電子遊戲。由於社會大眾對於他缺乏了解,加上他生前語不驚人死不休的作風,讓他成了一個很適合戲劇性的小說的悲劇角色。其實他是一個平凡的血肉之軀,讓他成為電磁英雄的是他充沛的創造力與對電磁現象無止境的癡迷。其他的只是好事者的穿鑿附會罷了。

    下一回我們要回到學者的世界,電磁英雄列傳也即將進入尾聲,阿文就賣個關子,咱們下回見囉!

    參考資料:
    (1)中文 英文 維基相關條目
    (2)Electrodynamics from Ampère to Einstein by Olivier Darrigol
    (3)https://micro.magnet.fsu.edu/optics/timeline/people/hertz.html
    (4)https://teslauniverse.com/nikola-tesla
    (5)http://www.biography.com/people/nikola-tesla-9504443

    還可以閱讀:
    1909年諾貝爾物理獎:馬可尼和布勞恩
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