他是瘋狂科學家還是夢想家?關於天才工程師特斯拉的真實故事

他是瘋狂科學家還是夢想家?關於天才工程師特斯拉的真實故事
Photo Credit: thierry ehrmann @ Flickr CC BY 2.0
我們想讓你知道的是

尼古拉.特斯拉,有人說他是被世人所遺忘的天才,也有人說他是20世紀最偉大的電機工程師。在電影中,他常被描述成為了發明不擇手段的瘋狂科學家。可是,究竟特斯拉是個怎麼樣的人呢?看完這個故事,你會對這位科學家有更深一層的認識。

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文:徐文芝

有人說他是被世人所遺忘的天才,也有人說他是20世紀最偉大的電機工程師。他所設計的交流電發電機擊敗托馬士.愛迪生所支持的直流電系統,使得交流電成為現今世界供電標準。他是第一個實踐無線電通信實驗的人,也被稱為軍事武器之父,卻身無分文的老死在旅館房間裡。在美國,連三歲小孩都認識愛迪生,卻很少人知道他的名字。究竟他是什麼樣的神祕人物?他就是尼古拉.特斯拉。

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出生與求學過程

尼古拉‧特斯拉(Nikola Tesla)於1856 年7月10日,出生於現今克羅埃西亞的一個小村莊。父母是塞爾維亞人。他的父親是一位東正教的神父,原本希望特斯拉長大後能繼承父業,擔任神職,但特斯拉從小就對科學與工程學充滿興趣。

特斯拉以全額獎學金進入大學後,大一期間表現得十分傑出,其中一位教授還曾寫信給特斯拉的父親,稱讚他兒子是「頂尖學生中的閃耀明星」。沒想到大二時,特斯拉迷上了賭博,到了大三,甚至連家裡給的生活費與學費幾乎都快被他輸光了,這種情況下他根本無心念書,也沒有參加考試,還沒拿到學位就退學了。雖然後來特斯拉把輸掉的錢都贏回來,還是覺得無顏見江東父老,隱瞞退學的事實,偷偷跑到另外一個城鎮躲起來打工維生。過了大半年,特斯拉的父親終於打聽到兒子的下落,好說歹說之下特斯拉還是不肯回家。

不久之後,特斯拉的父親中風過世,特斯拉決心力圖振作。有兩位好心的親戚湊了一筆錢,想資助他到另外一個大學就讀,但陰錯陽差的,他竟沒有趕上註冊的期限。自此,特斯拉放棄了求學之路,專心在工作上鑽研技術。

從歐洲到美國

1882年,26歲的特斯拉到了巴黎,進入愛迪生公司的歐洲分部工作,兩年後,他申請轉到美國紐約曼哈頓的愛迪生總公司工作。愛迪生於1879年發明可商品化的電燈泡後,成立愛迪生公司(美國奇異公司General Electronic Company的前身),致力於推廣直流電配電系統。

Photo Credit: Intel Free Press @ Flickr CC BY-SA 2.0

特斯拉抵達美國愛迪生公司後,被指派進行直流發電機的改良任務。根據特斯拉的說法,愛迪生曾允諾過,等特斯拉完成工作後,將頒給特斯拉5萬美元,相當於今日100萬美元的獎金。經過數月的努力,特斯拉完成了交付的任務,但愛迪生卻拒絕支付這筆獎金,並表示當時他只是開玩笑的。愛迪生對特斯拉說:「特斯拉,你不懂我們美國人的幽默」。特斯拉憤而辭職。

後人無從得知,當初愛迪生是否真的曾經向特斯拉做過這樣的承諾;就算真有其事,也不知道愛迪生只是開玩笑還是反悔了。但當年特斯拉替愛迪生公司工作,一個星期的薪水才10美元,而愛迪生公司還沒有開始賺錢,照理說應該是拿不出這麼大筆的獎金。但無論如何,這個轉折造成特斯拉與愛迪生的交惡,不僅使得愛迪生失去了一位有力的幫手,更讓愛迪生的競爭對手—美國西屋公司的創辦人喬治西屋(George Westinghouse)撿到寶。

