《科學美國人》雜誌創刊 │ 科學史上的今天：08/28

本文由 Amway 委託，泛科學企劃執行。

到底怎樣才算是「乾淨」？這不是什麼靈魂拷問，而是一個價值上億的商業命題。

在半導體產業的無塵室中，「乾淨」的定義極其殘酷：一粒肉眼看不見的灰塵，就足以讓造價數百萬美元的晶圓直接報廢。空氣品質的好壞，甚至能成為台積電（TSMC）決定是否在當地設廠的關鍵性指標。回到你的家中，雖然不需要生產精密晶片，但我們呼吸系統中的肺泡同樣精密，卻長期暴露在充滿 PM2.5、病毒以及各種揮發性氣體的環境中。為了守護健康，你可能還要付費購買「乾淨的空氣」來用。

因此，空氣議題早已超越單純的環保範疇，成為同時影響國家經濟與個人健康的重要問題。

很多人可能沒想到，無論是家用的空氣清淨機，還是造價動輒百億的頂尖晶圓廠，它們對抗污染的核心武器並非什麼複雜的雷射防護罩，而是同一件看起來平凡無奇的東西：一片外觀像紙一樣的 HEPA 濾網。但你真的相信，就憑這層厚度不到幾公分的板子，能擋住那些足以毀滅精密晶片、滲透人體細胞的「奈米級刺客」嗎？

這片大家都聽過的 HEPA 濾網，裡面到底是什麼？

首先，我們必須打破一個直覺上的誤解：HEPA 濾網（High Efficiency Particulate Air filter）在本質上其實並不是一張「網」。

細懸浮微粒 PM2.5，是指粒徑在 2.5 微米以下的污染物，它們能穿過呼吸道直達肺泡，並穿過血管引發全身性發炎。但這只是基本，在工廠與汽車尾氣中，還存在粒徑僅有 1 微米的 PM1，甚至是小於 0.1 微米的「超細懸浮微粒」（UFP，即 PM0.1）。 UFP 不僅能輕易進入血液，甚至能繞過血腦屏障（BBB），進入大腦與胎盤，其破壞力十分可怕。

如果 HEPA 濾網像水槽濾網或麵粉篩一樣，單靠孔目大小來「過濾」粒子，那麼為了攔截奈米微粒，濾網的孔目只能無限縮小到幾乎不透氣的程度。更別說在台積電或 Intel 的製程工程師眼裡，一般人認為的「乾淨」，在工程師眼裡簡直像沙塵暴一樣。對於線寬僅有 2 奈米或 3 奈米（相當於頭髮直徑萬分之一）的晶片而言，空氣中一顆微小的塵埃，就是一顆足以毀滅世界的隕石。

因此，傳統的過濾思維並非治本之道，我們需要的是原理截然不同的過濾方案。這套技術的雛形，最早可追溯至二戰時期的「曼哈頓計畫」。

HEPA 的前身，誕生於曼哈頓計畫！

1940 年代，製造濃縮鈾是發展原子彈的關鍵。然而，若將排氣直接排向大氣，會導致致命的放射性微粒擴散。負責解決這問題的是 1932 年諾貝爾化學獎得主歐文·朗繆爾（Irving Langmuir），他是薄膜和表面吸附現象的專家。他開發了「絕對過濾器」（Absolute Filter），其內部並非有孔的篩網，而是石綿纖維。

有趣的來了，如果把過濾器放到顯微鏡下，你會發現纖維之間的空隙，其實比某些被攔截的粒子還要大。那為什麼粒子穿不過去呢？這是因為在奈米尺度下，物理規則與宏觀世界完全不同。極微小的粒子在空氣中飛行時，並非走直線，而是會受到空氣分子撞擊，而產生「布朗運動」（Brownian Motion），像個醉漢一樣東倒西歪。

當粒子通過由緻密纖維構成的混亂迷宮時，布朗運動會迫使它們不斷轉彎、移動，最終撞擊到帶有靜電的纖維上。這時，靜電的吸附力會讓纖維就像蜘蛛網般死死黏住微粒。那些狂亂移動的奈米刺客，就這樣被永久禁錮迷宮中。

