是什么成就了特斯拉？

想象一個(gè)沒有電燈、電機(jī)、電泵、電扇、冰箱或者電梯的世界。如果沒有微波，就沒有收音機(jī)或電視。下次當(dāng)你按下開關(guān)時(shí)，你應(yīng)該想一想尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla）。特斯拉比其他任何一位發(fā)明家都更有資格說自己開創(chuàng)了電力時(shí)代。但在他去世70年后，在他的那些主要發(fā)明問世一個(gè)世紀(jì)后，他的名字并不像托馬斯·愛迪生、亞歷山大·格雷厄姆·貝爾或萊特兄弟那樣為人所熟知。

特斯拉不安于現(xiàn)狀的大腦使他可以進(jìn)一步超越這些在電力和機(jī)械方面的創(chuàng)新。他發(fā)明了一種“放大線圈”，它可以大幅度提高電流的頻率和電壓。特斯拉發(fā)現(xiàn)這樣的電流可以輻射出電磁波，他敏銳地意識(shí)到這些電磁波大有可為。今天，“無線”已經(jīng)是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)世界中一個(gè)無處不在的術(shù)語。而特斯拉在100多年前就發(fā)現(xiàn)了這一原理。

特斯拉經(jīng)常被拿來和愛迪生（Thomas Edison）作比較，但他在很多方面與愛迪生截然相反。愛迪生聲稱發(fā)明是“1%的靈感，99%的汗水”。然而，特斯拉是一個(gè)很有想法、很有遠(yuǎn)見的人。愛迪生是自學(xué)成才；而特斯拉接受了完整的工業(yè)教育。愛迪生解決了一些實(shí)際問題；而特斯拉夢想發(fā)明可以改變世界的技術(shù)。愛迪生將他的發(fā)明商業(yè)化；而特斯拉幾乎沒有商業(yè)頭腦。他們唯一的共同點(diǎn)是，兩人都睡得很少：特斯拉有時(shí)會(huì)從上午10:30工作到第二天早上5：00。

在特斯拉的有生之年，他的許多發(fā)明都沒有得到任何獎(jiǎng)勵(lì)或報(bào)酬。例如，古列爾莫·馬可尼（Guglielmo Marconi）發(fā)明了無線電，但他的設(shè)備是基于特斯拉的想法做出來的。直到最近幾年，特斯拉才因他深刻的見解及其對現(xiàn)代生活的影響而獲得了更廣泛的認(rèn)可。

特斯拉的成長背景

特斯拉的父親是一位東正教牧師，他希望自己1856年出生的兒子也能像自己一樣。特斯拉家族是塞族人（ Ethnic Serbs），居住在當(dāng)時(shí)奧匈帝國的克羅地亞。特斯拉的母親發(fā)明了像打蛋器一樣的廚房器具，他覺得自己很像她。當(dāng)他少年時(shí)期有一次生病時(shí)，他讓父親答應(yīng)了自己，如果他康復(fù)了，就把他送到技術(shù)學(xué)校。他在奧地利格拉茨的格拉茨理工大學(xué)（Austrian Polytechnic School）學(xué)習(xí)機(jī)械和電氣，目的是日后能成為一名工程師。

特斯拉小時(shí)候看過尼亞加拉瀑布的照片。他立刻想到了一個(gè)巨大的磨坊水車，它可以利用瀑布的力量進(jìn)行工作。這些場景顯示出特斯拉從小就思維清奇。這個(gè)年輕人能在腦海中進(jìn)行微積分計(jì)算，并擁有過人的記憶力。但最引人注目的是他將自己的想法形象化的能力：他可以在腦海中反復(fù)加工自己的想法，以至于在這些想法能像實(shí)物看起來一樣真實(shí)。

但他的才華也帶來了一些負(fù)面作用。在他20多歲的時(shí)候，高高瘦瘦的特斯拉經(jīng)歷了一次精神崩潰，這讓他的感覺變得過于敏感—手表的滴答聲都能讓他感到不適，他甚至發(fā)現(xiàn)陽光也會(huì)讓他感到壓抑。在他的一生中，他飽受恐懼癥和強(qiáng)迫癥的折磨。

