不是電池的燃料電池發電機

編按：特斯拉於一八七○年代先後就讀奧地利的格拉茲 (Graz) 理工學院和布拉格大學，大學學業結束後，他罹患了嚴重的神經衰弱，期間，他看到了許多不可思議的奇異現象。

• 本文摘自柿子文化出版， 尼古拉‧特斯拉，《被消失的科學神人：特斯拉親筆自傳》。

一八八○年，我帶著父親的期望前往波希米亞的布拉格市，在那裡繼續我的大學教育，並且做了一個果斷決定，繼續未竟的實驗，其中包含拆除發電機的整流器，觀察接下來會發生什麼現象，結果依舊徒勞無功。

在接下來的一年裡，我對人生的看法出現了急遽變化。我知道父母親為了供應我在經濟上的需要做出了重大犧牲，因而決定要卸下他們的重擔。當時美國裝設電話的風潮剛傳到歐洲，匈牙利決定要在布達佩斯裝設電話系統。

神經衰弱的折磨，從未奢望完全康復

一個大好機會出現了，尤其與我們家族熟識的一個友人，恰巧就是匈牙利一家電話公司的負責人。我在前文曾提及，我在布拉格期間罹患了嚴重的神經衰弱。

我在病中的經歷簡直令人匪夷所思！我一直有異於常人的超凡視力與聽力，我可以在其他人都已經看不到、聽不見的距離外，依舊能清楚聽辨。我記得，我小時候有好幾次聽到從鄰居家中傳來微弱的爆裂聲響，屋主卻依舊呼呼大睡，我只好大聲呼救，救了鄰居免遭祝融之災。

一八九九年，我四十多歲，在美國科羅拉多州繼續我的實驗，我可以清楚聽到五百五十英里外打雷的聲音，我的年輕助理頂多聽到一百五十英里，換言之，我的聽力比他靈敏三倍有餘──然而，比起我神經衰弱期間的敏銳聽力，此時的聽力簡直是小巫見大巫，可以說是耳聾級的程度。

我在布達佩斯的那段期間，可以聽見三個房間距離外的手錶滴答聲；一隻蒼蠅飛落在房中桌上，在我聽來就像是砰砰的重擊悶響。幾英里外馬車經過的聲音，會使我全身顫動；二、三十英里外的火車汽笛聲，會讓我坐的板凳或椅子劇烈晃動，使我承擔難以忍受的痛苦。我腳下的地面會震個不停；我必須把床放在緩衝橡皮墊上，才能獲得休息。

我如果無法分辨這些來自四面八方的嘈雜聲究竟是什麼，我就會產生幻聽心生恐懼。時亮時暗的陽光會嚴重衝擊我的腦部，使我暈厥過去。當我行經橋下或其他建物下方，會覺得有股巨大壓力壟罩在頭上，必須用最大的意志力才能通過。在黑暗中，我的感官敏銳如蝙蝠，我的前額有一種獨特的感知力，當它發癢時，我就知道十二英尺外有東西出沒。

我的脈博變化可以從每分鐘只有跳幾下飆高到兩百六十下，造成體內器官與組織的抽搐和震顫，這恐怕是最難忍受的身體折磨。我曾求診一位內科名醫，他開立大量溴化鉀鎮靜劑讓我每天服用，但仍宣告我得的是無藥可醫的罕見疾病。

我這輩子最大的遺憾，就是當時沒有求診生理及心理學專家。我拚了命想要活下來，卻從未奢望自己能完全康復。誰會相信一個身體如此孱弱的絕症病人，可以蛻變成一個具有驚人體魄和頑強意志的人，能夠工作三十八年不輟，幾乎沒有一天休息，身體和心智卻依舊強健、生氣勃發？

意志力的奇蹟，發明旋轉磁場原理

我就是活生生的例子。我有強大的求生意志，我渴望繼續自己的研究工作，在一個運動家摯友的全力幫助下，奇妙的事發生了，我的身體恢復健康，心智依然敏捷。

當我重新投身於中斷的研究，卻發現自己的奮戰竟然這麼快就結束了，反而感到有些悵然──我還有許多精力無處可用。我當初接下這個不可能的挑戰，不是抱著平常的決心，對我來說，這是一個神聖的誓言，是一場攸關生與死的求索。

