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乐橙第二章电动机之梦(1878—1882)

2020-08-27 21:19

  特斯拉于1875年秋到达格拉茨,开始了在约阿内理工学校的学习。约阿内成立于1811年,当时是作为约翰大公送给施蒂利亚(奥地利的一个省)的公爵们的礼物,并于1864年成为一间理工院校。与在维也纳、布拉格和布尔诺的院校一道,约阿内是奥匈帝国提供工程学位的四间学校之一。

  尽管学校提供学习土木工程的课程,特斯拉最初还是报读了数学和物理学,目的是将来做教授。2这样做,他就能追随约瑟夫叔叔的脚步,因此特斯拉选择数学和物理学的原因也许是为了取悦父亲。尽管很想支持这个剩下的儿子,米卢廷可能还是觉得很难想象特斯拉当工程师能干些什么,然而做数学教授或教师看起来可能更像一个靠谱的职业。3

  在约阿内,特斯拉很擅长数学,然而他最喜欢的课程是雅各布·波西尔(Jacob Pöschl)教授讲授的物理学。特斯拉回忆说:“波西尔教授很特别;说到他,据说他同样的外套穿了二十年。然而,他授课时的完美阐述足以弥补他在个人魅力方面的欠缺。我从未见过他用错一个词或一个手势,并且他总能如同钟表般精密地完成他的论证和实验。”4

  在波西尔的课堂上,特斯拉获得了一套进入电学之门的系统化方法。假设波西尔也像其他典型的19世纪电学讲师那样,那么他就多半会提供一个电学的历史概览,从古希腊人讲起,并逐步进展到直流发电机和电气照明的最新发展。为了能了解特斯拉后来在电方面的发明,让我们按照波西尔在1876年左右为特斯拉所传授的那样,回顾一下电学入门的重要主题。

  虽然早在古希腊时期,人们就知道琥珀摩擦丝绸能产生静电,然而我们对电的现代理解始于17世纪后半叶和18世纪。一些研究者如亨利·卡文迪什和本杰明·富兰克林系统化地研究了静电。这些自然哲学家的研究集中在怎样让不同的物体带电,以及其所发出的火花问题。19世纪初,电气科学迅猛发展,从对静电荷的研究扩展到对当时被称为动电(或电荷如何流经导体)的研究。在路易吉·加尔瓦尼工作的基础上,亚历山德罗·伏打于1800年证明了把两种金属隔以在酸中浸泡过的纸交替放置就能产生电荷流动。伏打用金属与浸过酸的纸所做的叠层,被称为电堆,是世界上第一个电池。当化学家和哲学家们还在热烈争论是什么导致伏打电堆中产生电的时候,其他科学家已经在用它进行新的实验了。5

  在这些科学家当中有汉斯·克里斯蒂安·奥斯特,他在1820年发现了电与磁之间的关系。奥斯特把一根导线接到伏打电堆,然后在导线下放了一个磁罗盘。让奥斯特惊奇的是,当他把导线与电堆连接或断开的瞬间,罗盘的指针会发生偏转。安德烈-马里·安培重复了奥斯特的实验,并且确定了是电荷流动(即电流)在与指针的磁力相互作用并使之运动。但电流、磁力与运动之间的确切关系是什么呢?

  1831年,迈克尔·法拉第回答了这个问题。通过采用一个环形导线线圈和一个条形磁铁,法拉第证明了电磁感应定律。法拉第发现,如果把磁铁在环形线圈中移进移出,就能在线圈中感应或产生电流。反之,如果让电流通过线圈,磁铁也会相应地运动(图2.1)。然而,不管是为达到产生电流还是产生运动的效果,都需要把线圈与条形磁铁配置成互相垂直。事实上,感应出的电流方向是在与线圈和磁铁都垂直的第三个方向上。今天的工程师称之为右手定则(图2.2)。

  通过把条形磁铁在线圈中移进移出,法拉第就能感应产生使电流计指针来回摇摆的电流。

  电气工程师用这个规则来记住导体通过磁场时如何感应出电流。如果导体(例如图示中的杆状物)沿拇指方向运动,它就会切割磁场中食指方向的磁力线,所产生的电流将会在导体中沿中指方向流动。

  法拉第进一步认识到奥斯特关于只有当打开或关闭电流的瞬间罗盘针才会偏转(而当电流稳定地通过导线时,罗盘针不会偏转)这一观测的意义。法拉第推测磁铁和电线圈各自都被一个电磁场(通常被描述为一系列力线)包围,并且当其中一个场发生改变时就能产生电流或运动。当打开或关闭奥斯特导线中的电流时,也就为导线周围的场提供或切断了能量,并且这个变化与罗盘针周围的磁场交互作用,导致指针摆动。正如我们将看到的,变化的场能感应出电流或产生运动这种认识对特斯拉的电动机工作来说是必不可少的。

  19世纪中叶几十年的情况表明,很难让科学家们完全领会法拉第理论的精妙之处。然而,通过着眼于法拉第用以证明其想法的小模型,实验者和仪器制造者们迅速把握了其想法的精髓,并改装出各种各样的发电机和电动机。对于这些动手派的研究者来说,法拉第电磁感应定律可归结为:如果想建造发电机,就把导体穿过磁场,那么导体中就会感应出电流;同样地,如果想做个电动机,那么就用电流产生出可导致磁铁或导体运动的电磁场。6