特斯拉很早就對交流電產(chǎn)生了興趣。當(dāng)時(shí)，需要電機(jī)和照明的實(shí)驗(yàn)用的都是直流電（DC），就像電池產(chǎn)生的電流一樣。直流電機(jī)效率很低，但沒人能想象交流電機(jī)會(huì)如何工作。一天，當(dāng)特斯拉在公園里討論詩歌時(shí)，突然想到了如何讓交流電機(jī)成為現(xiàn)實(shí)。

他使用交流電的想法使歐洲的專家困惑不已。1884年，28歲的特斯拉決定前往紐約并向托馬斯·愛迪生介紹了他的想法。他向這位偉大的發(fā)明家描述了他對交流電的看法，但愛迪生對此并不感興趣。相反，他雇特斯拉來操控他的直流設(shè)備。但是兩個(gè)人不太合得來——特斯拉沒有完成愛迪生交給他的工作就辭職了，而他最終也沒有拿到自己的薪水。

由于沒有錢，特斯拉開始靠幫別人挖溝為生。但他的命運(yùn)馬上就要迎來逆襲。

交流電更便于使用

直流電由沿著導(dǎo)體在一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)的電子組成。交流電中電子運(yùn)動(dòng)方向每秒鐘改變多次。為了制造電動(dòng)機(jī)，你需要改變一塊叫做定子的固定著的電磁鐵的極性。磁性轉(zhuǎn)子會(huì)不斷地想要與定子一直改變的磁極對齊，這樣定子就會(huì)旋轉(zhuǎn)起來產(chǎn)生動(dòng)力。直流電機(jī)使用巧妙的機(jī)械換向器來改變極性；交流電機(jī)以電的方式直接改變電流方向。一旦特斯拉找到了如何將交流電與電機(jī)中電磁鐵的極性匹配的方法，他就取得了他最重要的突破之一。

交流電的勝利

愛迪生已經(jīng)為他的直流輸電系統(tǒng)找來了用戶，在紐約市的街道上架起電線，通向這些用戶家里。但喬治·威斯汀豪斯（George Westinghouse）已經(jīng)在研發(fā)一種與之競爭的交流輸電系統(tǒng)。他認(rèn)為特斯拉的發(fā)明可以讓他的方案比愛迪生的更具優(yōu)勢。

特斯拉明白，交流是驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)和電燈的更有效方式。更重要的是，可以使用線圈將“交流電”升壓。通過電磁感應(yīng)，一個(gè)線圈中的低電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪粋€(gè)線圈中的高電壓。高壓電流可以更有效地在電線中傳輸，然后通過降壓供家庭使用。特斯拉的電路是我們經(jīng)常在電線桿上看到的變壓器的前身。直流電無法升壓，要把它傳輸?shù)綆子⒗镆酝獾牡胤?，就需要更粗的電線。

交流電在特斯拉開始他的工作之前就已經(jīng)為人所知。但特斯拉設(shè)計(jì)了一個(gè)由發(fā)電機(jī)、輸電線路、電動(dòng)機(jī)、照明系統(tǒng)和其他電路組成的集成系統(tǒng)，使交流可以成為直流的替代品。1887年，特斯拉申請了七項(xiàng)與他的交流電有關(guān)的專利，這些專利沒有受到挑戰(zhàn)就得到了授權(quán)。西屋電氣公司（Westinghouse）在1888年買下了這些專利。

但是直流電還在大行其道。西屋電氣和愛迪生陷入了所謂的“電流之戰(zhàn)”。愛迪生首先發(fā)難，他聲稱交流電太危險(xiǎn)，公眾無法安全使用。1890年，愛迪生的一位名叫哈羅德·布朗的熟人安排一臺(tái)西屋交流發(fā)電機(jī)為一名死刑犯行刑，這進(jìn)一步強(qiáng)化了他的觀點(diǎn)。

但擁有特斯拉專利的西屋電氣可以證明，交流電是一種更有效的替代品。電流戰(zhàn)爭中沖突的最高潮發(fā)生在1893年至1894年的芝加哥哥倫比亞博覽會(huì)上。西屋電氣的供電成本遠(yuǎn)低于愛迪生的供電成本。他拿到了合同，并在特斯拉系統(tǒng)的基礎(chǔ)上為展會(huì)供電。世博會(huì)開幕時(shí)，成千上萬盞明亮的燈亮了起來，這令參觀者大吃一驚。這次演示消除了公眾對交流電的恐懼，交流電成為了電力系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)方案。

