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《科學美國人》雜誌創刊 │ 科學史上的今天:08/28

張瑞棋_96
・2015/08/28 ・823字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 592 ・九年級

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

1909 年 1 月 14 號發行的科學美國人 Automotive Number 封面,封面概念為左下紅字標題「競速(Speed Rivals)」。 圖/Wyoming_Jackrabbit License Source

1845 年的今天,《科學美國人》(Scientific American)雜誌創刊。是的,你沒看錯,這本影響深遠的科學雜誌已經 170 歲了!它比時代雜誌、紐約時報都還更早創刊,事實上,它是美國現存歷史最悠久的刊物。

《科學美國人》原本是只有四頁的報紙,每週出刊一次,訂閱一年份要美金兩塊錢。創辦人波特(Rufus M. Porter)的正職是壁畫畫家,也是個業餘發明家,發明了洗衣機、脫穀機、製繩機、……等各種可以節省勞力的動力機械。或許是因為這樣的背景,《科學美國人》剛開始的內容以介紹新發明為主,尤其是正在美國專利局審查的發明。不過,十個月後波特就將雜誌賣給別人了,直到 1948 年才又轉手易主,目前則是納入英國麥克米蘭(Macmillan Publishers)旗下的「自然出版集團」。

《科學美國人》向來就無意成為像《自然》那種學術性的科學期刊,而是要以淺顯易懂的方式向一般大眾介紹最新發明與科學新知。它也的確贏得許多發明家的認同,例如貝爾與愛迪生就都不吝於提供他們所發明的電話與燈泡的圖解給《科學美國人》;愛迪生還親自向編輯們演示留聲機的工作原理。萊特兄弟也在試飛飛機期間就邀請《科學美國人》的編輯前來拍攝記錄,拍下許多珍貴的歷史時刻。還有無數的科學家都樂意為《科學美國人》撰稿,其中還包括一百多位諾貝爾獎得獎者,例如愛因斯坦、薛丁格、波耳、克里克、……等等。

一百多年來《科學美國人》歷久不衰,目前還以十八種語言在世界各地發行(國內即是由遠流發行的《科學人》雜誌),始終是最有影響力的科學傳播雜誌。我們在此說聲:生日快樂!也祝它繼續以最長壽的紀錄保持者啟迪一代又一代的年輕心靈。

 

本文同時收錄於《科學史上的今天:歷史的瞬間,改變世界的起點》,由究竟出版社出版。

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張瑞棋_96
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1987年清華大學工業工程系畢業,1992年取得美國西北大學工業工程碩士。浮沉科技業近二十載後,退休賦閒在家,當了中年大叔才開始寫作,成為泛科學專欄作者。著有《科學史上的今天》一書;個人臉書粉絲頁《科學棋談》。

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唱片之父:貝利納與他的唱盤留聲機——《資訊大歷史》
azothbooks_96
・2022/07/02 ・3145字 ・閱讀時間約 6 分鐘

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

埃米爾.貝利納

埃米爾.貝利納(Emil Berliner),1851 年 5 月 20 日至 1929 年 8 月 3 日。

如果你是一位古典音樂發燒友,那麼一定聽過德意志唱片公司的鼎鼎大名。這家公司成立於 1898 年,是世界上最早的古典音樂廠商,它的創始人正是唱盤留聲機的發明者——埃米爾.貝利納。貝利納是出色的發明家兼企業家,是當之無愧的「唱片之父」。到目前為止,世界最知名的幾大唱片商標幾乎都與他有關聯。

愛迪生是個具有商業頭腦的發明家,他很在意一項發明的商業前景,因此根本不會花精力去推廣那個音質不太好、用幾次就壞的留聲機。這和他大力推廣照明系統形成了鮮明的對比。

不過,在研究錄音和揚聲裝置的過程中,愛迪生不斷改進揚聲器的語音品質,並將很多的專利授權給了做電話的貝爾。雖然貝爾對留聲機比較感興趣,也改進過愛迪生發明的留聲機,但效果也不是十分理想。

延伸閱讀:愛迪生誕辰|科學史上的今天:2/11

要製造出一種實用的、大家真正願意購買的留聲機,就需要搞清楚聲音中到底包含了哪些資訊,然後將它們不失真地記錄下來;同時,還需要把記錄下來的聲音資訊大量複製,賣給大眾。

早在十七世紀,伽利略就發現聲音和振動相關,這種機械振動在空氣中以波的形式傳播,傳入我們的耳朵,就是聲音。振動的頻率越高,我們聽到的聲音就越高,人們甚至可以通過調整琴弦振動的頻率,發出不同的音高。但是人們並不知道為什麼每個語音聽起來都不一樣,為什麼 a 聽起來是 a,不會是 o。到了十九世紀初,法國數學家和流體力學家傅立葉(Jean Baptiste Joseph Fourier)發明了傅立葉轉換,它可以將任何波動信號變成很多單一頻率的波動信號(正弦波)的組合。

延伸閱讀:無所不能的傅立葉轉換:傅立葉誕辰|科學史上的今天:3/21

這其實揭示了各種複雜聲音的本質,就是各種單一頻率聲音的組合。a 的聲音和 o 的聲音裡面都包含了很多相同頻率的波動信號,但是它們的組合方式不同。a 在某個頻率上音量特別大,而在另外一些頻率音量特別小;相反的,o 在另外一些頻率上音量比較大,因此它們聽起來並不相同。