  在运用法拉第发现的电磁感应时,实验者们很快为发电机和电动机增加了几个新特性。首先,为了发电,他们想利用来自手动曲柄或蒸汽机的旋转运动。反过来,他们也谋求能采用电流来产生旋转运动的电动机。其次,研究者们也开始渴望电机能产生或消耗像来自电池那样的电流,他们希望能使用拥有稳定电压的电流,也就是所谓直流电流(DC)。19世纪四五十年代,通过中断直流电流以发送信号的电报系统的快速发展可能助长了直流电的风靡。

  为了同时确保这两种特性(旋转运动和直流电流),电气实验者们采用了一个换向器。在发电机和电动机中通常都有两组电磁线圈:固定的一组被称为励磁线圈或定子,而旋转的一组被称为转子。而换向器是这样一个设备,电流经由它进出转子。换向器是由伊波利特·皮克西(Hippolyte Pixii)1832年在巴黎推出的,并进而成为直流电动机和发电机中必不可少的部件(图2.3)。

  图 2.3伊波利特·皮克西的磁力发电机,带有诞生于1832年的首个换向器

  左图显示了磁力发电机,而右图则详细描绘了换向器。转动机器底部的曲柄就能操作这台磁力发电机。转动曲柄导致机器顶部的电磁铁下方的马蹄形磁铁旋转。当马蹄形磁铁运动时,其磁场在电磁铁中感应出电流。这个电流流经机器垂直支架上的导线并到达位于曲柄与马蹄形磁铁之间的轴上的换向器。电流经由两根卷曲的导线离开磁力发电机。

  如右图所示,换向器位于轴A上;轴A把磁力发电机底部的手动曲柄和齿轮组跟旋转磁铁连接起来。换向器由两个空心圆柱形金属件(M1、M2)和四个金属弹簧或电刷(F1、F2、f1和f2)组成。触片M1和M2彼此电绝缘,如图中它们之间的深黑色线所示。S代表磁力发电机顶部两个电磁铁中的电流通路,而s代表磁力发电机外部的电路。

  当轴A旋转时,四个电刷沿触片的表面滑动。当马蹄形磁铁旋转时,在电路S中感应出电流并通过F1和F2送到换向器。电流通过电刷f1和f2离开磁力发电机。如果触片M1和M2被正确地定位在轴上,那么电刷f1与f2就会刚好在电路S中的电流方向发生反转的时刻通过触片之间的绝缘层。这样,换向器就能把马蹄形磁铁在电磁铁中感应出的交流电转换成直流电。

  要理解换向器是如何工作的,我们要依次看一下发电机和电动机的内部运作(图2.4)。根据法拉第电磁感应定律,当转子旋转并切割穿越励磁线圈所造成的磁场时,发电机中就会产生电流。如果我们只是追踪由转子线圈中的一条回路所造成的电流通路,我们可以看到,当回路向下摆动穿过磁场的时候,就会感应出向一个方向流动的电流(按照如图2.2中的右手定则所示)。同样地,当回路继续旋转,然后它会向上摆动穿过磁场并感应出向相反方向流动的电流。如果希望使用这个交流电(AC),那么只需在转子回路的两端各自连接一个滑环,这样就能引导电流离开发电机。然而,如果像许多19世纪的实验者们那样想得到直流电,那么就需要在发电机的一端收集所有流向一个方向的电流,而在另一端收集所有流向相反方向的电流。为了达到这一要求,需要在转子轴上放置一个由金属圆柱体组成的换向器,该金属圆柱体被分割为几个互相绝缘的扇形柱体(图2.5)。两个静触头或电刷靠在圆柱体的两侧并被恰当地安装定位,以确保当转子中的电流反转方向时,触片与电刷的连接也发生反转,因此发电机送出的电流总保持同一方向。

  N和S是定子的磁极。转子显示为附在轴和曲柄上的方形导线回路。换向器是两个位于回路与曲柄之间的半圆柱体。如果转动曲柄,转子就会旋转穿过定子的磁场并且转子中会感应出交流电。这个电流将会流向换向器并在那里被转换成直流电。

  换向器由四个半圆形触片和两个水平电刷组成。通常,触片之间包含绝缘体,不过没有在这个图中画出来。在这个示意图中,触片连接到缠绕在鼓形转子上的线圈。随着转子在磁场(未画出)中旋转,线圈中就会感应出电流并流向触片。电刷通过接触触片收集电流并携带到发电机外部。

  在直流电动机中,换向器几乎以同样的方式工作,不过其作用是把电流发送到转子。通过换向器,我们可以使电流流经转子线圈中的回路,并在回路周围产生一个电磁场。同时,我们也可以使电流通过电动机的励磁线圈或定子线圈从而设置另外一个电磁场。现在,如果可以使围绕转子回路的电磁场与定子线圈产生的场保持同向,那么这两个场就会互斥从而导致转子转动。(回想一下在磁铁中异极相吸,同极相斥。)然而,当回路摆到另外一边时,就需要一个向相反方向流动的电流以产生一个被定子场排斥的场。因此,为使转子连续旋转,就需要定期反转电流以确保转子线圈的不同部分始终具备适当的场从而被定子线圈所产生的场排斥。这个电流反转是由换向器提供的,在这里换向器的功能是充当一个旋转开关,把电流以适当的方向发送到转子线圈的各个部分。