特斯拉實(shí)現(xiàn)了他童年的夢想：在尼亞加拉大瀑布建一座發(fā)電廠，這昭示了特斯拉的勝利。1890年，投資者在交流電和水力發(fā)電上下了重注，當(dāng)時(shí)這兩項(xiàng)技術(shù)都尚未得到檢驗(yàn)。1896年，特斯拉設(shè)計(jì)的發(fā)電機(jī)開始向電力系統(tǒng)供電，漫長而緊張的等待就此結(jié)束。最終，他們將電輸送到紐約市，照亮了百老匯。隨著世界各地開始修建水電站，電力時(shí)代悄然到來。

電流之戰(zhàn)已經(jīng)結(jié)束，但尼古拉·特斯拉已經(jīng)轉(zhuǎn)向更具遠(yuǎn)見的發(fā)明。

對電磁感應(yīng)的洞察

特斯拉的許多發(fā)明都是基于電磁感應(yīng)原理。19世紀(jì)30年代，英國科學(xué)家邁克爾·法拉第（Michael Faraday）證明，移動(dòng)的磁鐵會(huì)在導(dǎo)體中產(chǎn)生電流（此處有改動(dòng)）。正是這種電能在一定距離內(nèi)產(chǎn)生影響的能力讓特斯拉著迷，并啟發(fā)他產(chǎn)生了從交流電機(jī)到特斯拉線圈的各種想法。

特斯拉走向未知

即使是簡單的電流也會(huì)產(chǎn)生磁場。在高壓下振蕩的交流電會(huì)產(chǎn)生電磁波。海因里?！ず掌潱℉einrich Hertz）于1888年發(fā)現(xiàn)了電磁波，許多發(fā)明家加入了利用電磁波進(jìn)行無線通信或其他用途的競爭。

特斯拉被高頻電磁波迷住了。利用它們，他能夠做出：

? 充滿氖氣的燈。這種新型照明不需要發(fā)光燈絲；氣體本身可以發(fā)光。

? 使真空管在遠(yuǎn)處發(fā)光，不需要與波源有直接接觸。

? 把一根金屬棒加熱到非常高的溫度。

? 在50英里（80公里）之外的紐約州西點(diǎn)軍校，仍能探測到他在紐約的實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)生的電磁浪。

許多發(fā)明家為無線電的發(fā)展做出了貢獻(xiàn)，但古列爾莫·馬可尼因這項(xiàng)發(fā)明于1909年獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。特斯拉對自己的基礎(chǔ)性和獨(dú)創(chuàng)性貢獻(xiàn)得不到認(rèn)可感到不滿，早在馬可尼發(fā)明第一個(gè)原型機(jī)之前，特斯拉就已經(jīng)申請了專利。1943年，特斯拉去世幾個(gè)月后，美國最高法院終于承認(rèn)特斯拉的專利發(fā)明是馬可尼最初成就的基礎(chǔ)。

特斯拉看到了電磁波的另一個(gè)用途。他認(rèn)為它們讓大規(guī)模無線傳輸電能成為可能。1898年，他搬到科羅拉多州斯普林斯，建造了大型線圈，它們現(xiàn)在被稱為特斯拉線圈，特斯拉用這些線圈產(chǎn)生了巨大的電壓。有了它們，他能夠制造人造閃電。他在距離25英里（40公里）外的地方點(diǎn)亮了200個(gè)燈泡，并試驗(yàn)了通過空氣或地球自身傳送能量的方法。

一年后回到紐約，他說服銀行家J.P.摩根（J.P.Morgan）支持他建立一個(gè)可以在全世界范圍內(nèi)進(jìn)行無線通信的系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)可以將新聞、郵件甚至圖片進(jìn)行無線傳輸。特斯拉還在夢想著能傳輸電能。他在長島建立了一個(gè)名為沃登克利夫（Wardenclyffe）的實(shí)驗(yàn)室。在那里，他建造了一座187英尺（57米）高的木塔，并將鋼管打入數(shù)百英尺深的地下。隨著費(fèi)用的增加，摩根退出了這個(gè)項(xiàng)目。由于債臺(tái)高筑，特斯拉被迫在1905年摧毀了這座塔并放棄了實(shí)驗(yàn)室。但在他的余生中，他始終堅(jiān)信無線電力傳輸是可行的。