要想清晰完整記錄聲音的資訊,記錄聲音振動的儀器就需要足夠精確地把不同頻率聲音的變化都記錄下來。同樣的,要想讓揚聲器播放的聲音十分逼真,就需要它振動的頻率範圍和人發音的頻率範圍一致。愛迪生其實僅解決了第二個問題,但是沒能很好地解決第一個問題,即他不能準確地把這種頻率的聲音都記錄下來。

解決第一個問題的,是美籍德裔發明家貝利納(Emile Berliner)。一八七○年,十九歲的貝利納為了躲避普法戰爭,隨著父母全家移民到了美國。貝利納剛到美國時做的是收入最低的工作,包括洗碗和送報。但是出於對發明的興趣,他很快就在電話和留聲設備研發方面嶄露頭角。他改進了電話話筒,並因此獲得專利。這個專利被貝爾買走,隨後他也就順理成章成為貝爾電話公司的一名工程師。

一八八六年,貝利納開始研究留聲機。他把一個圓盤均勻塗上石蠟,然後用一根針在石蠟上記錄聲音的振動。由於圓盤的旋轉比圓筒要穩定許多,而且堅硬的細針在石蠟上劃過時,可以準確記錄下各種頻率聲音振動時的細節,因此從一開始,貝利納研製的留聲機的聲音品質就比愛迪生的好很多。更重要的是,圓盤很容易生產,這種留聲機記錄聲音的材料成本要比愛迪生的低得多。

愛迪生是一個在發明權方面從不讓步的人。他和貝利納打了一場曠日持久的官司,最終獲勝。然而,他的那種圓筒式留聲機雖然後來也改進了聲音品質,但實在不便於普及,很快就在市場上消失了。

在和愛迪生打官司期間,貝利納在柏林開辦了一家唱片公司,這就是著名的「德意志留聲機公司」(Deutsche Gramophone)。直到今天這家公司的黃色商標,依然被音樂發燒友視為唱片高品質的象徵。

德意志留聲機公司(Deutsche Gramophone)的商標。 圖/wikimedia

貝利納還發明了一種大量複製唱片的方法。他在圓形鋅片上塗上石蠟,在錄音時,聲音振動控制的錄音針就會劃去鋅片上的石蠟,然後將鋅片用酸腐蝕,被劃掉石蠟的部分就會被腐蝕出聲道。這樣就得到了唱片的母盤,之後就能大量地複製唱片了,唱片的成本低到工薪階層的家庭完全能夠支付得起。

進入二十世紀,馬可尼在無線電報上的成功讓一些發明家開始嘗試使用無線電傳輸語音和音樂信號。人們將聲音的頻率和振幅載入到固定頻率的無線電波上,並隨著無線電波一同被發送到遠方。在接收端,接收機再將聲音信號從無線電波中分離出來。

一九○六年十二月,美國發明家和企業家費森登(Reginald Fessenden)開始了無線電廣播業務,播放音樂和一些音訊節目。但是由於沒有很好的接收機,這種廣播失真嚴重,而且一台接收機只能接收很低頻率的信號,因此也無法普及。

貝利納研製的留聲機。圖/Wikipedia

人們在進行無線電廣播時認識到,在資訊傳輸中存在一個必須解決的大問題,那就是信號的失真和被干擾。雖然在進行有線傳輸或者無線電報發送時,資訊失真的問題也普遍存在,但是大家對它的認識只局限於信號「足夠好」或者「不太好」。如果是前一種情況,大家就認為此時能夠進行通信;如果是後一種情況,大家就認為此時通信中斷了。

但是到了無線電廣播時,人們發現,儘管收到的語音能夠辨識,但是和說話人的語音聽起來完全不同。至於干擾,有線通信是不容易被干擾的,因為每個設備之間都有自己專用的線路;但是無線通訊則不同,電磁波在經過大氣時,會被自然界本身的電磁波干擾,接收到的信號中混有大量雜訊,有時雜訊甚至比信號還強,以至無法準確辨識信號。

那時還沒有關於資訊失真和雜訊的理論,我們今天常說的失真率、信噪比,都是在資訊理論出來之後才被普遍接受的概念。當時的工程師只能靠摸索來消除失真和雜訊的影響,但是效果並不理想。

這種情況在兩個發明出現之後才得到有效的改善:一是一九○七年美國科學家德福里斯特(Lee de Forest)發明了電子三極管;二是一九一七年法國發明家萊維(Lucien Lévy)提出了超外差式接收原理。之後,馬可尼及時將業務轉移到無線電廣播上來,他在英美等國迅速建立起無線電臺,並在全世界銷售收音機。

一九二○年六月,英國馬可尼公司利用廣播轉播了音樂會的盛況。同年,美國西屋電氣公司的廣播站利用廣播報導了總統選舉的情況。

留聲機和無線電廣播的出現大幅度豐富了人們的生活,大眾可以藉由它們欣賞高水準的音樂和文藝節目,同時,人們獲取資訊的方式也從閱讀報刊書籍逐漸變為聽廣播。當然,人類也從此開始記錄文字以外的資訊。

今天,我們能夠聽到邱吉爾在二戰時的精彩演說,以及馬丁.路德在半個世紀前呼籲人權平等的聲音。那些聲音所傳達給人們的資訊,不僅包括演說的內容,還有他們豐富的情感,這是在留聲機出現前人們完全無法想像的。

