電的科學史

這本《電的科學史》，讀了，才發現，是一本寫電在美國的發展過程。狹隘了…… 先寫富蘭克林，講我們耳熟能詳富蘭克林放風箏從天空取電的故事，後面就講愛迪生和特斯拉，講他們如何生產電，然後運輸使用電，改善民生！然後就講到了愛因斯坦，講到了原子彈 ，講到了原子能民用化，講到了核反應堆泄露，講到了《寂靜的春天》這部書，講到了這部沒寫電力的書是如何通過環保的觀念影響到電力的開發，然後是碳排放，清潔能源，光伏能源，電動汽車，最後竟然用埃隆.馬斯克作爲結尾！ 看完，我陷入了沉思，它改變了我對美國人的看法，起先，美國人，在我眼裏，是特別牛掰存在，但是，這本書，卻讓我直接看低了他們，從電力角度來寫，都寫到埃隆.馬斯克 卻對美國外的世界一字不提，他刻意的迴避，只能說明，過於自負，在世界範圍，他所陳述的電力發展，與事實不符。

本書作者是美國學者克雷格·羅奇，他是一位有着40多年從業經驗的電力行業專家。羅奇本科畢業於美國約翰·卡羅爾大學，後在威斯康星大學獲得經濟學博士學位，他曾經是北美地區監管流程和法律方面的專家顧問，之後創辦了一家專門從事電力和天然氣業務的諮詢公司——波士頓太平洋公司，並擔任總裁職務。 關於本書 這本書是一本回顧電的發展歷程的歷史科普書，通過若干位關鍵科學家的歷史事蹟，串聯起人們從認識電、到應用電、再到反思電的歷史全過程。與此同時，這本書還向我們展示了電的科學史中的一些典型特徵，這些特徵能很好地對應起來人類科學技術發展的典型路徑，所以通過這本書，我們還能對人類科技進步的一般方式有一個大致的瞭解。 核心內容 在二百多年前，電對人類還是一種神祕而且帶有恐怖色彩的現象，直到富蘭克林提出第一個系統性的電學理論，幫助人類邁出認識電的第一步，人類纔算揭開了電的科學史的第一頁。從此以後，法拉第和麥克斯韋深化了對電的本質的瞭解，愛迪生和特斯拉創造出了今天人類電力工業的雛形，英薩爾將電推廣至千家萬戶，馬斯克則引領了未來用電的新方向。在此期間，人類認清楚了電的本質，有了大規模使用電的能力，也有了對電力的進一步反思。從這個角度來看，人類仍然在譜寫着未完待續的電的科學史。

雖然書名涵蓋不了本書的全部內容，雖然本書也不是我期待的全部內容。我原本只是想找一本書，看看，電是如何改變我們生活，包括電視機，電冰箱，空調，電腦等，結果： 這本書大概說了五段故事 第一段講電的發現以及電的科學發現史，當然有名人物是法拉第和麥克斯韋，愛因斯坦那一段，說真，在《物理學的進化》有點抄襲的感覺； 第二段就是電流大戰，原來我以爲電流大戰，是愛迪生和特斯拉之間，這次發現一個偉大的人物，威斯汀豪斯，也就是西屋電氣的創始人吧，軌道信號裏的大廠。這個人發明了道岔和空氣制動，爲鐵路的安全發展奠定了大的基礎。 第三段則是，終端產品有了，對電力的需求就有了，於是有了電力公用事業公司，怎麼發展？答案是規模經濟，但按成本加成法，很容易就形成了壟斷企業。 第四段則是放鬆監管，制定官方技術，核能。 第五段，寂靜的春天，環保問題呼之欲出。因爲電力仍然依靠煤等化石燃料。 看完，感覺老美很難產生地鐵，高鐵這種食物，除非馬斯克富可敵國，嗯，富可敵國也很難，線性工程在美國這樣的國家太難統一協調，因爲美國人基因裏帶着自由和市場。

這書應叫《美國電力能源事業史》，前面部分雖然介紹了電和電器電機的科學發現發明史，後半部分則是關於美國政府和投資商如何爲電力提供能源支撐以及應對生態環境問題的投術政策。所以單從原書名看，書中內容經常有跑題嫌疑。