我深知，一旦我失敗了，我的生命活力也會隨之枯竭凋萎。如今，我打贏了這場戰役。答案其實早就在我大腦深處的某個隱蔽角落，已經呼之欲出，只差臨門一腳。

我永遠記得那天下午，我和一位朋友正在城市公園享受散步詠詩的愜意，我那時候可以把整本書一字不漏地熟記在心，其中一本就是歌德的小說《浮士德》 (Faust) ，夕陽才剛西沉，我不禁聯想起書中一節絕美詩句：

太陽西沉，退隱，白晝就此完結，

它匆匆離去，去催促新的生命。

哦，竟沒有翅膀把我從地面升起，

永遠永遠去把她追隨！

正值她將逝未逝之際，我做了一個美夢。

唉，怎奈任何肉體的翅膀都不容易同精神的翅膀結伴而飛。

譯文摘自：《世界經典文學名著：浮士德》，歌德著，綠原譯，臺北：光復書局，一九九八年 

當我朗讀這些振奮人心的詩句，靈感如電光石火般湧現，真理瞬間揭露。我立刻拿起一根枝條在沙地上畫出心中浮現的設計圖──六年後，我在美國電機工程師學會發表演講時公開了這張圖──身旁的友人完全理解我在畫什麼。

我看到的影像是如此銳利清晰、堅實如金石，我告訴友人：「你看，這裡是馬達；注意看，我要將它反轉。」

我按捺不住心中的激動，滔滔不絕說了起來。皮格馬利翁 (Pygmalion) 看到親手雕刻的美麗少女「葛拉蒂亞」 (Galatea) 竟然有了生命時的驚喜，也難與我此時的激動難抑相比。

我或許無意間發現了一千個大自然奧祕，但是我願意用它們換取我的這項發明，它是我排除萬難用生命換來的嘔心瀝血之作。

• 本文摘自柿子文化出版， 尼古拉‧特斯拉，《被消失的科學神人：特斯拉親筆自傳》。

為不讓父親失望，一天只睡四小時

一年的身體調養期結束之後，我被父親送到奧地利史泰利亞邦 (Styria) 的格拉茲 (Graz) 理工學院就讀，他為我精挑細選了這所歷史悠久、聲譽卓著的大學。這是我期待已久的時刻，在充裕獎學金的資助下，開始我的大學學業，我下定決心一定要在課業上有傑出表現。拜父親的教導和諸多機會所賜，我的學習底子優於一般學生。

進入大學之前，我已經學會多國語言，也啃讀了不同圖書館的藏書，多多少少汲取了有用的資訊。另外，這是我第一次可以選擇喜歡的科系就讀，所以畫圖再也不會成為我的困擾。

我立志要給父母親一個驚喜，所以第一學年我每天從清晨三點一直讀到深夜十一點不間斷，連星期假日都不放鬆片刻。由於同學們抱著學而不思的鬆散學習態度，我的學業成績自然技壓群雄。第一年結束，我通過九科考試，教授們認為我的表現值得給予超越滿級分的嘉獎。

我帶著這張獲得褒揚的成績單回家，在短暫休息過後，我滿心期待著能贏得父親的稱讚，但是看到父親對於我拚了命博得的榮譽一點都不在意的時候，我深感受傷，這件事幾乎扼殺了我的鬥志和雄心。

但是父親死後，我發現了一疊信件，全是學校教授寄來的，信上說除非父親把我帶離學校，否則我會因為用功過度而沒命，看完後，我悲痛難抑。

大量閱讀與討論，發明構想與科學原理的加成

此後，我全神貫注在物理學、力學和數學上，閒暇時間都泡在圖書館裡。我的習慣是只要開始做一件事情，一定會有始有終，因此常常給自己招來難題。

有一次，我開始閱讀伏爾泰 (Voltaire) 的著作，看到有將近一百卷用小字印刷的皇皇巨著正等待著我去讀，令我驚慌——這個怪物每天喝七十二杯黑咖啡支撐自己寫作！我下定決心一定要全部讀完，但當我放下最後一本伏爾泰的作品時，感到無比暢快，說：「結束了！」