當然,對人類來說,更豐富的資訊是在圖片中。

——本文摘自《資訊大歷史:人類如何消除對未知的不確定》,2022 年 6 月,漫遊者文化,未經同意請勿轉載。

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漫遊也許有原因,卻沒有目的。 漫遊者的原因就是自由。文學、人文、藝術、商業、學習、生活雜學,以及問題解決的實用學,這些都是「漫遊者」的範疇,「漫遊者」希望在其中找到未來的閱讀形式,尋找新的面貌,為出版文化找尋新風景。

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誰才是《電流大戰》的最終贏家?那些電影也沒說的幕後秘辛
張瑞棋_96
・2019/07/19 ・4611字 ・閱讀時間約 9 分鐘 ・SR值 520 ・七年級

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

《電流大戰 (The Current War) 》這部電影,講的是交流電與直流電這兩種電力系統的攻防戰。如果你對特斯拉與愛迪生之間的恩怨情仇略有所知,一定有興趣看看《電流大戰》如何講述這段歷史。而如果你還是班奈狄克·康柏拜區(Benedict Cumberbatch)的粉絲,更會對他主演的這部新作充滿期待。

但如果你兩者皆是,那麼可能會和我一樣在內心哀號:「為什麼BC飾演的竟然是愛迪生,而不是特斯拉!」尤其《電流大戰》的試映會恰恰就在七月十日,特斯拉冥誕這一天(編按:《電流大戰》於台灣正式的上映時間為七月十九日)。

「為什麼BC飾演的竟然是愛迪生,而不是特斯拉!」(內心哀號)source: IMDb

———- 編按:以下有雷,介意的話看完電影再進來喔(雖然談的都是歷史,說有雷感覺哪裡怪怪的XD)———-

為什麼會如此哀號?愛迪生不是發明電燈,造福世界的偉人嗎?沒錯,從小課本告訴我們愛迪生如何努力不懈,才成為「發明大王」。

但課本沒說的是,真正點亮世界,並讓人類進入電氣世界的關鍵人物其實是特斯拉,而不是愛迪生。而且,愛迪生還為了商業利益打壓特斯拉、用盡手段阻撓交流電系統的推展。所以,我們當然希望康柏拜區飾演悲劇英雄特斯拉,而不是唯利是圖的愛迪生,對吧?

不過看完電影才發現,其實特斯拉在這部片子裡的戲份並不多。因為就像片中一位角色所說的,在這場直流電與交流電之戰中,背後真正的推動力量不是電流(current),而是金錢(currency)。

因此這部電影的主軸在於西屋電氣老闆威斯汀豪斯(George Westinghouse)與愛迪生的企業鬥爭,而不是特斯拉與愛迪生的個人恩怨。這雖然不免令人有些遺憾,不過相對而言,我們卻能循著這個脈絡來理解這場電流大戰,並進而釐清許多錯誤的迷思。

特斯拉在這部片子裡的戲份並不多,就連預告片也是在最後一秒才出現。圖/imdb

迷思一:電燈是愛迪生發明的?

很多人到現在都還以為是愛迪生發明了電燈,人類才開始用電力產生燈光,其實不然。首先,早在1802年,英國的戴維爵士(Sir Humphry Davy)就在英國皇家學會展示,鉑絲通電後會發出微微的亮光。當然這微弱的亮度不足以照明,但七年之後,戴維再次登台展示,他這次用兩千張鋅片與銅片所組成的伏打堆電池,接上兩根碳棒,在兩根碳棒之間製造出約十公分長的耀眼弧光。

這亮度遠勝當時的煤氣燈,因而激勵許多科學家陸續投入弧光燈的研究。因此如果電燈的定義是指由電力產生的人工照明,那麼在愛迪生發明電燈的七十年以前,就已經有電燈了(註一)。

戴維爵士拉開研究弧光燈的序幕。圖/wikimedia

即使不算弧光燈,只考慮適合居家照明的白熾燈泡,愛迪生也不是最先發明的人。從一八三零年代起,包括英國、比利時、法國、美國等地,就都有科學家相繼研發白熾燈泡,基本上都不脫在真空的玻璃燈泡內安裝燈絲,通電後讓燈絲發亮。

愛迪生雖然於1880年取得燈泡專利,但他的燈泡也是同樣這種架構;這也是為什麼後來愛迪生發現西屋電氣逐漸壯大,而於1885年提出侵犯燈泡專利的告訴,並在七年後贏得勝訴後,西屋只要避開愛迪生的螺紋燈座設計,改採按壓式的彈簧夾燈座就沒事了。

由愛迪生繪製的燈泡草圖。圖/wikipedia

當然,愛迪生的貢獻也不容抹滅。畢竟他也是試驗了無數種材料,最後才終於發現碳化的竹絲最耐久;而如何改善抽真空的技術與大量生產的製程,也是有他的獨到之處。不過,就像其它科學發明,電燈的發明也是許多前人累積的成果,決不是愛迪生一人的功勞。

迷思二:特斯拉發明交流電?

對於這場電流大戰的描述,我們看到的大多是以特斯拉為交流電的代表人物,因此可能在腦中埋下特斯拉發明交流電的印象。但其實交流電早就有了。

1820年,丹麥的大學教授奧斯特(Hans C. Ørsted)在授課時,偶然發現電線接上電池時,竟然造成一旁羅盤的指針轉動,因而發現電流會產生磁場,首度揭露電場與磁場有關。那麼反過來,磁場也會產生電流嗎?