現在最常見的 HEPA 材料，是硼矽酸鹽玻璃纖維。

現代 HEPA 濾網最常見的核心材料為硼矽酸鹽玻璃纖維。這些玻璃纖維的直徑通常介於 0.5 至 2 微米之間，它們在濾網內隨機交織，像是一座茂密「黑森林」。微粒進入這片森林後，並非僅僅面對一層薄紙，而是得穿越一個具有厚度且排列混亂的纖維層，微粒極有可能在布朗運動的影響下撞擊並黏附在某根玻璃絲上。

除此之外，HEPA 濾網在外觀上還有一個極具辨識度的特徵，那就是像手風琴般的摺紙結構。濾材會被反覆摺疊、摺成手風琴的形狀，中間則用鋁箔或特殊的防潮紙進行結構支撐，目的是增加表面積。這不僅為了捕獲更多微粒，而是要「降低過濾風速」。這聽起來可能有點反直覺：過濾不是越快越好嗎？

其實，這與物理學中的流速控制有關。想像一條水管，如果你捏住出口，水流會變得湍急；若將出口放開並擴大，雖然總出水量不變，但出水處的流速會變得緩慢。對於 HEPA 濾網而言，當表面積越大，單位面積所需承載的空氣量就越少，空氣穿透濾網的速度也就越低。

低流速代表微粒停留在濾網內的時間也更久，增加被捕捉的機會。此外，越大的表面積也為 HEPA 濾網帶來了高「容塵量」，延長了使用壽命，這正是它能夠稱霸空氣清淨領域多年的主因。

然而，即便都叫做 HEPA 高效率空氣微粒子過濾網 (High Efficiency Particulate Air filter)，但每個 HEPA 的成分與結構還是會不一樣。例如 安麗逸新空氣清淨機 SKY ，其標榜「可過濾粒徑最小至 0.0024 微米」的污染物，去除率高達 99.99%。

0.0024 微米是什麼概念？塵蟎、花粉、皮屑或黴菌孢子，大小約在 2 至 200 微米；細懸浮微粒  PM2.5 大小約 2.5 微米，細菌也大概這麼大。最小的其實是粒徑小於 0.1 微米的「超細懸浮微粒」，大多數的病毒（如流感、新冠病毒）都落在此區間。對安麗逸新 的HEPA濾網來說，基本上通通都是可被攔截的榜上名單。

在過敏防護上，它更獲得英國過敏協會（Allergy UK）認證，能有效處理 19 大類、102 種過敏原，濾除空氣中超過 300 種氣態與固態污染物。

然而，同樣的過濾邏輯一旦進入半導體無塵室，就必須換一條更為嚴苛的技術路線。因為硼矽酸鹽玻璃纖維對晶圓來說有個致命傷，就是「硼 (Boron)」。

在半導體製程中，硼是常見的 P 型摻雜物，用來精準改變矽晶圓的電性。如果濾網有任何微小的破損、老化或化學侵蝕，進而釋放出極微量的硼離子，就可能直接污染晶圓，改變其導電特性，導致晶片報廢。

此外，無塵室要求的是比 HEPA 更極致的 ULPA（超低穿透率空氣濾網） 等級的潔淨度。ULPA 的標準通常要求對 0.12 微米 的粒子達到 99.999% 甚至 99.9999% 的超高攔截率。在奈米級的競爭中，任何多穿透的一顆微塵，都代表著一筆不小的經濟損失。

為了解決「硼」的問題並追求極限的過濾效率，材料學家搬出了塑膠界的王者，PTFE 也鐵氟龍。鐵氟龍不僅耐酸鹼、耐腐蝕，還能透過拉伸製成直徑僅 0.05 至 0.1 微米 的極細纖維，其細度遠勝玻璃纖維。雖然 PTFE 耐化學腐蝕，但它既昂貴且物理上也很脆弱，安裝時若不小心稍微觸碰，數萬元的濾網就可能報銷。因此，你只會在晶圓廠而非一般家庭環境看到它。