  我们在这里稍为深入讨论了换向器如何在直流电动机和发电机中工作的一些细节,这是因为换向器是旋转电机的关键部件。然而,换向器也曾是(并且现在仍是)直流机的阿喀琉斯之踵:它们制造复杂并往往会迅速磨损。如果触片之间电绝缘不够充分或电刷因调整不当而同时触及太多触片,换向器常常会发出火花。我们马上将会看到,特斯拉一开始就断定换向器是电机中的核心问题并着手消除之。

  那是在1876—1877年波西尔的一次授课中,开发交流电动机的挑战首次呈现在特斯拉面前。7学校最近从巴黎购得了一台格拉姆直流发电机(图2.6)。这台机器由比利时仪器制造者泽诺布·T. 格拉姆(Zenobe T. Gramme)开发,电气实验者们兴奋于它能产生更强大更稳定的直流电。到19世纪70年代末,有好几个欧洲发明者利用格拉姆直流发电机为最早的一批商用弧光灯照明系统供电。8

  7根据特斯拉的成绩单(前面的注释3中引述过),他在1876—1877年选了波西尔的两门课。

  8在19世纪,发明者们开发了两种形式的电力照明,即弧光灯照明和白炽灯照明。在弧光灯中,一个强大的电流通过两根碳棒;随着两根碳棒被轻微拉开,火花跳过碳棒之间的间隙并产生灿烂的光。参见:Carlson,Innovation as a Social Process, 80–82.

  波西尔教授使用这台新的格拉姆直流发电机向学生讲解电流。直流发电机的一个普遍用法是用来演示电如何把能量传输一段距离。这个特性是由格拉姆公司的伊波利特·方丹(Hippolyte Fontaine)1873年在维也纳的万国博览会上首次揭示的。方丹用一台格拉姆直流发电机产生一个电流,然后通过导线送到另一台直流发电机,这第二台发电机充当电动机。9电气技师们振奋于这个演示,因为它揭示了在工厂和交通运输中使用电动机的潜在可能。在此之前,人们认为电动机只能由昂贵的电池提供能量,因此只有有限的应用,而现在方丹展示了电动机可由直流发电机带动。此外,方丹首次演示了在机器上即使没有通过低效的轴、传送带或传动绳连接的蒸汽发动机,也能把能量从一处传到另一处。现在可以有这样一个电力传输系统,使得人们能在方便的时候发电然后在需要的时候用电。

  为了演示以电的形式传输能量,波西尔在他的格拉姆直流发电机上接了一个电池,以便把发电机当电动机来用。10尽管可以把直流发电机当电动机用,然而需要仔细调节换向器电刷以防止出现火花。波西尔难以调节格拉姆直流发电机的电刷,特斯拉回忆道:“当波西尔教授演示把这台机器当电动机来用的时候,电刷出了麻烦,产生了严重的火花。我提出不用这些配件也可能可以操作电动机。但他宣称不可能做到,并让我有幸就这一主题做了一个演讲。而他对这一演讲的评论是:‘特斯拉先生可能会大有可为,但这件事他肯定做不到。这件事当中的情形就好比是把一个像重力那样的稳定的拉力转换成一个旋转的力。而特斯拉的想法可是一个永动机方案,是不可能实现的。’”11

  尽管这位好教授波西尔的意图可能是为了防止特斯拉的意见干扰其他学生理解电动机如何工作,但他就着特斯拉的插话提出了一个更一般的观点。19世纪的科学家和工程师们清楚地知道工业革命中用以驱动机器的旋转运动不是天然现成的。许多力(例如重力、磁力或电流)通常表现为线性力,这意味着它们是单一方向的推力或拉力。为确保从这些线性力中获得想要的旋转运动,需要某种转换设备。如果想了解这些转换设备的例子,只需看一下水车如何转化河流的线性流动,或蒸汽机的曲柄和飞轮如何把活塞的往复运动转换成旋转运动。对波西尔来说,换向器是个转换装置,它把线性电流转换成导致转子旋转的一系列交替脉冲。由于这些转换设备总是在从线性运动到旋转运动的转换中吸收了一些能量,因此特斯拉的想法(无换向器的电动机)在波西尔看来违背自然规律,所以嘲弄地称之为永动机方案。

  波西尔本想他的评论能抑止特斯拉的奇思怪想,没想到却激起了特斯拉的胸中猛虎。面对冒火花的电刷和波西尔的责难,特斯拉明显感受到了挑战。特斯拉后来回忆道:“本能在某种意义上超越了知识。毫无疑问,当逻辑演绎或大脑的任何其他有意的努力徒劳无功的时候,我们拥有能使我们感知真理的某些更细的神经纤维。有一段时间慑于教授的权威我动摇过,不过我很快相信我是对的,并怀着初生牛犊的满腔热血与无限信心承担了这个任务。”12

  为了能承担起建造无火花电动机的挑战,特斯拉放弃了成为教师的计划,并于在约阿内的第二年改学工程课程。就像19世纪70年代后期欧洲和美国工程学校的典型情况那样,这个课程体系专注于土木工程而不是电气工程。所以当特斯拉在19世纪80年代后期首次向记者描述他的教育背景时,他声称自己在约阿内是被培养为土木工程师。13