許多科學家拼命做實驗就是試不出來,直到1831年,戴維過世兩年後,原本擔任他助手的法拉第(Michael Faraday)才發現原來磁場變動才會產生電流。法拉第運用這電磁感應的原理,做出世上第一台發電機(雖然要用手搖),而它所發的電就是交流電。這是因為當磁場的南北極反轉時,導線上的感應電流方向也會反轉,而既然磁場必須不斷變換才能一直產生感應電流,那麼電流方向當然也就不斷來回變換。

法拉第承繼戴維爵士的研究,做出世上第一台手搖式交流發電機。圖/wikipedia

後來的發明家不斷改善發電機,但都基於同樣的原理,因此所產生的電一開始都是交流電。交流電用來點亮電燈沒有問題,事實上,在愛迪生開展他的照明事業之前,某些城市就已經有採用交流電系統的弧光燈做為路燈了。然而電不只可以用來照明,在許多人(包括愛迪生)的夢想中,電力還能驅動馬達,取代笨重的蒸汽機,將機械化與自動化提升到全然不同的境界。問題是交流電會使得馬達也不斷改變旋轉方向,這樣根本派不上用場,因此需要將交流電轉換成直流電。

率先令這夢想得以成真的是比利時的發明家格蘭瑪(Zénobe Théophile Gramme)。他於1873年發明直流發電機,方法是在發電機內加入整流器。基本原理是這樣的:原本環狀導線兩端的電不斷一進一出改變方向,現在在導線兩端的位置各加裝一個電刷,使得環狀導線每轉半圈,兩端就會碰觸到左右不同電刷,那麼如果原本左邊的導線電流向前,轉了半圈到右邊時,電流變成向後(↑左、↓右、↑左、↓右、……),如此一來左右電刷每次收到的都是同方向的電流,所輸出的就一直是左出右進的直流電了。格蘭瑪同時也發明了直流馬達;有了發電機與馬達,人類才終於能跨入全面性的電力時代。

格蘭瑪成功地將交流電轉換成直流電。圖/wikipedia

那麼到底特斯拉對交流電做出什麼貢獻?

這還是得回到愛迪生與西屋的電流大戰說起。雖然直流電可以直接驅動馬達,但因為長距離傳輸容易耗損,不適合用於電網,因此必須到處佈建發電機,成本高昂。相對地,交流電發電機產生的交流電可以先用感應線圈提高電壓,便能長距離傳輸,直到靠近用戶端時,再用感應線圈降至符合電氣設備的電壓,因此只需幾個中央發電站,就能透過電網供電給廣大用戶,效益更高。

湯瑪斯·愛迪生(左)與喬治·威斯汀豪斯(右)。source:Wikimedia

問題是,交流電到了用戶端後怎麼驅動馬達?一個方式是在馬達裡放進整流器,先將電網傳來的交流電轉成直流電(類似直流發電機的原理,只是剛好反方向),再驅動馬達。但是電刷容易產生火花,又會耗損,因此不利交流馬達的推廣。特斯拉的最大貢獻便在於發明出「多相感應交流馬達」(註二),不但不用電刷,轉換動力的效率還更高。

馬達的應用甚廣,從一般家庭到大廈、工廠、礦場等不同場域,都有各種使用馬達的機械設備,因此特斯拉的發明更有助於西屋擴展交流電市場。而除了用戶端,發電廠本身也需要用到馬達,西屋的電網也因而更有競爭力,得以標到像芝加哥世界博覽會,以及尼加拉瀑布發電廠這樣的重大建設。 

迷思三:特斯拉被愛迪生打壓才窮困潦倒?

是的,特斯拉受雇於愛迪生時並未獲得合理對待,愛迪生還食言而肥,不發給他原本答應的五萬美元獎金。不過特斯拉後來窮困潦倒卻與愛迪生無關。

西屋既然贏得電流大戰,但特斯拉卻沒有因此名利雙收。圖/修改自maxpixel

威斯汀豪斯於1888年時,為了取得特斯拉的多相感應馬達,曾經答應除了預付兩萬美元,並分三期支付五萬美元外,馬達所產生的每匹馬力還要再付2.5美元的權利金給特斯拉。照理說,西屋既然贏得電流大戰,提供更多電力,特斯拉應該有源源不絕的權利金收入,為什麼晚年還會如此落魄?

原來1890年底,英國霸菱兄弟銀行(The Baring Brothers)傳出財務危機,在骨牌效應下,第二年西屋也面臨資金缺口。威斯汀豪斯一方面設法籌措資金,一方面不得不跟特斯拉攤牌,希望他放棄權利金。擁有浪漫情懷的特斯拉,除了感念威斯汀豪斯對自己的賞識,也一心想看到電力的全面普及,遂爽快答應了。有人曾經估算,就算截至1905年,特斯拉的馬達專利到期為止,他的馬達光在美國就已經產出七百萬匹馬力,這意謂著特斯拉至少放棄了一千七百五十萬美元的權利金,相當於今日的四億八千萬美元。若有這筆錢,特斯拉再怎麼將錢浪擲在他的偉大夢想上,仍應該可以過著相當優渥的晚年生活。

迷思四:誰是電流大戰的贏家?