書的一開始是非常通俗易懂的內容，會讓你以爲作者只是一個“青銅”作家。   可是如果你也讀過很多的科學內容的書籍，你會突然發現，在這樣簡單易懂的文字裏，作者對於故事的精簡提煉，對引用的內容和所解釋的概念，真的精妙深刻至極。   作者背後做的這些努力，會讓你因爲文本簡潔明瞭，通俗易懂，既不繁雜，又一言直指核心，如果你沒有經歷過市面上大量科學書籍的閱歷，你會完全意識不到作者簡單的文本背後的高明！   書名雖然只是電的科學史，但其中，電力，科學，商業和社會生活革變之間的描述不僅讓人不用琢磨繁雜晦澀的書本文字，就可以窺見一般。而對於與電相關的科學理論所引用的語句，真的簡潔又直指內核。作者沒有對歷史和科學有非常精到的研究和理解，真的沒法能把這樣的內容，既寫得簡明易讀，又不時讓你突然一驚。    而其中讓我印象非常深刻的內容，其中一個是愛迪生的助手和他創立的規模化電力公司遭到金融迫害的一段，感覺作者文字背後的信息量不簡單，但是作者又一直從未過分地在文裏摻雜個人的好惡。    而另一部分則是，寫在愛因斯坦的相對論下，核電的發展。其中摻雜的關於愛因斯坦對相對論的理解，所引用的那些語句，真的讓人耳目一新。我所有的科學書籍裏，關於相對論的解釋的，沒有如此簡短而出彩的。    另外，對於一部史學書籍來說，它當然沒有讓人有學術著作的那種篇幅巨大，語言相當嚴謹而晦澀，內容相當地繁雜。不過正是在這個內容簡明通俗的前提下，這本書就變得異常優越了！    

馬斯克對電力行業的重要性表現在兩個方面：一是他掀起了需求側革命，通過電動汽車可以培養出新的電能用戶；二是掀起了供給側革命，他決心創造一種新的供電系統，來替代傳統電網。今天關於電學的討論，鮮少有像電學研究引發偉大科學革命這樣的內容。回溯歷史，富蘭克林在暴風雨中放飛了他的風箏，讓世界“看到”了電；瓦特發明了影響工業革命的蒸汽機，即使到今天蒸汽也是世界上大部分電力生產的基本原材料；法拉第發現了電磁感應，併發明瞭電動機和發電機爲新興的電力工業提供了基本技術；麥克斯韋充滿敬意地爲法拉第電和磁的思想賦予了數學的嚴謹性和想象力，從而使物理學發生了翻天覆地的變化；揭開電磁波的神祕面紗之後，摩爾斯因此發明了電報，電報把整個世界聯繫在一起，這與今天的互聯網並無二致；愛迪生不僅發明了電燈泡，還讓電氣照明系統實現了商業化；威斯汀豪斯與特斯拉則並肩作戰，建造了商業規模的交流供電系統，開創了電力行業；塞繆爾·英薩爾讓電變成人人用得上並且用得起的資源，從而開創了電能業務；愛因斯坦的E=mc2方程，是核武器和核技術的科學基礎，無論這些技術給我們帶來了什麼，愛因斯坦都不應受到指責，也不應獨佔全部功勞，但他確實推動了這些技術的發明；通過《寂靜的春天》，卡森發起了現代環境保護運動；喬治·米歇爾的頁岩氣革命影響了能源供應和能源成本，改變了天然氣和電力行業的格局。看看，如果我們開動腦筋發揮想象力，會得到什麼。