即便如此，在空氣濾淨系統中，還有一樣是無塵室和你家空氣清淨器上面都有的另一張濾網，就是活性碳濾網。

活性碳如何從物理攔截跨越到分子吸附？

好不容易將微塵擋在門外時，危機卻還沒有解除。因為空氣中還隱藏著另一類更難纏的大魔王：AMC（氣態分子污染物）。

HEPA 或 ULPA 這類物理濾網雖然能攔截固體微粒，但面對氣態分子時，就像是用網球拍想撈起水一樣徒勞。這些氣態分子如同「幽靈」一般，能輕易穿過物理濾網的縫隙，其中包括氮氧化物、二氧化硫，以及來自人體的氨氣與各種揮發性有機物（VOCs）。

為了對付這些幽靈，我們必須在物理防線之外，加裝一道「化學濾網」。

這道防線的核心就是我們熟知的活性碳。但這與烤肉用的木炭不同，這裡使用的是經過特殊改造的「浸漬處理（Impregnation）」活性碳。材料科學家會根據敵人的不同性質，在活性碳上添加不同的化學藥劑：

• 酸鹼中和：對付氮氧化物、二氧化硫等酸性氣體，會在活性碳上添加碳酸鉀、氫氧化鉀等鹼性藥劑，透過酸鹼中和反應將有害氣體轉化為固體鹽類。反之，如果添加了磷酸、檸檬酸等酸性藥劑，就能中和空氣中的氨氣等鹼類。
• 物理吸附與凡德瓦力：對於最麻煩的有機揮發物（VOCs，如甲醛、甲苯），因為它們不具酸鹼性，科學家會精密調控活性碳的孔徑大小，利用龐大的「比表面積」與分子間的吸引力（凡德瓦力），像海綿吸水般將特定的有機分子牢牢鎖在孔隙中。

空氣濾淨的終極邏輯：物理與化學防線的雙重合圍

在晶圓廠這種對空氣品質斤斤計較的極端環境，活性碳的運用並非「亂槍打鳥」，而是一場極其精密的對戰策略。

工程師會根據不同製程區域的空氣分析報告，像玩 RPG 遊戲時根據怪物屬性更換裝備一樣——「打火屬性怪要穿防火裝，打冰屬性則換上防寒裝」。在最關鍵的黃光微影區（Photolithography），晶圓最怕的是人體呼出的氨氣，此時便會配置經過酸性藥劑處理的活性碳進行精準中和；而在蝕刻區（Etching），若偵測到酸性廢氣，則會改用鹼性配方的濾網。這種「對症下藥」的客製化邏輯，是確保晶片良率的唯一準則。

而在你的家中，雖然我們無法像晶圓廠那樣天天進行空氣成分分析，但你的肺部同樣需要這種等級的保護。安麗逸新空氣清淨機 SKY 的設計邏輯，正是將這種工業級的精密防護帶入家庭。它不僅擁有前述的高規 HEPA 濾網，更搭載了獲得美國專利的活性碳氣味濾網。

關於活性碳，科學界有個關鍵指標：「比表面積（Specific Surface Area）」。活性碳的孔隙越多、表面積越大，其吸附能力就越強。逸新氣味濾網選用高品質椰殼製成的活性碳，並經過高溫與蒸氣的特殊活化處理，打造出多孔且極致高密度的結構。

這片濾網內的活性碳配重達 1,020 克，但其展開後的總吸附表面積竟然高達 1,260,000 平方公尺——這是一個令人難以想像的數字，相當於 10.5 個台北大巨蛋 的面積。這種超高的比表面積，是市面上常見濾網的百倍之多。更重要的是，它還添加了雙重觸媒技術，能特別針對甲醛、戴奧辛、臭氧以及各種細微的異味分子進行捕捉。這道專利塗層防線，能將你從裝潢家具散發的有機揮發氣體，或是路邊繁忙車流的廢氣中拯救出來，成為全家人的專屬空氣守護者。

總結來說，無論是造價百億的半導體無塵室，還是守護家人的空氣清淨機，其背後的科學邏輯如出一轍：「物理濾網攔截微粒，化學濾網捕捉氣體」。只有當這兩道防線同時運作，空氣才稱得上是真正的「乾淨」。

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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。

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。

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。

《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）。

———- 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。

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）。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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？

• 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：

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