特斯拉後來為了追求一個不切實際的夢想——提供全世界源源不絕的免費電力,而將所有積蓄都浪擲在這個計畫上,最終也賠上自己的信譽,再也得不到投資者的青睞。1934年起,特斯拉搬到紐約客旅館(Hotel New Yorker),他已無力負擔每月125美元的旅館房費,是由西屋電氣幫他墊付,一直到1943年特斯拉孤獨死於房中。

1943年特斯拉孤獨死於房中。source: Wikimedia Commons

威斯汀豪斯帶領西屋電氣平安度過1891年的危機,並以芝加哥世界博覽會與尼加拉瀑布發電廠的成功經驗,讓交流電打敗直流電,成為電網的輸送方式。不料1907年的經濟大恐慌再次帶給西屋財務危機,這次西屋雖然仍挺了過來,但威斯汀豪斯卻失去公司的控制權。七年後,威斯汀豪斯病逝,享年67歲。

愛迪生雖然因為背後金主摩根(J. P. Morgan)的強力介入,於1892年要求愛迪生的公司與另一家公司合併為通用電氣(General Electric Company,又稱「奇異公司」),而失去他的電力事業,但他在電影事業卻一帆風順,也一直受到美國人愛戴,稱得上名利雙收。

愛迪生的死對頭,威斯汀豪斯與特斯拉,分別於1912年與1917年獲美國電氣工程師協會頒發獎章,以表揚他們兩人的貢獻。不過獎章名稱卻是「愛迪生勳章」。你說,誰是贏家呢?

你說,誰是電流大戰的贏家呢?source: IMDb
  • 註一:其實俄國的物理學家佩卓夫(Vasily Vladimirovich Petrov)於1802年就用四千兩百個個鋅片與銅片組成前所未有的巨型伏打堆電池,展示更明亮穩定的弧光。可惜他在國內發表的論文並未傳到歐洲,直到十九世紀末才被發現。
  • 註二:當然特斯拉還有許多重要發明,包括廣播、無線電、遙控器,以及可以無線充電的特斯拉線圈。

參考資料:

  • 一、《光之帝國》,吉兒·瓊斯(Jill Jonnes)著,商周出版社
  • 二、”Generators
  • 三、en.wikipedia.org

延伸閱讀:

張瑞棋_96
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1987年清華大學工業工程系畢業,1992年取得美國西北大學工業工程碩士。浮沉科技業近二十載後,退休賦閒在家,當了中年大叔才開始寫作,成為泛科學專欄作者。著有《科學史上的今天》一書;個人臉書粉絲頁《科學棋談》。

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1909 年 1 月 14 號發行的科學美國人 Automotive Number 封面,封面概念為左下紅字標題「競速(Speed Rivals)」。 圖/Wyoming_Jackrabbit License Source

1845 年的今天,《科學美國人》(Scientific American)雜誌創刊。是的,你沒看錯,這本影響深遠的科學雜誌已經 170 歲了!它比時代雜誌、紐約時報都還更早創刊,事實上,它是美國現存歷史最悠久的刊物。

《科學美國人》原本是只有四頁的報紙,每週出刊一次,訂閱一年份要美金兩塊錢。創辦人波特(Rufus M. Porter)的正職是壁畫畫家,也是個業餘發明家,發明了洗衣機、脫穀機、製繩機、……等各種可以節省勞力的動力機械。或許是因為這樣的背景,《科學美國人》剛開始的內容以介紹新發明為主,尤其是正在美國專利局審查的發明。不過,十個月後波特就將雜誌賣給別人了,直到 1948 年才又轉手易主,目前則是納入英國麥克米蘭(Macmillan Publishers)旗下的「自然出版集團」。

《科學美國人》向來就無意成為像《自然》那種學術性的科學期刊,而是要以淺顯易懂的方式向一般大眾介紹最新發明與科學新知。它也的確贏得許多發明家的認同,例如貝爾與愛迪生就都不吝於提供他們所發明的電話與燈泡的圖解給《科學美國人》;愛迪生還親自向編輯們演示留聲機的工作原理。萊特兄弟也在試飛飛機期間就邀請《科學美國人》的編輯前來拍攝記錄,拍下許多珍貴的歷史時刻。還有無數的科學家都樂意為《科學美國人》撰稿,其中還包括一百多位諾貝爾獎得獎者,例如愛因斯坦、薛丁格、波耳、克里克、……等等。

一百多年來《科學美國人》歷久不衰,目前還以十八種語言在世界各地發行(國內即是由遠流發行的《科學人》雜誌),始終是最有影響力的科學傳播雜誌。我們在此說聲:生日快樂!也祝它繼續以最長壽的紀錄保持者啟迪一代又一代的年輕心靈。

 

本文同時收錄於《科學史上的今天:歷史的瞬間,改變世界的起點》,由究竟出版社出版。

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1987年清華大學工業工程系畢業,1992年取得美國西北大學工業工程碩士。浮沉科技業近二十載後,退休賦閒在家,當了中年大叔才開始寫作,成為泛科學專欄作者。著有《科學史上的今天》一書;個人臉書粉絲頁《科學棋談》。

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尼古拉.特斯拉:如交流電般起伏的人生──《光之帝國:愛迪生、特斯拉、西屋的電流大戰》
商周出版_96
・2018/01/23 ・5384字 ・閱讀時間約 11 分鐘 ・SR值 516 ・六年級

