連小學都沒畢業的愛迪生 是怎麼「發明」出電燈的?

SME 2020年08月05日 07:00:00

1890年愛迪生的畫像(圖片取自維基百科)

湯瑪斯•愛迪生,一個令人感到困惑的人。一個只上過三個月學卻持有1093項專利的成功人士。一個幾乎在所有中國孩子心中留下痕跡的道地美國人。毫不誇張地說,在中國的街頭隨便抓一個學生,十個裡有九個都能生動地講出愛迪生發明燈泡的故事:

 

愛迪生很早就下定決心要發明一種比煤油燈更好的照明燈。於是他苦苦尋找能通電發光的材料,但這些做燈絲的材料效果都不理想。愛迪生為了發明燈泡嘗試了6000多種材料,進行了7000多次實驗。終於如願以償找到能持續發光45小時之久的燈絲材料,也標誌著偉大的電燈被發明了出來!

 

這正印證了愛迪生的那句名言:「天才是百分之九十九的汗水加上百分之一的靈感。」

 

但這故事最大的漏洞就是:小學沒畢業的愛迪生怎麼就知道電流能讓導體發光呢?

 

這也是故事著重凸顯愛迪生那百分之九十九的汗水而對前期那百分之一的靈感避而不談的原因。事實的真相是愛迪生在電燈的發明中連那百分之一的靈感也沒有,發明電燈的想法是他從英國人約瑟夫•斯旺那裡「借」來的。

 

約瑟夫•斯旺爵士是英國知名的化學家、物理學家和發明家。他早年在家鄉的藥店當學徒,跟隨一位藥劑師學習,出師後一直從事化學方面的工作。但斯旺個人最感興趣的研究還是電與光之間的神祕聯繫。早在1848年,20歲的斯旺就開始著手研發電燈了,並在燈絲的材質選擇上有重大突破。

 

在斯旺之前已經有一些發明家嘗試使用金屬作為燈絲,比較常見的是鉑絲。但鉑絲成本非常高,並且1768℃(1773℃)的熔點導致其耐用性較差,並不是一種好的選擇。斯旺嘗試用碳來替代鉑絲,碳的熔點高達3500℃,不容易因為通電後的熾熱而熔斷。但碳也有一個很大的弱點――在空氣中容易燃燒,需要與氧氣隔離才能長時間工作。

 

斯旺的真空碳絲電燈方案就這樣敲定了。

 

他將一種硬紙板剪成馬蹄鐵那樣的弧形,然後放在坩堝中烘烤製成碳化的碳阻絲。

 

把碳絲兩頭接上導線封閉在一個鐘形玻璃罩內,並盡可能地抽出內部的空氣。導線接上電池的兩個電極,碳絲發出明亮的光芒,這便是最原始的白熾燈。

 

雖然斯旺的燈泡只亮了13.5個小時就燒壞了,但這不妨礙它成為一項偉大的突破。那一年,愛迪生才1歲。

 

由於當時電燈的前置基礎技術不成熟,用於供電的電池電壓低、耐久差,真空技術也沒發展起來。斯旺的電燈不僅沒有什麼實用價值,性能也相當差,糟糕的真空技術總是讓碳絲很快就燒斷。為此他一直在改進自己的這項發明,陸陸續續研究了12年之久。由於他始終無法突破耐用性這個瓶頸,在1860年徹底放下了實驗工作。這一年,愛迪生已經是個13歲的小報童了。

 

停下電燈研究工作的斯旺也沒有閒著,他涉獵廣泛,已經成了當地學術圈內小有名氣的人物。他從一家攝影底版製造公司的助手晉升為合夥人,還改進了當時的濕版火棉膠攝影法。斯旺設計了一種乾燥的攝影底版,用硝化纖維素塑料替代原先現場製備硝化纖維溶液的煩瑣步驟。15年後,這項技術給美國的伊士曼帶來了靈感,他後來成立了柯達公司。

 

直到1875年,斯旺才又重新拾起最初的電燈研究。有兩方面原因,一個是因為英國物理學家克魯克斯為研究真空放電現象而改進了抽真空技術。另一個是比利時的工程師格拉姆和德國的西門子製造出了性能出眾的直流發電機。這兩項技術的完善讓斯旺看到希望,他只需要在製作燈絲的技術上努力就足夠了。

 

斯旺的電燈的確沒有因為燈泡中殘餘的氧氣而導致燃燒,但卻暴露出了另一個問題。碳化燈絲的電阻太低,原先採用電池供電並沒有明顯暴露出這個問題。如今採用直流發電機供電,碳絲在大電流的情況下就顯得弱不禁風了。雖然研究結果還沒有公開,但斯旺平日關於白熾燈的談論還是得到了圈內人的高度關注。

 

約瑟夫•斯旺爵士(圖片取自Wikimedia Commons

 