電流大戰

在開始發展電力系統時,有兩種技術主張相爭不下,一派是以愛迪生為代表的直流電派,另一個是以西屋公司為代表的交流電派。直流電(Direct Current,DC),顧名思義就是系統中的電流一直往同一個方向流動;而交流電(Alternating Current,AC)的電流則以某個頻率反覆改變流動方向。

愛迪生發明白熾燈泡後,認為直流電可以直接為照明裝置所用,是比較好的供電系統,因此大力推廣直流電系統,並使其成為早期美國的供電標準。然而直流電有個致命傷,也就是傳輸過程中能量損耗大,因此點對點的傳輸距離無法太遠。當時使用的直流電系統,用戶距離發電站必須在一英哩以內,才能保證有足夠的電壓可用。因直流電變壓器不容易製造,直流電供電系統規畫所有發電站都統一輸出110伏特低電壓,直接連接到用戶而不經過變壓器(之所以選擇110伏特,是因為扣除10伏特左右的電壓損耗,用戶使用100伏特電壓電燈泡,可以產生與煤油燈類似的亮度)。

相較之下,交流電在電力傳輸上有很大的優勢。交流電供電系統中,發電廠輸出幾千伏特的高壓電,到達用戶端前,利用變壓器(transformer)將電壓降至安全可用的範圍。傳輸相同的電量下,電壓越高需要的電線越細;在同樣的傳輸電線與相同的電壓損耗下,電壓越高可傳送的距離越遠。此外,在愛迪生的直流供電系統中,不同電壓需求的用戶需要有不同的輸電網,工業設備使用的高電壓儀器與一般用戶的燈泡就不能使用相同的電網,因此設置輸電線路的成本增加許多。而交流電系統沒有這種限制,以高壓電傳輸到達用戶前,用戶可根據需要,將電壓降至適當的範圍,不管是交通設施,工業用的大型機具,或是家用的小型電器,都可以連接到同一個電力來源。

愛迪生深信直流電才是安全實用的供電系統,他的公司投注了大筆資金在研發並改進直流發電系統,並申請了許多專利。對於直流電無法傳輸超過一英哩的限制,愛迪生單純的認為,只要廣設發電站就可以解決這個問題。在人口稠密的都市,這樣的做法或許還說得過去,但對偏遠鄉村人口稀少處,要特地在附近建立發電廠才能使用電力,成本相當昂貴。

特斯拉離開愛迪生公司後,成立自己的公司發展交流電發電機與馬達,並受邀在美國電機協會(American Institute of Electrical Engineers,現今的IEEE前身)展示他的發明。這個消息很快的傳到西屋公司的老闆喬治西屋的耳中。他檢視特斯拉的發明及交流電相關專利後,決定以6萬美金買下特斯拉專利的使用權,再加上一筆豐厚的權利金,還聘請特斯拉當西屋公司的顧問,與技術團隊共同研發交流電系統。

西屋公司根據特斯拉專利所生產的交流電發電機 Photo Credit: SchoolWorkHelper

愛迪生與西屋兩派人馬選擇不同的供電技術,在19世紀末的美國引發後世所謂的「電流大戰」(The War of Current)。以現代的眼光看來,或許會認為,這有什麼好爭的?交流電可以傳輸得比較遠又有彈性,既符合經濟效益又能滿足不同電壓需求,當然應該選擇交流電系統!然而,在當時「電學」還處於萌芽階段,愛迪生與19世紀末其他科學家,對於這個新興的能量模式的許多地方尚未充分瞭解,自然無法像現代人習慣「電」就像習慣空氣一樣,因此他們對交流電有誤解甚至錯判形勢,並不算是重大失誤。

然而,愛迪生與支持他理念的人,為了說服世人相信交流電很危險而直流電才是正確的路,用了許多激進的宣傳手法。例如,愛迪生本人雖然反對死刑,但他的雇員曾經當眾用高壓交流電電死一隻脾氣暴躁,據說曾傷害三個人的大象,「連大象都可以輕易電死,交流電多危險呀!」這是他們希望灌輸人們的印象,甚至設計建造世界上第一個執行死刑的「電椅」,這電椅用的當然是交流電。

為了與愛迪生派抗衡,特斯拉曾經親身試驗。他出席一個公開場合,身穿晚禮服,腳踩軟木底鞋,頭戴大禮帽,特斯拉把手放在帶電的端子,讓電傳到他身上,發出大量的電火花,旁觀的人們嚇得目瞪口呆,但特斯拉卻好好地安然無事。藉此,特斯拉想證明,只要小心防範,人們是可以安全地使用交流電。

這些殘酷或是聽起來荒謬的故事,代表著「電流大戰」雖然沒有砲火煙硝,但卻真真實實的是一場激烈的「戰爭」!