  尽管特斯拉的工程学习可能会促使他建造电动机测试模型并进行实验,但是他仍旧选择在想象中研究这个问题:“我开始先在头脑中想象一个直流机,开动它并跟随转子中电流的流动变化。然后我就想象一个交流发电机并以类似的方式研究其所发生的过程。接下来我就形象化地设想多个包含电动机和发电机的系统并以各种方式操作它们。我看到的图像对我来说是完全线NT,My Inventions

  我们在这里看到,特斯拉分两步概念化了他的电动机。首先,尽管他是从思考类似于格拉姆发电机的直流机入手的,然而他已决定其解决方案将涉及交流电。鉴于19世纪70年代后期多数用电所做的工作都使用直流电,我们可能会好奇,他为什么能做出从直流电到交流电的转变。那时在巴黎,有两个电气技师,保罗·亚布洛奇科夫(Paul Jablochkoff)和迪厄多内·弗朗索瓦·兰丁(Dieudonné François Lontin),正在用交流电为同一个电路上的几个弧光灯供电。不过,不太可能特斯拉作为格拉茨的一个学生曾听说过他们的工作。15

  相反,不是受到已有交流电动机的启发,特斯拉是在仔细检查了直流电动机是如何运作的之后才选择使用交流电。正如我们前面所讨论的,直流电动机中的转子转动,是因为在任意给定时刻,转子线圈中流动的电流会产生一个反抗定子线圈所确立的电磁场的电磁场。为保持转子旋转,换向器周期性地反转流经转子绕组的电流;当转子的一部分刚好从定子磁场的一边旋转到另一边时,换向器自动地反转电流,因而在转子的那一部分的电磁场就被定子场排斥。特斯拉想,既然电动机中的转子场有规律地交替变化,那么何不用发电机提供的交流电来产生这个场?特斯拉可能认为,通过使用交流电,由于换向器不再需要反转送到转子的电流,因此换向器冒火花问题会减轻。其次,除了选择在电动机中使用交流电,特斯拉还决定不是只专注于一台电动机,而是“形象化地设想多个包含电动机和发电机的系统”。一个1878年的二年级工科学生是如何具备做这件事的足够知识,这又是一个未解之谜。当时,电气发明者们在构建直流发电机和弧光灯组合的系统,不过他们并没有把他们所做的事当成有意设计的系统加以描述。然而,波西尔可能告诉过特斯拉关于方丹在维也纳的演示,我们可以推测特斯拉可能从中抽象出把电动机和发电机当成一个系统的想法。方丹曾经通过把直流发电机和电动机连接在一起传输电力,而可能是连接这两个设备的挑战吸引了特斯拉。特斯拉对构建通过电池运行的电动机不感兴趣,他想创建的是能与发电机一起有效工作的电动机。我们将看到,特斯拉的这个从系统角度思考的决定意味着,由于他将会操控电动机所在系统中的所有部件而不只是电动机的一些部分,因此他没有落入以任何特定方法思考电动机的窠臼。把电动机当作系统的一部分来思考被证明实为他最终成功的关键。

  在约阿内的第一年,特斯拉是个勤奋的学生。“我下定决心给父母一个惊喜,”特斯拉写道,“第一年整整一年我都有规律地在凌晨三点开始工作,并且持续到夜里十一点,连星期天和假日也不例外。由于我的多数同学做事图轻松,我自然足以超越所有的记录。在那一年中我通过了九门考试并且教授们认为即使给我最高资格也不为够。”

  特斯拉带着这些讨人欢喜的考试证明回到家里,兴奋地向父亲展示他的所成所就。然而,米卢廷指责了这些成就。“这让我的雄心壮志几乎荡然无存,”特斯拉说,不过后来,在他父亲死了以后,“我痛苦地发现了教授们写给他的一沓信,其效果是让他以为除非把我带离学校,否则我会过劳死。”惊吓于过劳将会使他失去第二个儿子,这位父亲试图抑制一下这位年轻人的学习热情。

  米卢廷的责罚令特斯拉心生疑虑:如此努力学习是否会有任何情感上的奖励?除了学业之外,人生中是否可能还有更多可为之事?根据前室友科斯塔·库利日奇(Kosta Kulišić)的说法,到了在格拉茨第二年结束的时候,特斯拉的态度经受了一个剧烈的变化。有一天,特斯拉遇到了一个德国文化俱乐部的会员,后者显然是嫉妒一个塞尔维亚人能学习这样好。这个讲德语的学生一边用手杖轻轻敲打特斯拉的肩膀,一边说:“为什么要在这里浪费时间;最好回家去‘坐冷板凳’,这样教授们就会赞你更多。”为回应这一挑衅,特斯拉没有回房间去学习,而是决定要向同学们展示一下他也能像他们一样寻欢作乐。特斯拉开始与其他学生在格拉茨植物园游荡,在那里待到很晚,并过量地吸烟和喝咖啡。他学会了玩多米诺骨牌和象棋,并成为一名熟练的台球玩家。不过,最严重的是,他迷上了玩扑克牌和赌博。“坐下来玩纸牌,”特斯拉后来说,“对我来说是快乐的精髓之所在。”18