那一年,愛迪生在去懷俄明看日蝕的路上,閒談中從物理學家巴克的口中得知了斯旺的白熾燈。他頓時覺得白熾燈將來肯定會成為家家必備的照明設備,趁目前技術還不成熟趕緊加快研發搶占先機。

 

經過這些年,愛迪生可不再是個小報童了,他已經是發明了留聲機、同步發報機的大發明家。雖然他自己科學研究的水準不高,但他懂得用人之道,在他的實驗室裡不乏大學生和科學家,他立刻指派手下的科學家烏普頓協助研發白熾燈的工作。

 

另一方面,白熾燈的研發還遠遠不到能應用的地步,愛迪生就已經成立了新的電燈公司,並且還登報宣傳他已經解決了電燈的各種配套問題,吸引了不少投資者。這也逼得斯旺不得不早早將自己還不算成熟的白熾燈拉上檯面展示。

 

1878年,斯旺在紐卡斯爾化學協會上公開展示了他的白熾燈,但最擔心的事情還是發生了。燈絲還是由於過大的電流而被燒壞了,這個問題在次年的再次展示上才被解決。不過這並不妨礙斯旺在英國申請碳絲真空玻璃罩白熾燈的專利。

 

而愛迪生投入的大量財力人力也沒有白費,1879年他的實驗室採用碳化棉絲製成了持久的白熾燈,並在年底公開展示了他的白熾燈。

 

斯旺得知後心裡很不爽快,他在《自然》雜誌上刊文指出:「15年前,我就根據白熾燈原理將焦化紙和焦化紙板用於製造電燈,確切地說,我曾將它製成馬蹄鐵的形狀來使用,正如愛迪生現在使用它的樣子。」 

 

譴責是徒勞的,發明最終還是要靠專利來說話。1880年末,斯旺的白熾燈在英國獲得了專利,成了英國第一個白熾燈專利。而愛迪生的專利就沒那麼順利了,雖然申請日期比斯旺早了幾個月,但在1883年被美國專利局判定是基於斯旺發明的延伸創新,專利無效。

 

愛迪生上訴了6年之久終於在1889年拿到了白熾燈的專利。即使愛迪生的商業天賦再高,也無法撼動斯旺白熾燈在英國的地位。

 

愛迪生公司的商業帝國觸及英國市場,也不得不花高價購買斯旺的專利授權,最終雙方合作在英國成立「愛迪萬」(EdiSwan)公司。

 

故事講完,你一定會以為白熾燈是斯旺發明的,那就未免錯得有些離譜了。如果說電燈是英國人斯旺發明的,那俄國人就肯定不願意了。在他們的國家,前有洛德金於1872年發明的白熾燈,後有亞布羅契科夫於1875年發明的「蠟燭」碳棒電燈。

 

如果說電燈是俄國人發明的,那德國人又肯定不願意了。德國人亨利•戈培爾1854年發明的碳化竹絲白熾燈當時就可持續照明400小時,那時他還沒有加入美國國籍。

 

如果說電燈是德國人發明的,那英國又會重新回到不願意的行列。因為在1801年,大化學家、英國皇家學會會長大衛就通過實驗讓鉑絲通電發光。8年之後,大衛和他的學生法拉第一起研製了碳棒弧光燈,但因為亮度太高損耗太快所以不適合家用。

 

電燈究竟是誰發明的?是把電燈推廣到每家每戶的第23個發明人愛迪生,還是更早製作出實用白熾燈的其他發明者?

 

都不是,沒有人真正發明了電燈,電燈只是人類科技發展道路上一個必然的里程碑。

 

沒有直流發電機技術,沒有成熟的真空技術,沒有電學理論的基礎,就算帶著現成的電燈回到那個年代也仿造不出合格的產品,斯旺的經歷就是最好的例證。

 

各國間關於電燈發明之爭,無非只是為了顯示國家科技的突破而已,即使有一萬個理由都不能把這全人類共創的成果貼上標籤據為己有。

 

*本文摘自《怪奇科學研究所:42個腦洞大開的趣味科學故事》,時報出版。

 

 

【作者簡介】

 

SME

 

中國知名科普自媒體(SME科技故事),知乎大V(SME情報員)。SME分別代表Science「科學」、Medium「媒介」、Entrepreneurship「創新精神」。喜歡聊聊科學家,挖挖科學史,發掘科技背後的故事。以小而美、短而精的科學故事打動讀者,傳遞文化知識的溫度。

 

曾打造〈百慕大三角永遠沒有謎〉、〈清朝科學家發Nature〉、〈論文被導師當眾撕毀,蟄伏50年,終被諾獎認可〉、〈靠民工磨出來的晶片,騙取上億科研經費〉、〈金正男5秒暴斃〉、〈王者之病――痛風〉等人氣文章。

 

2016年度被網易新聞平台評為「最有態度自媒體」;2017年度榮獲「廣州科普貢獻二等獎」,同年獲得今日頭條優質圖文「青雲計畫」獎項;入選騰訊「2018年度最具影響力科學新媒體TOP10」等等。

 

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