芝加哥世博會與尼加拉瀑布水力發電廠

這場「電流大戰」,在1893年到達最高潮。那一年,美國芝加哥舉辦了世界博覽會,當年正好是哥倫布發現新大陸的400周年,因此也被稱為「哥倫布紀念博覽會」。為了向世人展示新興電能如何改變生活,除了計畫設立一個專門展示電相關新產品的展場,整個博覽會場摒棄傳統煤油燈,全部改用電燈照明。

這可是個為自家系統宣傳的大好時機,奇異與西屋兩家公司卯足全力,都想標下這個供電合約。結果西屋公司的交流電系統,以低於奇異公司直流電系統15萬美元的價格得標。西屋公司得標後,特斯拉日以繼夜的工作,終於完成建造大型的交流電發電設備,提供整個展場電力需求。1893年5月1日,超過10萬熱情的觀眾湧進芝加哥世博會。夜幕低垂時,美國總統克里夫蘭演說完,按下按鈕,霎時五顏六色的燈,綻放出耀眼的光芒,人們見證了新城市光明的未來,無不驚聲讚嘆。

1893年芝加哥世博會 Photo Credit: AP/達志影像
1893年芝加哥世博會所展示的特斯拉交流電馬達與其他發明 Photo Credit: PESWiki

同一年,尼加拉瀑布電力公司決定採用西屋公司交流電系統,利用瀑布水位的落差產生電力,供給水牛城及附近鄉鎮的電力所需。三年之後,水力發電廠建造完成順利運作,這是世界上第一座大型水力發電廠。不久之後,奇異公司宣布進入交流電市場,至此,「電流大戰」宣告結束,交流電大獲全勝。

1976年南斯拉夫(特斯拉的祖國)送給紐約州一個特斯拉的雕像,這個雕像至今仍然豎立在尼加拉瀑布旁,紀念這位偉大工程師。

美國尼加拉瀑布旁 Goat Island上特斯拉的雕像 Photo Credit: Zen Skillicorn @ Flickr CC BY-ND 2.0
無線通信專利之爭

電流大戰後,特斯拉將研發重點放在無線電通信與能量傳輸上面。1893年特斯拉在密蘇里州的聖路易斯城當眾展示,利用無線電可以傳遞訊息,這比大眾熟知第一個成功完成跨大西洋無線通信的義大利發明家馬可尼還要早八年。

1903年馬可尼試圖在美國申請無線電通信技術的專利,一開始被美國專利商標局拒絕,原因是特斯拉早一步在1898年就以類似的技術獲得了專利。1904年美國專利局突然改變主意,同意授予馬可尼關於無線電的美國專利,之後數十年兩方針對無線電專利權進行了一連串的侵權訴訟,直到1943年特斯拉過世之後,美國最高法院才最終判決,馬可尼不能指控他人侵害他的專利權,因為特斯拉比馬可尼更早申請的專利是有效的。

撇開無線電專利權的爭議,特斯拉在無線通信上許多前瞻性的見解,在今日一一實現。

1908年特斯拉在一篇關於未來無線電技術的文章上寫道

“As soon as it is completed, it will be possible for a business man in New York to dictate instructions, and have them instantly appear in type at his office in London or elsewhere. He will be able to call up, from his desk, and talk to any telephone subscriber on the globe, without any change whatever in the existing equipment. An inexpensive instrument, not bigger than a watch, will enable its bearer to hear anywhere, on sea or land, music or song, the speech of a political leader, the address of an eminent man of science, or the sermon of an eloquent clergyman, delivered in some other place, however distant. In the same manner any picture, character, drawing, or print can be transferred from one to another place.”