  My Inventions, 37; ONeill,Prodigal Genius, 43.特斯拉于1877年秋天返回格拉茨,这是他的第三学年,然而他对狂欢和赌博益发感兴趣而不再上课,并且大学记录表明1878年春天他没有报到。这无疑导致了他的军事奖学金被取消。1878年9月,特斯拉给位于诺维萨德的亲塞尔维亚报纸《蜂王》(Queen Bee)写信,请求帮助确保另一份奖学金以便他能在维也纳或布尔诺继续工程学习。特斯拉告诉报社,他因为生病才不得不放弃军事奖学金,而他现在也解除了“那沉重的义务”。关于资格,特斯拉宣称他现在能讲意大利语、法语和英语,并在信中署名为“尼古拉·特斯拉,技师”。19

  但是出版《蜂王》的亲塞尔维亚团体拒绝了特斯拉的奖学金申请。在没有告知家人的情况下,特斯拉于1878年晚些时候离开了格拉茨并搬到位于奥地利施蒂利亚省(今天的斯洛文尼亚)的马里博尔(Maribor)。马里博尔距离格拉茨72公里,距离他在戈斯皮奇的家人298公里。在马里博尔,特斯拉在一个由名叫德鲁什科的师傅经营的模具作坊找到了一份绘图员的工作。到了晚上,特斯拉在火车站附件的一家叫作快乐农民的酒吧打发时间。一个偶然的机会,他的老室友库利日奇于1879年1月刚好经过马里博尔,并惊奇地发现特斯拉坐在快乐农民酒吧打牌耍钱。库利日奇很欣慰地看到他的朋友还活力十足,因为特斯拉从格拉茨失踪以前非常沮丧。当库利日奇问他是否想回格拉茨完成学业时,特斯拉冷静地回应道:“我喜欢这里;我为一个工程师工作,每月收入六十福林,每个项目完成时还能赚多一点。”20

  Prodigal Genius, 44.库利日奇任由特斯拉玩牌和做工程工作,不过给特斯拉在戈斯皮奇的家人送了个口信说特斯拉住在马里博尔。1879年3月,米卢廷去马里博尔恳求他的儿子回来,并提议说他可以在布拉格恢复学业。米卢廷尤为愤怒的是,他的儿子已经开始赌博,他认为那是一项毫无意义的浪费时间和金钱的活动。关于赌博的问题,特斯拉回答道:“只要我愿意我随时都能收手,但放弃那我愿以身处天堂的快乐换取的活动,又是否值得呢?”特斯拉没有服从父亲并拒绝回家。沮丧绝望的米卢廷回到家里,一病不起。21

  Tesla: The European Years, 17.在父亲来访的几周之后,特斯拉在马里博尔被警察当作“流浪汉”逮捕,并被遣送回戈斯皮奇。22看到儿子被警察带回来,米卢廷心碎欲绝,于1879年4月17日(旧历)去世,享年60岁。第二天,司祭们从该地区的各处赶来并为米卢廷举行了一场“圣徒规格的葬礼仪式”。23

  特斯拉在父亲死后不知道该做什么,留在戈斯皮奇继续赌博。母亲久卡就像父亲一样担心,不过她“知道一个人只有通过自己的努力才能获得救赎”,因此她采用了不同的方法。一天下午,特斯拉输了所有的钱还想再来一场,她给了他一卷钞票说:“去吧,玩得开心点。你越快输完我们拥有的一切越好。我知道你能过得了这道坎。”作为对母亲的回应,特斯拉直面赌瘾:“我当场就征服了我的嗜好……我不只是克服了,而且是从心里连根拔起,没有留下一丝欲望。”24

  特斯拉最终决定他将尊重父亲的遗愿并前往布拉格的学校。为此,他找了舅舅佩塔尔·曼迪克(Petar Mandic)和帕夫莱·曼迪克(Pavle Mandic),他们同意资助他。由于特斯拉现在已决定在奥地利定居,因此去布拉格是合理的安排,乐橙。并且在布拉格的大学里他可以进一步学习使他能在奥匈帝国立足发展所需要的语言。1880年1月,特斯拉搬到布拉格,入读了卡尔-费迪南德大学。尽管他到得太晚没能赶上注册春季学期,他还是在夏季登记参加了数学、实验物理和哲学课程。25

  特斯拉还选了卡尔·施通普夫(Carl Stumpf)的题为《大卫·休谟与人类智力研究》的特别课程。施通普夫向特斯拉介绍了把心智当作白板的概念:人类生而具有一个空白的心智,并在生活中通过感官的感知逐步成形。这与他已经开始形成的关于其想象力如何运作的观念是一致的,并且他后来于19世纪90年代将吸取施通普夫的想法以开发他的自动机或无线遥控船(参见第十二章)。26

  Wizard, 19.在布拉格,特斯拉继续苦苦思考制作电动机的问题。“在那古老而有趣的城市中,其气氛有利于发明,”特斯拉记得,“那里充斥着求知若渴的艺术家,并且到处都能找到靠头脑吃饭的公司。”27特斯拉在这种环境中感到亢奋,他回忆说:“我取得了决定性的进展,包括把换向器从机器中分离并研究在这种新情况下的现象,不过还是没有结果。”28

  他这里的想法是,把换向器放在独立的支架或柄轴上,使之离开电动机的框架。他可能认为他能通过增加转子与换向器之间的距离来消除火花。尽管这种思路尚未产生任何突破性的结果,然而想象这些机器的过程还是帮助特斯拉了解了电动机是如何工作的。“每天我都在想象这个计划的具体安排,虽然思而无果,”他提到,“但感觉到解决方案越来越近了。”

