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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 ・4530字 ・閱讀時間約 9 分鐘 ・SR值 520 ・七年級

《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:

文章難易度
張瑞棋_96
423 篇文章 ・ 321 位粉絲
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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什麼是「造父變星」?標準燭光如何幫助人類量測天體距離?——天文學中的距離(四)

CASE PRESS_96
・2021/10/22 ・3033字 ・閱讀時間約 6 分鐘
  • 撰文|許世穎

「造父」是周穆王的專屬司機,也是現在「趙」姓的始祖。以它為名的「造父變星」則是標準燭光的一種,讓我們可以量測外星系的距離。這幫助哈柏發現了宇宙膨脹,大大開拓了人們對宇宙的視野。然而發現這件事情的天文學家勒梅特卻沒有獲得她該有的榮譽。

宇宙中的距離指引:標準燭光

經過了三篇文章的鋪陳以後,我們終於要離開銀河系,開始量測銀河系以外的星系距離。在前作<天有多大?宇宙中的距離(3)—「人口普查」>中,介紹了距離和亮度的關係。想像一支燃燒中、正在發光的蠟燭。距離愈遠,發出來的光照射到的範圍就愈大,看起來就會愈暗。

我們把「所有發射出來的光」稱為「光度」,而用「亮度」來描述實際上看到的亮暗程度,而它們之間的關係就是平方反比。一旦我們知道一支蠟燭的光度,再搭配我們看到的亮度,很自然地就可以推算出這支蠟燭所在區域的距離。

舉例來說,我們可以在台北望遠鏡觀測金門上的某支路燈亮度。如果能夠找到到那支路燈的規格書,得知這支路燈的光度,就可以用亮度、光度來得到這支路燈的距離。如果英國倫敦也安裝了這支路燈,那我們也可以用一樣的方法來得知倫敦離我們有多遠。

我們把「知道光度的天體」稱為「標準燭光(Standard Candle)」。可是下一個問題馬上就來了:我們哪知道誰是標準燭光啊?經過許多的研究、推論、歸納、計算等方法,我們還是可以去「猜」出一些標準燭光的候選。接下來,我們就來實際認識一個最著名的標準燭光吧!

「造父」與「造父變星」

「造父」是中國的星官之一。傳說中,「造父」原本是五帝之一「顓頊」的後代。根據《史記‧本紀‧秦本紀》記載:造父很會駕車,因此當了西周天子周穆王的專屬司機。後來徐偃王叛亂,造父駕車載周穆王火速回城平亂。平亂後,周穆王把「趙城」(現在的中國山西省洪洞縣一帶)封給造父,而後造父就把他的姓氏就從本來地「嬴」改成了「趙」。因此,造父可是趙姓的始祖呢!(《史記‧本紀‧秦本紀》:造父以善御幸於周繆王……徐偃王作亂,造父為繆王御,長驅歸周,一日千里以救亂。繆王以趙城封造父,造父族由此為趙氏。)

圖一:危宿敦煌星圖。造父在最上方。圖片來源/參考資料 2

回到星官「造父」上。造父是「北方七宿」中「危宿」的一員(圖一),位於西洋星座中的「仙王座(Cepheus)」。一共有五顆恆星(造父一到造父五),清代的星表《儀象考成》又加了另外五顆(造父增一到造父增五)。[3]

英籍荷蘭裔天文學家約翰‧古德利克(John Goodricke,1764-1786)幼年因為發燒而失聰,也無法說話。1784 年古德利克(John Goodricke,1764-1786)發現「造父一」的光度會變化,代表它是一顆「變星(Variable)」。2 年後,年僅 22 歲的他就當選了英國皇家學會的會員。卻在 2 週後就就不幸因病去世。[4]

造父一這顆變星的星等在 3.48 至 4.73 間週期性地變化,變化週期大約是 5.36 天(圖二)。經由後人持續的觀測,發現了更多不同的變星。其中一群變星的性質(週期、光譜類型、質量……等)與造父一接近,因此將這一類變星統稱為「造父變星(Cepheid Variable)」。[5]

圖二:造父一的亮度變化圖。橫軸可以看成時間,縱軸可以看成亮度。圖片來源:ThomasK Vbg [5]