我第一年的表現贏得了教授們對我的欣賞，也與他們建立起情誼。包括了：羅格納教授，教授算術和幾何學；包施爾教授，教授理論及實驗物理學；奧勒博士，教授積分，專長在積分方程式，這位科學家的講課是我聽過最精彩的一位。奧勒博士特別關心我在學業上的進展，經常會在下課後留一、二個小時給我，出題讓我解答，我很樂意接受這樣的安排。

我跟他解釋我的飛行器構想，這項發明是建立在合理的科學原理上，不是天馬行空的幻想，我設計的渦輪機已經讓這部飛行器成真，很快就會展現在世人眼前。

羅格納和包施爾兩位教授都是求知欲旺盛的學者：羅格納教授的自我表達方式很奇特，每次都會引起一陣騷動，然後是一段長長的沉默和尷尬；包施爾教授是一位有條不紊、絕對理智的德國人，他有和熊掌一樣巨大的雙手雙腳，但他的實驗都被精準無誤的執行，展現如鎖芯般精密的高超精準技巧，沒有一點閃失。

發現真理需要敏銳直覺與細心觀察

在校第二年，學校收到一部來自法國巴黎的格拉姆發電機 (Gramoe Dyname) ，它有一個馬蹄鐵狀的層壓式場磁鐵，以及一個裝有整流器的繞線電樞。通電之後，這部機器展現了各種不同的電流效應。

包施爾教授在示範時，把它當作馬達在操作，結果電刷出現故障，火花亂竄，我在一旁觀察發現：沒有這些裝置，馬達仍有可能運轉。

包施爾教授宣稱不可能，並且請我就這個主題上臺報告，他最後在做總結時如此說道：「特斯拉先生也許會有了不起的成就，但可以肯定的是他永遠不會去實踐這個構想。這麼做無異是改變一個穩定的拉力，猶如把重力轉變成旋轉力，這是一個永動機的概念，不可能成功。」

但是，直覺超越知識，當邏輯推論或是其他想出來的方法都沒有用的時候，無疑的，我們大腦裡某些奇妙的神經纖維會驅策我們去發現真理。

有一段時間，我迫於教授的權威而猶疑不定，但是我很快就相信自己是對的，然後傾注所有熱情和年輕人的無窮信心，擁抱這個不可能的任務。

首先，我在心中勾勒出一部直流電發電機，使之啟動運轉後，緊盯觀察電樞電流的變化。然後，我會另外想像一部交流電發電機，觀察在相同情況下其運作過程。接下來，我則勾畫想像馬達與發電機兩種系統，並用各種方式測試其運作情況。

我心眼所見的圖像對我而言是如此全然真實，具體可觸。我在格拉茲的理工學院的剩餘時光都在全心鑽研這個問題，直到離校前依舊毫無斬獲，我差一點就要舉白旗投降，宣判這個問題無解。

凡納爾．布希，橫跨計算機的新舊時代、身居產官學的至高權位。他不但設計出類比計算機的巔峰之作，還擘劃了美國產、軍、學三方緊密合作的模式。多少人才因此得以大展長才，多少新創產業因此誕生茁壯；電腦與網路正是在這樣的環境下，才在二次大戰後突飛猛進……。

本文為系列文章，上一篇請見：為了預測潮汐，將面積儀改裝成解微分方程的計算機│《電腦簡史》（二十三）

計算機從來沒有如巴貝奇當初的想像，由蒸汽機推動。瓦特改良蒸汽機之後，自動運轉的機器確實如雨後春筍般紛紛出現，但計算機仍需靠手動操作。巴貝奇設計的差分機與分析機如此，三、四十年後，克耳文的調和分析儀仍是如此。巴貝奇的夢想必須等到電力時代，計算機才能依靠電力自行運作。

沒有電，哪有電腦；沒有法拉第，哪有電

電力時代的開啟，肇始於英國科學家法拉第 (Michael Faraday) 發現電磁感應。

法拉第與巴貝奇同樣於 1791 年出生於倫敦，但出身卻有天壤之別。他自小家境貧寒，僅受過最基本的教育，十四歲當了書商的門徒，才靠大量閱讀自學科學知識。二十歲那年幸運獲得英國皇家學會會長戴維爵士 (Sir Humphry Davy) 賞識，擔任其隨身助理，才踏上科學研究之路。