  在布拉格的时候是舅舅们资助了特斯拉,但是他们不能永远把他当学生资助。正如一篇早期的传记文章所说的,在布拉格时特斯拉“开始感到压力,并且越来越陌生于弗朗西斯·约瑟夫一世的形象”,也就是展现在货币上的当政奥匈帝国皇帝的肖像。最终,当舅舅们不再汇钱来的时候,他“成了思想发达生活朴素的典范;不过他下定决心要奋斗并决定完全靠自己的本事挺过去”。

  特斯拉选择布达佩斯是因为他在布拉格的报纸上读到,蒂瓦道尔·普什卡什(Tivadar Puskás)已经获得了托马斯·爱迪生的许可要在那里建造电话交换机,并让其兄弟费伦茨(Ferenc)监管该项目。由于费伦茨曾是胡萨尔轻骑兵团的一名中尉,而特斯拉的舅舅帕夫莱也在该兵团服役,所以特斯拉请求舅舅向费伦茨推荐自己以得到一份帮助建造新交换机的工作。

  普什卡什家族属于特兰西瓦尼亚贵族,而蒂瓦道尔年轻时学过法律和技术学科。蒂瓦道尔是一个发起人和企业家,曾前往美国寻找机会。在科罗拉多试手掘金之后,他开始对电报和电线年,普什卡什乘坐着豪华大马车并挥舞着一卷千元大钞在门洛帕克拜访了爱迪生,给当地留下了深刻的印象。爱迪生对普什卡什表示了喜爱,并向他展示了他当前所有的发明,包括留声机。普什卡什对他看到的每样东西都很激动,并提出他愿意自费在欧洲办理爱迪生的电话和留声机的专利,目的是换取专利收益的1/20。33这个交易可能让人好奇,到底是普什卡什占了爱迪生的便宜,还是爱迪生占了普什卡什的便宜。普什卡什担任爱迪生在欧洲的代理商多年,并积极参与电话、留声机和电灯的推广。

  普什卡什向爱迪生提议说可以在欧洲的主要城市建立电话交换机。到目前为止,爱迪生和亚历山大·格雷厄姆·贝尔主要考虑了在连接两个位置的私有线路上安装电话机,而普什卡什的交换机计划(成百用户能通过交换台彼此连接)吸引了爱迪生。34带着爱迪生的祝福,普什卡什于1879年在巴黎设立了一台电话交换机。其兄弟费伦茨在帮忙设立巴黎的交换机后返回家乡布达佩斯,要在那里建立一台交换机。34

  但是费伦茨·普什卡什不能马上雇佣特斯拉。最可能的原因是,普什卡什兄弟还需要一些时间为布达佩斯的交换机筹措资金。相反,在普什卡什兄弟或其他朋友的帮助下,特斯拉谋得了匈牙利政府中央电报局的绘图员工作。尽管只有五美元的微薄周薪,然而这份工作让特斯拉接触到了实际的电气工作。“我很快赢得了总督察的注意,”特斯拉后来回忆说,“之后他让我从事关于与新站点连接的计算、设计和估算。”然而特斯拉发现很多的工作很无聊,包含了太多的例行绘图与计算工作,这让他不喜欢。“到那时他已为公共利益开了几十万个平方根和立方根,”据一篇报道说,“这个职位的局限性、低收入和其他问题让特斯拉明显感到痛苦。”35

  不满于在电报局的工作,特斯拉辞了职并决定专心发明。像许多新手发明者一样,特斯拉自信能快速开发出一项能养活他的伟大发明。“他马上开始做出发明,”一个后来的故事提到,“然而这些发明只有在对之有信心的人眼里看来才有价值,所以它们没有带来什么实际帮助。”36饱受挫折的特斯拉“神经完全崩溃”并陷入深深的抑郁之中。37

  特斯拉相信自己会就此死去,不过在一位新朋友安东尼·西盖蒂(Anthony Szigeti)的帮助下他最终康复了。在布达佩斯,他开始“接触到许多我感兴趣的年轻人。其中一位是西盖蒂先生,他是仁爱的标杆。他的头很大,在一边有一个可怕的肿块,并且面色萎黄,这都使他显得很丑陋,然而他自脖子以下的躯体可以媲美阿波罗雕像”。西盖蒂“是一个拥有非凡体能的运动员,是匈牙利最强壮的人之一。他把我拽出房间并强迫我做体育锻炼……他救了我的命”。

  38就像特斯拉一样,西盖蒂也喜欢台球,然而他对电气玩意儿也感兴趣,并鼓励特斯拉继续概念化他的电动机。在西盖蒂的帮助下,特斯拉获得了38

  生活和继续工作的强烈愿望……我的头脑活力与健康一起恢复了……我要做一件事可不像一般人无志者常立志。对我来说那是神圣的誓言,是关乎生死的问题。不成功毋宁死……解决方案潜藏在我的大脑深处,然而我还不能把它外在地表达出来。

  我在回忆录中提到过,一天下午,我和朋友在城市公园里一边惬意地散步,一边背诵诗歌。在那个年龄我心里能记下整本整本的书,只字不差。其中一本是歌德的《浮士德》。太阳刚刚下山,让我想起了那恢宏的篇章:落日西沉,白昼告终,

  40特斯拉在1903年的专利证词中没有提到1882年在布达佩斯当着西盖蒂在沙中画图。然而他的确回忆了大约1883年在巴黎外边的爱迪生灯泡厂,他在尘土中画图向几个同事讲解他的电动机。