「當它實現的時候,紐約商人可以即時下指令到倫敦或是任何地點的辦公室。他可以在書桌前打電話與地球上任何人通話,無需改變現有裝置。一個平民價格的裝置,不超過手錶的大小,可讓使用者收聽到,無論身在海上或陸地上,任何音樂或歌曲,政治家、科學家或牧師在其他地方的演講,無論距離多麼遙遠。相同的道理,照片,文字,畫作,或是出版物也可以從任何地方傳到其他地方。」

這段文字所描寫的情境與今日使用行動裝置的生活完全符合,早在100多年前特斯拉就準確地勾勒出無線通信對人類生活的影響。

無線電力傳輸

除了無線通信,特斯拉更深信可以無線傳輸電能。他所夢想的無線傳電,比今日我們熟知的無線充電技術還要大膽。特斯拉認為,地球是一個持續轉動的大磁場,充滿著巨大能量,只要找到正確方法,就可以直接穿過大氣層,將能量傳輸到地球上任何地方。

現代無線充電產品多數是利用磁感應,能量源與接收器必須互相靠近,才能進行能量傳遞;而特斯拉所鑽研的是一種遠距離無線傳電技術,利用的是磁共振,能量發射端與接收端在相同的共振頻率下進行能量傳遞。特斯拉對於大氣層中的閃電有著深入的研究,認為藉由研究閃電可以更加瞭解傳遞電能的方法。有許多記錄顯示,特斯拉可以隨意在實驗室中產生幾百萬伏特的人造閃電,甚至球型閃電。可惜詳細的實驗方法並沒有保留下來。

特斯拉實驗室的儀器發出閃光而特斯拉端坐其中 Photo Credit: Tesla Memorial Society of New York

為了實現他關於無線傳輸能量的偉大夢想,特斯拉先後在科羅拉多州與紐約建立實驗室,進行高電壓與高頻率實驗。他在紐約長島蓋了一座名為沃登克里弗塔的巨大電塔,計畫向全球無線發射電能。為了建造這座電塔,除了四處向有錢的實業家募款,特斯拉還投入了之前因交流發電技術授權金所累積的全部積蓄,但最終仍因為經費短缺而宣告失敗。

無線傳輸電能實驗,使得附近居民家裡的燈泡就算電源關掉也還是亮著;人們看到實驗室上方不時出現像閃電一樣的神祕光線,更是心生恐懼。這些實驗對周遭居民的生活造成了影響,輿論的壓力對特斯拉的實驗室投資計畫所造成的負面影響,也是他始終無法成功的原因之一。

1904年沃登克里弗塔 Photo Credit: 維基百科
軍事武器概念

沃登克里弗塔計畫的失敗,對特斯拉而言不啻是個重大打擊。為了籌措資金延續他的研究計畫,特斯拉向美國國防部推銷他設計的無線通信系統,此系統可以用來控制並引導魚雷,而這個在當時看來匪夷所思的發明,卻是現代無線遙控與導彈系統的最早構思,但最後仍遭到美國國防部拒絕。特斯拉只好向外尋求其他國家的幫助。由於特斯拉對「電」以及「能量」相關技術有許多超乎當時想像的創見,德國、蘇聯、英國等國家都對他的研究相當有興趣,但他與這些國家從未有正式的合作關係。

二次大戰前,特斯拉宣稱已發展出足以致命的遠距離能量發射裝置"Teleforce",被當時的人們稱之為「死光」(Death Ray),然而他一直沒有公開展示過他所設計的這項裝置。1935年特斯拉曾經挖了一個深井,將不同頻率的震波送入井中,想藉此研究地殼的共振頻率,結果卻導致小型地震,造成附近的房屋倒塌。

今日所有的人為控制地球氣象,例如閃電、地震、風暴等,以作為武器的技術(地球物理武器),其源頭都可追朔到特斯拉的研究成果,包括美國軍方研究大氣層中電離層的HAARP(High-Frequency Active Auroral Research Program高頻主動式極光研究計劃)。

由於特斯拉的研究對當時的人們而言,太過於先進以及具有潛在的大規模殺傷力,在1943年1月特斯拉過世後,雖然他早已成為美國公民,也沒有任何證據顯示他有叛國的跡象,他所有的遺物立刻遭到美國政府專門接管外國人資產的單位扣留,一切的文字資料都被聯邦調查局封存。美國政府曾經邀請MIT的教授檢視特斯拉遺留下的文稿,聲稱並未找到任何秘密技術,但卻一直不願意交出特斯拉遺留的所有資料,這整個處置過程,替特斯拉的研究增添許多神秘的色彩。有人說特斯拉已經可以跟外星人通信,也有人說特斯拉發明了能量罩可以抵擋任何武器,甚至1908年在俄國西伯利亞通古斯發生奇怪的大爆炸,也被懷疑是特斯拉的實驗所導致的,不過這些說法都未經證實,很可能是以訛傳訛。

夢想家或是偉大工程師?