為何我們挑選了這本書:
在十九世紀末,美國三位傳奇人物與「電能」的發展息息相關:最著名的夢想者與發明家湯瑪斯‧愛迪生、對發電和電力輸送有革命貢獻的電力奇才尼古拉‧特斯拉、創建多家公司的發明家和企業家喬治‧西屋,《光之帝國:愛迪生、特斯拉、西屋的電流大戰》主要介紹了這三位人物成功、失敗以及彼此的宿怨,美國企業史上最獨特的惡鬥「電流之戰」於此展開。

充滿溢美之詞的特斯拉專訪

一八九四年二月,科默伏給《世紀》寫的特斯拉文章刊登出來,並附有知名攝影家薩羅尼拍攝的相片。

這篇文章辭藻華麗,洋洋灑灑地說道,「特斯拉先生一直有個夢想,受到流星瞬間閃光所引發的啟示;他的同行對他的敬佩日益增長,乃因為他看得更遠,最早看見在科學新大陸上微微閃現的光芒」。這篇讚美文章刊登在國家主要雜誌上,自然而然引起了轟動,也立刻引起紐約報界的注意。

特斯拉的發明生涯起伏不斷,但不可否認的是他相當有魅力!圖/Unknown@wikipedia

幾個月後的一個星期日,七月二十二日,約瑟夫.普立茲的《紐約世界報》,曼哈頓銷量最大的日報,登出一個醒目的長篇報導,出自知名專欄作家亞瑟.布里斯班(Arthur Brisbane)之手,題為「我們最傑出的電學家」,還有「比愛迪生更偉大」、「電力的未來」等小標題。

布里斯班和科默伏不同,他對電一無所知,也不想不懂裝懂。「每個科學家都是自己專業的行家,」布里斯班這樣描寫特斯拉,「每個紐約社交界的人,即使是笨蛋也認識他那張臉。他每天在德莫尼科飯店用餐。他每晚都坐在靠窗的那張桌子……埋首看晚報。」

布里斯班的文章帶有一張全版尼古拉.特斯拉的畫像,他穿著正式的燕尾服。

「與電融為一體的發明家襯托在光輝燦爛的電火中」。

這當然指的是特斯拉那次最著名的即席表演,讓幾千伏特電流通過他的身體,直至火焰吞沒他全身。他向布里斯班承認,「我讓電流通過全身的主意,只為了扭轉大家長期以來對交流電的愚蠢看法。這實驗對科學家來說沒有任何價值。關於交流電的『伏特』存在著一大堆胡說八道理論,現在你看到伏特和電流能量毫無關係」。與大多數遇到特斯拉的人一樣,布里斯班也發現他很有魅力。結果在那個炎熱寂靜的夜晚,他們兩人坐在德莫尼科飯店裡一直聊到破曉,直到清潔女工來打掃飯店的大理石地板。

圖/Dickenson V. Alley [CC BY 4.0 ], via Wikimedia Commons
 

布里斯班告訴《紐約世界報》的二十八萬讀者,「每當談到正在研究的電力問題時,特斯拉就變得神魂顛倒。他說的沒有一個字可以讓人聽懂。他把一秒鐘分成幾千萬份,達到的能量顯然是任何其他東西都無法提供的。他堅信電力可以解決勞動力問題。這應該是(尤金)德布斯先生在地牢受苦時思考的事。根據特斯拉的理論,未來的艱苦工作肯定會成為啟動電力開關的推動力」。

特斯拉也曾在1931年登上時代雜誌的封面。圖/Time magazine, Volume 18 Issue 3, July 20, 1931 The cover shows Nikola Tesla @ wikipedia

那年秋天,一八九四年的九月三十日,《紐約時報》用了幾個整版登出文章〈尼古拉.特斯拉與他的發明〉,副標題為「確信無疑走向偉大勝利」。不同於布里斯班輕鬆愉快的敘述,《紐約時報》竭盡全力闡釋特斯拉的高頻研究和在他無線電燈背後的科學。令人奇怪的是,文章隻字未提尼加拉。

事實是,不管西屋發電機的工作進展是否順利,特斯拉已全心將自己投入一個嶄新且更深奧的電學尖端領域。每天他都在實驗室裡埋首工作,完全不顧樓下商業街道的雜訊。特斯拉沉浸在他嶄新的電力夢中,他與布里斯班長談時承認,「我絕對自信地期待著,地球上將會用無線傳輸資訊。我也對用同樣方式高效傳輸電力充滿希望」。

特斯拉的夢想:無線電波通訊與尼加拉大瀑布發電

當特斯拉公開談到他的工作時,他對自己正在研究的細節(也就是現在眾所皆知的無線電收音機)守口如瓶。到了一八九四年,特斯拉已經組裝出一個小型手提式收音機轉播站,整年都在不斷地檢測並改進。許多下午和晚上,他都和一位製圖員一起爬上實驗室的寬闊屋頂,豎立起無線接收器,再拿上他的接收機,再到更高更遠的地方,去檢測他的無線電收音機訊號。

特斯拉所發明的無線電被廣泛應用於廣播,此為廣播原理1.播音室 2.混音裝置 3.音訊轉換器 4.無線電轉換器 5.無線電塔(發射塔) 6.用戶收音機。圖/Jjw@wikipedia

冬天的時候,特斯拉已經在他住的格拉克飯店(這家飯店距離曼哈頓上城區三十條街,在他的實驗室北方一英里半遠)的房頂安好裝置。在這個比下面百老匯時髦的精品商店高出十層樓的地方,特斯拉小心翼翼地放飛用繩縛的氦氣、熱氣或氫氣球,接著氣球和繩子一直升高,直上空中。一條電線連接到飯店的總水管。