勒維特定律:週光關係

時間接著來到 1893 年,年僅 25 歲的亨麗埃塔‧勒維特(Henrietta Leavitt,1868-1921)她在哈佛大學天文台的工作。當時的哈佛天文台台長愛德華‧皮克林(Edward Pickering,1846-1919)為了減少人事開銷,將負責計算的男性職員換成了女性(當時的薪資只有男性的一半)。[6]

這些「哈佛計算員(Harvard computers)」(圖三)的工作就是將已經拍攝好的感光板拿來分析、計算、紀錄等。這些計算員們在狹小的空間中分析龐大的天文數據,然而薪資卻比當時一般文書工作來的低。以勒維特來說,她的薪資是時薪 0.3 美元。順帶一提,這相當於現在時薪 9 美元左右,約略是台灣最低時薪的 1.5 倍。[6][7][8]

圖三:哈佛計算員。左三為勒維特。圖片來源:參考資料 9

勒維特接到的目標是「變星」,工作就是量測、記錄那些感光板上變星的亮度 。她在麥哲倫星雲中標示了上千個變星,包含了 47 顆造父變星。從這些造父變星的數據中她注意到:這些造父變星的亮度變化週期與它們的平均亮度有關!愈亮的造父變星,變化的週期就愈久。麥哲倫星雲離地球的距離並不遠,可以利用視差法量測出距離。用距離把亮度還原成光度以後,就能得到一個「光度與週期」的關係(圖四),稱為「週光關係(Period-luminosity relation)」,又稱為「勒維特定律(Leavitt’s Law)」。藉由週光關係,搭配觀測到的造父變星變化週期,就能得知它的平均光度,能把它當作一支標準燭光![6][8][10]

圖四:造父變星的週光關係。縱軸為平均光度,橫軸是週期。光度愈大,週期就愈久。圖片來源:NASA [11]

從「造父變星」與「宇宙膨脹」

發現造父變星的週光關係的數年後,埃德溫‧哈柏(Edwin Hubble,1889-1953)就在 M31 仙女座大星系中也發現了造父變星(圖五)。數個世紀以來,人們普遍認為 M31 只是銀河系中的一個天體。但在哈柏觀測造父變星之後才發現, M31 的距離遠遠遠遠超出銀河系的大小,最終確認了 M31 是一個獨立於銀河系之外的星系,也更進一步開拓了人類對宇宙尺度的想像。後來哈柏利用造父變星,得到了愈來愈多、愈來愈遠的星系距離。發現距離我們愈遠的星系,就以愈快的速度遠離我們。從中得到了「宇宙膨脹」的結論。[10]

圖五:M31 仙女座大星系裡的造父變星亮度隨時間改變。圖片來源:NASA/ESA/STSci/AURA/Hubble Heritage Team [1]

造父變星作為量測銀河系外星系距離的重要工具,然而勒維特卻沒有獲得該有的榮耀與待遇。當時的週光關係甚至是時任天文台的台長自己掛名發表的,而勒維特只作為一個「負責準備工作」的角色出現在該論文的第一句話。哈柏自己曾數度表示勒維特應受頒諾貝爾獎。1925 年,諾貝爾獎的評選委員之一打算將她列入提名,才得知勒維特已經因為癌症逝世了三年,由於諾貝爾獎原則上不會頒給逝世的學者,勒維特再也無法獲得這個該屬於她的殊榮。[12]

本系列其它文章:

天有多大?宇宙中的距離(1)—從地球到太陽
天有多大?宇宙中的距離(2)—從太陽到鄰近恆星
天有多大?宇宙中的距離(3)—「人口普查」
天有多大?宇宙中的距離(4)—造父變星

參考資料:

[1] Astronomy / Meet Henrietta Leavitt, the woman who gave us a universal ruler
[2] wiki / 危宿敦煌星圖
[3] wiki / 造父 (星官)
[4] wiki / John Goodricke
[5] wiki / Classical Cepheid variable
[6] wiki / Henrietta Swan Leavitt
[7] Inflation Calculator
[8] aavso / Henrietta Leavitt – Celebrating the Forgotten Astronomer
[9] wiki / Harvard Computers
[10] wiki / Period-luminosity relation
[11] Universe Today / What are Cepheid Variables?
[12] Mile Markers to the Galaxies

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CASE的全名是 Center for the Advancement of Science Education,也就是台灣大學科學教育發展中心。創立於2008年10月,成立的宗旨是透過台大的自然科學學術資源,奠立全國基礎科學教育的優質文化與環境。
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