特斯拉的一生充滿了戲劇化發展。因為在愛迪生公司歐洲分部工作,他才有機會到美國參與當時電機技術的研發。因為獎金的爭議與愛迪生分道揚鑣,促使他投入交流電的研究而聲名大噪。他不喜歡愛迪生,卻得到美國電機工程師協會所頒發的最高榮譽「愛迪生勳章」(註2)。雖然他比馬可尼更早成功地完成無線電通信的實驗,也申請到專利,卻沒有專注於無線通信技術的改進,讓馬可尼在商品化的過程中搶了先機。他投注大量精力建造高壓電塔,卻因財務短缺宣告破產,所有精密的實驗器材被當成破銅爛鐵拆解賣掉。

特斯拉身高6呎2吋(約188公分高),據說有過目不忘的記憶力,每天只需睡兩個小時。他作實驗不喜歡在紙上用算式推導,一切運算過程都在他的腦中完成。朋友形容他是個溫文儒雅的人,頗受當時名媛淑女的歡迎,但他不喜歡女人香水的味道,也沒時間與她們打交道。他終生未婚,年輕時喜歡玩棋盤遊戲,年老時唯一的娛樂就是到附近的公園去餵鴿子,最終一個人孤單的死在旅館裡。

由於專注於技術而不是商業利益,特斯拉晚年經濟狀況不佳,加上人們對他的實驗感到害怕,媒體也對他十分不友善,竟冷嘲熱諷的稱他為「特斯拉,作夢家」,還稱沃登克里弗塔為「特斯拉百萬元的愚蠢建築」。

發展法國第一個雷達系統的工程師Émile_Girardeau曾說:人們戲稱特斯拉為預言家或夢想家,因為他手上沒有足夠工具實現他的夢想。但不要忘記,就算特斯拉是在作夢,至少他作的是正確的夢。(" (Tesla) was prophesying or dreaming, since he had at his disposal no means of carrying them out, but one must add that if he was dreaming, at least he was dreaming correctly.")

特斯拉死後被人們遺忘了幾十年,直到1990年代他的成就才逐漸地受到重視。國際標準單位的磁感應強度是以他命名,1特斯拉等於1韋伯/平方公尺(1T = 1Wb/M2)。美國著名的純電動車廠Tesla Motors,為了向這位偉大的電機工程師致敬,特地將公司命名為特斯拉車廠。事實上,Tesla Motors生產的第一台純電動車Roaster,就是根據當年特斯拉的電動車概念所設計的。

沃登克里弗塔雖然已被拆除,但原址已經由一個民間組織買下,正在籌款並計畫幾年後興建一座特斯拉紀念博物館。紐約市政府還將曼哈頓區第六大道與第40街的交叉路口命名為Nikola Tesla Corner,用以紀念特斯拉在紐約市成立實驗室為人類科技發展作出貢獻的事蹟。

Photo Credit: Heather Paul @ Flickr CC BY-ND 2.0

由於特斯拉戲劇化的一生,加上美國政府對於他研究成果的謹慎對待,使得近年來他在大眾文化中,變成一個悲劇性的英雄人物。特斯拉的許多構想,如遠距離無線傳遞能量、將自然界無處不在的電能轉化為免費能源為世人所用、「引力門」打開蟲洞穿越時空旅行、統一場理論等等,還有待更進一步的研究證明其可實現性。但就事論事,特斯拉勇於嘗試的實驗精神,與豐富的想像力,的確是值得所有科技人學習的。

本文獲北美智權報授權刊登,原文於此

責任編輯:林佳賢
核稿編輯:楊士範

Photo Credit: thierry ehrmann @ Flickr CC BY 2.0