  My Inventions, 61.[《浮士德》的译文取自董问樵的译本。——译者注]

  这个日落与歌德的故事是如此充满了戏剧性,我们必须小心解读那个时刻。的确,特斯拉在1919年的自传中是用那种方式叙述他的交流电动机发明过程,但是在1903年的专利证词中,特斯拉完全没有提到跟西盖蒂一起在公园的时候有过一个尤里卡时刻。从法律的角度看,把发明的时刻设在1882年是有利的,因为这将支持特斯拉宣称他是发明交流电动机的第一人。42

  42西盖蒂1889年证实特斯拉1882年5月在巴黎跟他讲过多相电动机,不过他没有谈到在布达佩斯的尤里卡时刻。参见:Szigeti, 1889 deposition.不管怎样,显然他在布达佩斯时有过重大突破。基于他在布达佩斯之前所知道的以及他在1883年和1887年所做的后续实验(参见第三章和第四章),这个突破包含三个相关的洞见:首先,特斯拉意识到不必发送电流而是利用感应出的涡电流就能让电动机中的转子旋转;其次,他意识到通过在定子绕组中创建旋转磁场就能在转子中感应出涡电流;最后,特斯拉预感到使用交流电总有办法产生旋转磁场。

  1824年,罗盘指针在其下方旋转铜盘作用下的古怪行为迷住了法国科学家弗朗索瓦·阿拉戈(François Arago)。如果铜盘旋转得足够快,罗盘指针不仅会偏离指北而且还会开始旋转(图2.7)。在阿拉戈报告了他的发现之后不久,英格兰的查尔斯·巴贝奇(Charles Babbage)和约翰·赫歇尔(John Herschel)证明了相反的现象:如果在一个置于轴上的铜盘下方旋转一个马蹄形磁铁,铜盘也会旋转。自然哲学家们对阿拉戈铜盘感到困惑并想知道磁力与运动的关系。

  由于转子中能感应出电流,所以不必用换向器向转子提供电流。因此,他确实可以消除换向器及其火花。由于19世纪80年代早期的多数电气技师认为必须在转子和定子中都有电磁铁才能使电动机产生显著的机械力或扭矩,因此特斯拉不向转子提供电流的决定是对当时主流做法的重要偏离。45

  在知道了感应电流能导致转子转动之后,特斯拉跟着快速找到了第二个也是最重要的洞见:为了在转子中产生电流,需要一个旋转磁场。一如巴贝奇和赫歇尔在铜盘下旋转马蹄形磁铁的情形,特斯拉现在意识到他的电动机的关键是在定子绕组中创建旋转磁场。当磁场在铜盘转子周围旋转时,应该能导致铜盘旋转。

  值得注意的是,特斯拉是通过颠覆常规做法找到了他的第二个洞见。此前,多数电气专家设计的都是直流电动机,在其中定子磁场保持不变,而转子的磁极通过换向器改变。相反,特斯拉选择反过来做:与其改变转子的磁极,为什么不改变定子的磁极呢?特斯拉发现,如果定子中的磁场旋转,就能在转子中感应出一个对抗的磁场因而导致转子转动。我们将会看到,敢于颠覆常规、标新立异是特斯拉发明风格的一个显著特征。

  然而与巴贝奇和赫歇尔不同的是,特斯拉不想通过在转子下方以机械方式转动磁铁而创建旋转磁场;有效的电动机应把电能转化为运动,而不是把运动转化为运动。那么特斯拉是如何用电流产生旋转磁场的呢?

  这将把我们带到特斯拉在公园里的第三个洞见。基于他广泛深入的脑力设计,特斯拉预感到通过使用一个或多个交流电流总有办法产生旋转磁场。如果是这样的话,那么他的思想与同期英国物理学家沃尔特·贝利(Walter Baily)的想法类似,贝利于1879年报告了如何用两个电流使阿拉戈铜盘旋转。贝利用的不是马蹄形磁铁,而是在铜盘下方放了四个电磁铁(图2.9)。贝利把这些线圈两两对角连接串联起来,然后他把每对电磁铁连接到旋转开关,该开关控制从两个独立电池到两对电磁铁的电流。当贝利旋转开关的时候,电磁铁被依次供电成为磁极的北极或南极,其效果是铜盘下方的磁场发生旋转。身为科学家的贝利似乎觉得知道电流能用于转动阿拉戈铜盘就已经够了,而这个电动机在他看来只是一个科学玩具。

  同样,也没有证据表明特斯拉1882年在布达佩斯的时候知道贝利的电动机。然而,贝利的电动机能帮我们形象地了解特斯拉通过自己的脑力设计获得的重要洞见——总有办法用一个或多个交流电流产生旋转磁场。特斯拉可能是在反思歌德的夕阳西下之后继而向前的意象时获得了这个使用交流电的直觉。事实上,特斯拉作为一个26岁的年轻人在仅凭想象力而没有参考阿拉戈铜盘和贝利电动机之类的设备的情况下获得了这一洞见,这是令人折服称道的。

  30年后,当专利诉讼结束的时候,特斯拉撰文讲述了他在布达佩斯时发明电动机的经过。他坚称他当时的想法是完善的:“一个想法初现的时候一般来说是粗糙而不完美的。出生、成长和发展是一般事物正常而又自然的必经阶段。我的发明则不同。当我开始意识到它的那一刻,它就已经完善和完美地呈现出来……我的想象与现实实现并无二致。”47