1831 年，法拉第發現磁鐵穿過線圈時，線圈上會有電流出現，因而領悟出變動的磁場會產生電場，並據此原理發明了史上第一具發電機，人類才終於有能力隨時製造持續穩定的電力。

不過還要經過半世紀的改善，發電機才真正商業化。恰好內燃機也在 1880 年代左右成熟，同時石化燃料因為開採技術的進步得以大量供應，可以用內燃機帶動發電機運轉，工廠才開始改用發電機與馬達取代蒸汽機。1896 年，特斯拉 (Nikola Tesla) 成功為西屋公司 (Westinghouse) 將尼加拉瀑布產生的水力發電，利用高壓交流電送往二十英哩外的水牛城，為電網的普及揭開序幕。隨著電網的延伸擴展，二十世紀開始電力也進入一般家庭與商家，人類社會終於從蒸氣時代邁入電力時代。

有了電力與相關零件，計算機便能達成以往機械式計算機做不到的事。不但可以如巴貝奇的夢想自動運轉，就連克耳文理想中解微分方程的機器，也終於在美國發明家凡納爾．布希（Vannevar Bush）的手中完成。

電網互聯太複雜，催生積分儀的發明

凡納爾．布希這個名字對一般人而言可能相當陌生，但是他一生對電腦發展卻有極大的影響，後面我們會看到許多重要的創新都與他有關。

布希從大學時期就開始他的發明之路。當時學校有直接取得碩士學位的方案，布希為此而於 1912 年發明測地儀，做為他的碩士論文。測地儀外觀像台割草機，也是運用面積儀的原理，推著它前進，裡面的滾輪與轉盤便會隨著地形高低起伏改變位置與轉速，而自動畫出所經過地面的地勢圖。

1916 年，布希取得麻省理工學院 (MIT) 與哈佛大學的聯合博士學位，隔年就因美國加入第一次世界大戰，而加入國家研究委員會 (NRC)，研究偵測潛艇的方法。一次大戰結束後，布希到 MIT 的電機系任教，同時與幾位朋友共同創立雷神公司 (Raytheon Company)。這家公司專門研發電子設備，日後成為重要的國防承包商。

一次大戰使得美國聯邦政府要求各地電力公司的電網互聯，以提升電力供應的穩定性。不過該如何互聯是門大學問，尤其電網繼續不斷擴增，各種連結的可能性越來越複雜，究竟怎樣的網路才是最佳選擇？布希自 1923 年開始研究電網的問題，但其中牽涉的計算實在太繁複；過了兩年，布希終於受不了，要他的學生研究能自動計算連續積分的機器。

1926 年，第一代的「連續積分儀」(Continuous Integraph) 完成，原理與面積儀類似，但用上電錶 (watt-hour meter)、可變電阻與電動馬達（原理參見文末附註）。第二年，布希與學生又成功將兩台連續積分儀串接在一起，成為「乘積積分儀」(Product Integraph)，原理類似克耳文的調和分析儀，也就是第一台的輸出結果做為下一台的輸入函數，便能解出二階微分方程式，誤差只有 2－3%。

克耳文男爵的夢想終於成真——微分分析儀誕生

然而布希對此仍不滿意，他決定放棄電錶與可變電阻這些電子零件，回歸面積儀原本的純機械方式，也就是和他大學時設計的測地儀一樣，使用滾輪與轉盤（原理參見文末附註）。1931 年，布希與學生完成「微分分析儀」(Differential Analyzer)，由六台積分儀組成，可解到六階的微分方程式，誤差只有 0.12%。克耳文男爵當年的設想在半世紀後，終於在布希手中實現。

等等，之前說過靠機械傳遞無法克服扭力不足的問題，那麼微分分析儀是怎麼做到的？原來布希是運用 1925 年才發明，原本用於汽車動力方向盤的「扭力放大器」(torque amplifier)，才讓六台積分儀順利運轉。有了扭力放大器，積分儀就能不斷串接，解更高階的微分方程式。例如賓州的摩爾電機學院 (Moore School of Electrical Engineering) 於 1935 年安裝的微分分析儀，便用了十台積分儀，挪威的奧斯陸大學甚至用到十二台積分儀。