與此同時(shí)，特斯拉利用電磁波制造了一艘可以用無線電控制的船。他發(fā)現(xiàn)，在非常高的電壓下，他自制的真空管會(huì)發(fā)出可以穿透固體的射線，他創(chuàng)造了他所謂的“陰影圖”，因此成為第一批嘗試研究X射線的人之一。隨著時(shí)間的推移，特斯拉對高頻電磁波的研究形成了從微波爐到陰極射線電視顯像管等各種創(chuàng)新的基礎(chǔ)。

特斯拉把他的發(fā)明天才帶到了一個(gè)與愛迪生等同時(shí)代人不同的方向。他對高頻電和無線電波這一未知領(lǐng)域的探索為許多追隨他的發(fā)明家開辟了道路。

調(diào)諧

特斯拉所依賴的另一個(gè)重要原理是電共振的概念。導(dǎo)體（我們稱之為天線）甚至可以從數(shù)百英里外接收電磁波。但要從不同頻率的多個(gè)波中選擇一個(gè)，接收器需要“調(diào)諧”，也就是說，它需要在這個(gè)頻率下同電磁波發(fā)生共振。這和讓小提琴弦與音叉共振的想法是一樣的。特斯拉發(fā)明了一種調(diào)諧電路的方法，直到今天，我們?nèi)匀煌ㄟ^“調(diào)諧”接受廣播或電視。

特斯拉的遺產(chǎn)

一向古怪的特斯拉現(xiàn)在被認(rèn)為患有強(qiáng)迫癥。隨著年齡的增長，他的怪癖變得更加明顯。他有一種對細(xì)菌的恐懼癥，并且會(huì)拼命洗手。他只吃煮過的食物。他癡迷于數(shù)字三。他聲稱自己收到了來自外太空的信息。作為一個(gè)老人，他對鴿子情有獨(dú)鐘，他把鴿子偷偷帶進(jìn)了自己的酒店房間。

早在1891年，喬治·威斯汀豪斯的公司就瀕臨破產(chǎn)。為了幫助那個(gè)當(dāng)年信任他的人，特斯拉同意放棄西屋公司在交流電專利上所欠的版稅。這位發(fā)明家本可以靠這項(xiàng)賺數(shù)百萬美金，但現(xiàn)在卻一貧如洗。威斯汀豪斯于1914年去世，他從未對特斯拉的貢獻(xiàn)做出過充分補(bǔ)償。

然而特斯拉仍在繼續(xù)他的發(fā)明。他一生中至少獲得了275項(xiàng)專利。他留下了一長串的名單，其中許多是最終也沒實(shí)現(xiàn)的：

? 1904年，他發(fā)明了一種高效的無葉片渦輪機(jī)，但該設(shè)備沒有商業(yè)應(yīng)用。

? 他提議利用地?zé)?、太陽能和風(fēng)能發(fā)電。

? 在電離層被發(fā)現(xiàn)的幾年前他就推測電離層的存在，電離層是地球大氣層中的帶電層。

? 他為汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的一種火花塞申請了專利。

? 他發(fā)明了第一個(gè)基于機(jī)械振動(dòng)的電子鐘。

? 他的最后一項(xiàng)專利是一種垂直起飛飛行器，這將在很久以后成為現(xiàn)實(shí)。

特斯拉的想法并非都奏效。他的無線電力傳輸夢想從未被證明是可行的。他駁斥了愛因斯坦的工作，而他駁斥的內(nèi)容將構(gòu)成現(xiàn)代物理學(xué)的基礎(chǔ)。在第一次世界大戰(zhàn)期間和之后，特斯拉研究了一種“死亡光束”，但在科幻電影之外，它從未被實(shí)現(xiàn)。

1943年，特斯拉在紐約一家酒店中孤獨(dú)中去世，享年86歲。

“總有一天，”特斯拉在1915年預(yù)測，“比如說，全世界將建立六個(gè)巨大的無線電站，地球上的所有居民不僅通過聲音，還可以通過畫面，聯(lián)系彼此?！?/p>

聽起來熟悉嗎？該不會(huì)這就是我們用的手機(jī)吧？

作者：John Kelly

翻譯：Nothing

審校：藏癡

原文鏈接：

https://science.howstuffworks.com/innovation/famous-inventors/nikola-tesla.htm

翻譯內(nèi)容僅代表作者觀點(diǎn)

不代表中科院物理所立場

標(biāo)簽： 交流電機(jī) 電磁感應(yīng)