特斯拉將他的接收器調節至與收音機頻率,就能成功聽到製圖員從市中心實驗室屋頂上發出的廣播訊號。整個冬天他都在微調那處於雛形階段的收音機,等到春天來臨,冰雪消融,就要乘坐汽船沿哈德遜河北上,去看看如果繼續向阿爾巴尼航行,是否還能收到傳送訊號,所以到那年年底,特斯拉的身體和精神狀態都非常好,可謂勝券在握。

一八九五年對特斯拉是更好的一年,他已將新收音機調到最佳狀態,而且期待著尼加拉大瀑布開始送電。

在他將專利賣給西屋七年後(也是為了拯救公司而放棄他的權利金四年後),特斯拉的西屋發電機終於要安裝在懷特的電力大教堂!偉大的時刻即將來臨,大瀑布入口的閘門一旦打開,尼加拉碧綠的河水將奔騰流入三個巨大水管,冰涼的湖水咆哮著直落向渦輪機。隨著渦輪機開始旋轉,水花飛濺,水霧濛濛,每根鋼軸也越轉越急。在飛旋鋼軸上方的電力發電機房裡,特斯拉的三台黑黝黝巨大發電機組也在旋轉,製造著電力磁場。

西屋公司根據特斯拉專利所生產的交流電發電機。

從這些熱氣騰騰的發電機組將流出無形的電河,靜悄悄地穿過電橋流入變壓器,在那裡轉換成高伏特的巨大電流湧向世界,之後再由許多獨立變壓器將其降壓成無形無聲的電流,點亮十幾萬戶的燈泡,為巨大的工業提供能源、讓水牛城的電車運行、驅趕夜晚的黑暗,並減輕人類的重負。人們稱他為夢想家,但這一切夢想都將成為現實。

尼古拉.特斯拉公司成立

由於交流馬達和多相發電機的難題一直懸而未決,許多研究者都望而卻步,但是特斯拉成為占據這歷史地位的第一人!不光是他所追求的榮譽,也更出自財務上的原因,因為這樣一來他將有充足的資金更自如地工作。他認為,與他正在研究的更尖端且又簡單得多的動力系統無線傳輸相比,交流電只是剛起步。

對人、金錢和機遇都頗有眼光的亞當斯希望立刻成為特斯拉的贊助人(後來才知道,亞當斯其實已經追蹤特斯拉許久,這個聰明人比任何華爾街財閥都瞭解特斯拉交流電專利的價值),特斯拉也直率地宣稱,這只是他革命性發明創造進行開發與商業化的開端。

特斯拉(曾經叫做特斯拉汽車),主要產銷電動車,太陽能板及儲能設備,其公司名稱則是為了紀念特斯拉。圖/Windell Oskay @ wikipedia

一八九五年二月,《電力工程師》上出現一篇短文,宣告成立尼古拉.特斯拉公司,經營範圍為「生產和銷售機械、發電機、馬達、電力設備等等」。該公司有一大批一流董事:亞當斯和他的兒子恩斯特、勤勉工作又雄心勃勃的蘭金、特斯拉很久以前的資助者艾菲德.布朗、紐澤西的查爾斯.科尼(Charles Coaney)以及特斯拉本人。

據傳,該公司的資本為五千美元,數字聽起來實在可笑。不過特斯拉後來提到,其實僅亞當斯一人就投資了十萬美元,所以到一八九五年春天時,特斯拉身為一個發明家過著十分令人嫉妒的生活。

災難突降,實驗室被大火燒毀

一八九五年三月十三日清晨兩點三十分,特斯拉的實驗室被一場大火焚燒殆盡。整個建築從內部爆炸,實驗室那一層變成燃燒的地獄,所有電力實驗設備毀於一旦。

《紐約太陽報》報導,當東方天邊出現了第一道黎明光芒時,在南五街可以看見「兩道搖搖欲塌的牆和像打哈欠般敞開的大洞,向外流著黑水和油」。當時非常受尊敬的報界編輯查爾斯.達納這樣寫道,「尼古拉.特斯拉的工作室和其中寶貴設備都被破壞,這絕不僅僅是他個人的災難,而是整個世界的巨大損失。如果用手指頭來比喻這個年輕人對人類社會的重要性,那麼說他是大拇指絕對不為過」。幸運的是,特斯拉那天晚上沒有辛苦工作,否則他很有可能葬身火海。

第二天上午十點,特斯拉像往常一樣去工作,完全被眼前的情景嚇呆了。「這不可能是真的,」他盯著燒焦的廢墟不斷這樣喃喃自語。

他的十五個雇員比他來得稍早一些,都悶悶不樂地站在那裡,不忍心將特斯拉從格拉克飯店喊來面對如此悲慘情景。《紐約太陽報》記者想採訪他,特斯拉拒絕了,他說:

「我太悲傷了,讓我說什麼呢?這差不多是我半生的心血,所有的機械設備和科學研究用具都經過多年調試,卻在一個小時內被大火吞沒。這筆損失根本不能用錢來估算。什麼都沒有了,我必須從頭開始。」

他雙眼噙滿了淚水,精心設計的發電機、振盪器、馬達和真空燈泡,珍貴的記錄、檔案和往來信件,還有他在世界博覽會的展品、最近研製的無線電收音機的發射器與接收器,所有這些年來的工作成果,全都付之一炬。甚至,人們開始懷疑他實驗室裡的火災源於那些被稱為電力奇蹟的東西。