  然而,尽管有这些说法,那时的特斯拉不太可能明白交流电动机的一切。特别是,他可能不懂实际上如何使用两个或多个交流电。鉴于特斯拉在公园散步之前没有构建电机的第一手经验,他不太可能知道如何改装像贝利所做的那样的旋转开关,以控制来自两个电池的电流。同样重要的是,就此事而言,我非常怀疑特斯拉或任何其他电气发明者是否在1882年就能了解几个不同相位的交流电流是如何产生出旋转磁场的。48

  但不管怎样,在布达佩斯公园的散步是特斯拉的思想转折点。在那里,在西盖蒂的相伴下,凝视夕阳,特斯拉确实获得了对于如何在电动机中使用旋转磁场的某种理解。当时的设想可能是非常不完善的,然而特斯拉清楚地感知到他已经走在了成就大事的路上。他找到了职业生涯中的第一个宏大理念并决心全情投入加以充分利用。

  这次散步也是他的情感转折点,因为他现在知道了自己的道路。在布达佩斯,他解决了由波西尔冒火花的电动机所引出的问题,并且在这个过程中,特斯拉确信了自己的创造力。“我实现了我所承诺担当的事情,并梦想自己名利双收,”他后来写道,“然而超越这一切的是我从中所受到的启示:其实我是一个发明家。这是我想成为的人物。阿基米德是我心中的英雄。我很钦佩艺术家的作品,然而从我心里来说,那些只是世界的影子和表象。而我认为发明家带给世界的创造物是真实可感、生动活泼而又有效实用的。”49

  在我们的视野离开公园里的特斯拉和西盖蒂之前,让我们花一点时间,不只从技术的视角,也从认知的视角反思一下特斯拉那天下午的洞见的本质。为此,我们需要把特斯拉跟经济学家约瑟夫·熊彼特关于创新与资本主义的创造性破坏的想法联系起来。

  熊彼特关注创新在现代经济中所扮演的角色,并在作品中强调了有两种类型的创新活动。第一种是企业家和发明家们的创造性响应,他们以此引入全新的产品、流程和服务,被熊彼特视为资本主义核心特征的创造性破坏也正是在这个过程中表现了出来。最近,克莱顿·克里斯坦森把熊彼特的创造性响应描述为“颠覆性创新”,意指一些特定的公司有时会追求颠覆已有工业模式和改变消费者日常生活的技术。

  51显然,任何经济(特别是特斯拉时代的美国,从1870年到1920年)的成功依赖于取得创造性创新与适应性创新的恰当组合。然而,恰当的组合既非自动达成也不显而易见,因此商业与技术史学家们面临的重大问题之一是理解创造性响应与适应性响应如何共同运作。51

  客观理性,这意味着他们走出去,查看市场,衡量需求并相应地行动;“客观”的意思是说,该做什么的逻辑来自“在那里”的世界。相比之下,熊彼特认为企业家采用的是主观理性;对他们来说,指导的逻辑来自内在(他们自己的思想、感觉和愿望),并且他们行动的基础是以内在逻辑影响外部世界。

  为了解释主观理性,熊彼特假定一个商人遇到了一个效率工程师。由于商人的注意力放在交付客户想要的东西,因此他对工程师基于理论和计算获得的提高运营效率的建议不太感兴趣。商人着眼于市场的外部信号,因而他不能领会工程师基于科学和数学得出的内在逻辑;与此同时,工程师则不能把握消费者需求的重要性。熊彼特得出结论说:

  我之所以提到这类案例,不只是因为它们本身重要且引发了众多不恰当的阐释,还是因为其中工程师的理性很好地说明了什么是主观理性,以及关注主观理性的重要性。工程师的理性首先是对目的形成清晰的概念,然后通过理性和有意识的努力设计出实现目的的手段。他对纯理性的新动向,比如发布在专业期刊上的一种新的计算方法,会迅速作出反应,但对外部的其他考量却相对较不关心。也就是说,由于其内在有意识地追求理性,工程师的理性运作方式因而显得独特。52

  Schumpeter, “Rationality in the Social Sciences,” 329–330.在我看来,把上述引文中的“工程师”换成“发明者”也不为过。许多发明者都是从对他们来说有意义的内在逻辑做起,并努力以一个新设备来体现他们的内在想法。

  然而,特斯拉的职业生涯提供了一个契机,使我们更能理解主观理性到底意味着什么。特斯拉的旋转磁场设想来自内心,但也不是无中生有。相反,他的洞见脱胎于持续的脑力设计,并成型于他当时浑然一体的各种想法、感觉和印象。可能熊彼特的术语“理性”不能恰如其分地表达特斯拉的工作,特斯拉所做的是某种形式的认知处理。然而更为重要的是,随着我们深入特斯拉的故事,我们将看到主观理性的另一层意涵,即像特斯拉这样的发明家是如此深信他们的想法,以至于他们不惜努力去重整外部世界以把想法变为现实。在把他们的想法施加给世界的过程中,发明者们创造了革命性的技术,使得资本主义的创造性破坏得以发扬。不过在这种情况发生在特斯拉身上之前,对于电气技术行业他还有相当多东西要学。