摩爾電機學院是最先向布希提出安裝要求的機構，因為他們也面臨大量計算的問題。原來摩爾電機學院距離美國陸軍的阿伯丁試驗場 (Aberdeen Proving Ground) 只有一百二十公里，因地利之便被陸軍相中，專門為阿伯丁試驗場的各式槍砲做彈道學分析。彈道學涉及涵蓋許多參數的微分方程組，計算極為複雜；如果微分分析儀能縮短計算時間，他們就能以更少的人力、更快的速度，製作出各式槍砲的射程表。射程表上記載目標距離、移動速度、風向、風速、……等不同條件下，應如何調整射擊角度與火藥數量，是軍隊在戰場上必備的須參考工具。

計算機邁向數位時代，布希扮演幕後推手

微分分析儀的確只要幾分鐘就能解出一道微分方程式，但是每次設定調整卻要花上兩三天的時間。因此幾年後第二次世界大戰爆發，不但槍砲數量大增，因此需要大量的射程表，同時由於軍艦、飛機的速度大幅提升，也需要更精確的射程表，微分分析儀很快就窮於應付，無法滿足來自前線的需求了。美國自己參戰後，更深切感受需要運算速度更快的計算機，於是在陸軍的資助下，摩爾電機學院於 1943 年開始打造第一部通用型電子計算機，以取代機械式的微分分析儀。

雖然這部電子計算機一直到戰後才完成，並未在戰場上發揮作用，但它已正式開啟計算機的數位時代，機械式計算機從此逐漸淡出歷史舞台。

不過布希並未隨著微分分析儀功成身退，他的影響力繼續在數位時代發揮重大作用。他在戰時就位高權重，主持軍方的「科學研究發展局」與跨部會的「國防研究委員會」，率領科學家研發出新一代的雷達與固態火箭，並推動成立曼哈頓計劃。戰後，他大力推動國防科技產業化，讓原本僅限軍方使用的技術轉為商業民生用途，發展出龐大科技產業。他還建議政府將研究經費下放給大學或民間的實驗室，為培育科學人才建立正向循環。。

美國的科技產業蓬勃發展，至今仍居於全球的領導地位，可說是肇因於產、軍、學的密切結合，而這正是出自布希的遠見與擘劃。電腦與網路也是在這樣的背景下，才在二次大戰後百花齊放，出現各種革命性的創新；而其中幾位關鍵性人物也都與布希有所關聯。計算機從機械式改為電子式、從類比轉為數位，這新舊時代的轉換過程，多虧有布希扮演起承先啟後、繼往開來的角色。

凡納爾·布希於1974年逝世時，MIT校長威斯納 (Jerome Wiesner) 為他的貢獻下了最佳註解：

「沒有任何美國人比凡納爾·布希，對科學與技術的發展產生更巨大的影響。在二十世紀可能不會再有能與他相提並論的人了。」

同場加映

連續積分儀原理

連續積分儀用的電錶與家裡的電錶一樣，有電流經過時，轉盤便因為電磁感應而轉動，轉速隨著耗電功率的大小而改變。連續積分儀裡面裝有可變電阻，其中的滑動接點與描圖臂連接，當描圖臂隨著函數圖形移動時，滑動接點也跟滑動，進而改變功率大小，影響轉盤的轉速。轉盤與一個電動馬達連動，電動馬達便控制繪圖臂畫出函數積分後的圖形。

微分分析儀原理

微分分析儀裡的轉盤是由電動馬達控制，以定速旋轉，立於轉盤上的滾輪被帶著隨之滾動，就像一枚硬幣在唱盤上滾動那樣。轉盤還與描圖臂連接，當描圖臂隨著函數圖形移動時，整個轉盤也會隨著左右移動。因為滾輪有獨立支架，本身位置是固定的，所以轉盤左右移動會使得滾輪距離轉盤中心時近時遠。滾輪接近轉盤中心時轉得慢，靠近外圍就轉得快，滾輪轉速與轉盤位置的變化，便會帶動繪圖臂畫出積分後的函數圖形。

※《電腦簡史》第一部【齒輪時代】至此告一段落，敬請期待第二部【數位時代】。