1893年芝加哥世博會所展示的特斯拉交流電馬達與其他發明。

大樓看守報告說,大火從一樓燃起,另一家租戶是個蒸汽裝配廠,加班時曾經在樓面上撒許多油,它「燃燒時像個引火盒」。看守的水桶簡直是杯水車薪。消防員與大火奮戰了三個小時,他們只能防止火勢蔓延到相鄰的工廠以及附近的高架鐵路。

沮喪的特斯拉悄悄地走出去,徘徊在大街上。同時,詹森夫婦到處找他,希望在他遭受「無可挽回的損失」的時候可以給他一些安慰。即使他的設備在別的地方有備用,如發電機、振盪器和馬達,但是他的收音機是獨一無二的,必須重新組裝。他的實驗室全都沒有保險,經濟損失慘重且徹底。特斯拉最近幾年掙了不少錢,但他全部的收入幾乎都投入實驗室裡,被這場大火燒毀。

除了東山再起別無出路

在科默伏、詹森夫婦,以及許多曼哈頓的朋友與熟人的鼓勵下,特斯拉重整旗鼓,又在東休斯頓街四十六號找到一間新實驗室。後來他告訴記者:

「我灰心喪氣到了極點,如果我沒有定期為自己做電療,我簡直不相信還能振作起來。你看,電流進入疲憊不堪的身體,成為身體正需要的生命力、控制力。電是個偉大的醫生,依我看,它是最好的醫生」。

到了三月二十二日,康復的特斯拉寫信給西屋一位高級工程師,要求訂購新設備。他寫道,「我敢肯定,您一定從報紙上知道了,那場不幸事故幾乎奪去我全部的設備,進而影響了我目前的工作。我現在必須重建實驗室」於是,他的新設備在一個月內陸續運到。此外,特斯拉也寫信給曾監理特柳賴德金王礦交流電工程的斯科特,請求他協助促成他的訂購,並解釋:「這種工作對我的健康來說必不可少。」

在此期間,特斯拉在最不可能的地方找到了應急之所:湯瑪斯.愛迪生在西奧蘭治的巨大實驗室。哈洛德.布朗曾經在那裡電死過狗、小牛和馬。新聞界長期以來都將愛迪生和特斯拉,這一對美國最偉大的奇才,形容為勢不兩立,但是在這危難關頭,愛迪生非常大度地放棄了競爭,為悲痛的特斯拉提供了臨時工作場所。

 

 

 

本文摘自泛科學 2018 年 1 月選書《光之帝國——愛迪生、特斯拉、西屋的電流大戰》,商周出版

 

 

 

 

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《科學美國人》雜誌創刊 │ 科學史上的今天:08/28
張瑞棋_96
・2015/08/28 ・823字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 592 ・九年級

1909 年 1 月 14 號發行的科學美國人 Automotive Number 封面,封面概念為左下紅字標題「競速(Speed Rivals)」。 圖/Wyoming_Jackrabbit License Source

1845 年的今天,《科學美國人》(Scientific American)雜誌創刊。是的,你沒看錯,這本影響深遠的科學雜誌已經 170 歲了!它比時代雜誌、紐約時報都還更早創刊,事實上,它是美國現存歷史最悠久的刊物。

《科學美國人》原本是只有四頁的報紙,每週出刊一次,訂閱一年份要美金兩塊錢。創辦人波特(Rufus M. Porter)的正職是壁畫畫家,也是個業餘發明家,發明了洗衣機、脫穀機、製繩機、……等各種可以節省勞力的動力機械。或許是因為這樣的背景,《科學美國人》剛開始的內容以介紹新發明為主,尤其是正在美國專利局審查的發明。不過,十個月後波特就將雜誌賣給別人了,直到 1948 年才又轉手易主,目前則是納入英國麥克米蘭(Macmillan Publishers)旗下的「自然出版集團」。

《科學美國人》向來就無意成為像《自然》那種學術性的科學期刊,而是要以淺顯易懂的方式向一般大眾介紹最新發明與科學新知。它也的確贏得許多發明家的認同,例如貝爾與愛迪生就都不吝於提供他們所發明的電話與燈泡的圖解給《科學美國人》;愛迪生還親自向編輯們演示留聲機的工作原理。萊特兄弟也在試飛飛機期間就邀請《科學美國人》的編輯前來拍攝記錄,拍下許多珍貴的歷史時刻。還有無數的科學家都樂意為《科學美國人》撰稿,其中還包括一百多位諾貝爾獎得獎者,例如愛因斯坦、薛丁格、波耳、克里克、……等等。

一百多年來《科學美國人》歷久不衰,目前還以十八種語言在世界各地發行(國內即是由遠流發行的《科學人》雜誌),始終是最有影響力的科學傳播雜誌。我們在此說聲:生日快樂!也祝它繼續以最長壽的紀錄保持者啟迪一代又一代的年輕心靈。

 

本文同時收錄於《科學史上的今天:歷史的瞬間,改變世界的起點》,由究竟出版社出版。

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張瑞棋_96
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1987年清華大學工業工程系畢業,1992年取得美國西北大學工業工程碩士。浮沉科技業近二十載後,退休賦閒在家,當了中年大叔才開始寫作,成為泛科學專欄作者。著有《科學史上的今天》一書;個人臉書粉絲頁《科學棋談》。