人類對電的理解是基於有史以來最驚人的科學發現，這是電與其他傳統能源的一個區別。 愛因斯坦認爲，電不僅僅是19世紀和20世紀科學發現道路上的一站，對電的研究本身就是一條科學發現之路。 2003年，美國國家工程院將電氣化評選爲20世紀最偉大的工程技術成就。 一、早期歷史脈絡 【富蘭克林】 “研而優則仕”的政治家，信奉牛頓學說的實驗科學家，被康德譽爲“現代普羅米修斯”。 1.風箏實驗：閃電是電 2.用正負電荷解釋萊頓瓶原理。 3.發明了避雷針。 【瓦特】 改良了紐可門的蒸汽機模型，通過設計冷凝器提高了效率。 1.直接影響：瓦特取得這項重大突破後的100年裏，動力成本下降了近80%，蒸汽動力在美國所有動力應用中的佔比高達90%，遠遠超過水能、風能等。即使到了今天，蒸汽也是世界上大部分電力生產的基本原材料。 2.間接影響：不僅促使銅礦業發生了革命性的變化，從根本上改變了棉花行業的狀況，對鋼鐵行業也大有裨益。蒸汽機徹底消除了工廠在選址方面的侷限性（不再需要依水而建），使規模經濟得以實現。在做了進一步的改進之後，蒸汽機還被應用於火車和輪船，從而使交通狀況也發生了翻天覆地的變化。 今天，歷史學家認爲，幫助工廠擺脫地理條件的限制將蒸汽機的發明與城市化進程聯繫在一起。從更寬泛的角度來看，它彰顯了通用技術與經濟增長之間的某種聯繫。 【法拉第】 1.電動機 1820奧斯特發現電磁感應，證明電會產生磁。1821年，法拉第進一步發現電與磁的相互作用。他把一個永磁體放到有電流通過的導線旁邊，結果那根導線繞着永磁體的磁極旋轉起來。這就是說，在磁的作用下，電能可以轉化爲機械能（電線發生了旋轉現象），做機械功。從法拉第發現電與磁的基本關係直到現在，工廠和家庭使用的所有電動機都是基於這一發現設計而成的。 2.發電機 電動機利用電能完成機械運動，發電機則相反，通過機械運動產生電流。這兩種技術的核心都是電磁感應。這樣就把瓦特與電學聯繫起來了，因爲讓磁體來回運動的裝置就是瓦特發明的蒸汽機。全世界的電力生產過程中，第一個步驟大多是通過燃燒煤炭、天然氣等燃料或者利用核反應中產生的熱量來製造蒸汽。然後，利用這些蒸汽驅動渦輪機，使磁體在線圈中旋轉，進而產生電。 3.電磁波 法拉第還證明了電流也能產生感應電流。當一根導線上有電流通過時，可以在附近的導線中產生可檢測到的電流。這種電—電感應爲變壓器技術的發明創造了條件。另外，法拉第駁斥了牛頓力學中的超距作用，指出力不是通過真空傳遞的，而是通過空間中的粒子相互傳遞的。在麥克斯韋和愛因斯坦各自獨立完成的現代場理論研究的推動之下，法拉第的這個觀點最終變成了主流理論。藉助這些後來科學家的研究，法拉第的理論爲電磁波研究奠定了基礎，電磁波是現代通信技術的基礎。 【麥克斯韋】 1.把法拉第電學實驗和拉格朗日數學完美結合。麥克斯韋之所以捨棄牛頓力學，而選擇拉格朗日數學，是因爲物體質量這個概念不再是解釋物理世界的主要方法。運動可以用物體的變化來解釋，我們不需要知道這些物體到底是什麼，而可以根據這些物體的實際屬性進行抽象化處理。麥克斯韋取得的最直接成果就是動力系統來理解電磁波。 2.《電磁通論》——實現了電、磁、光的統一。 如果電場真的會產生磁場，磁場真的會產生電場，電場和磁場就必然會以跳背遊戲的方式，不斷在空間中延伸。因此，將奧斯特效應和法拉第電磁感應定律結合在一起，就會得到完整的電磁波概念。按照麥克斯韋的構想，電磁波包含電場發出的平滑的振盪波（或正弦波）與磁場發出的正弦波，兩者相互耦合。我們可以把正弦波想象成使用消防滑桿下滑的人。這個人不是垂直滑向地面，而是旋轉下滑。電磁波的空間傳播方式使麥克斯韋大受啓發，也使他的研究得出了一個令人驚訝的結果：所有的電磁波都以同樣的速度傳播。然而，速度是一個觀測概念，而不是理論概念，所以速度必須通過實驗來確定。麥克斯韋認爲，既然電磁波的傳播速度是光速，那麼光本身也是一種電磁波。 【摩爾斯】 摩爾斯電報與其他電報最關鍵的區別在於，它是用電和磁來工作的，而其他電報，例如法國人的發明，用的則是物理符號。 電報是電磁學這門新科學在商業領域的第一項應用。其原理是通過電線傳送時斷時續的電流，磁化鐵針，再以電磁波形式傳輸。然而，這個簡單的裝置卻充分展示了電的重要商業價值，也徹底改變了通信狀況。電在現代電信行業的誕生過程中發揮了至關重要的作用，儘管電力行業和電信行業最終分道揚鑣，但它們仍然是這門偉大科學催生的“孿生兄弟”。 電報的重要性遠遠超出普通意義上的巧妙發明。它把整個世界聯繫在一起，這與今天的互聯網並無二致。電報爲市場和企業擴大規模創造了條件，它對經濟的影響遠遠超出它的建設成本。電是驅動通信技術發展的無形力量，現代通信技術是全球經濟的基礎。 【愛迪生】 開啓了包括電燈泡和發電機在內的整個電氣行業新時代。 【威斯汀豪斯（西屋）】 1.不認同愛迪生的直流電系統，他認爲交流供電系統的電力輸送比較經濟，這意味着人們可以利用遙遠的電力資源，比如尼亞加拉瀑布的水電站大壩。奠定了電氣行業的技術與規模基礎。 2.對鐵路行業的貢獻：發明了制動系統及信號與道岔裝置，提前預防列車事故。 【特斯拉】 1.交流電系統 2.交流發電機 3.無線電力傳輸（被馬可尼佔了先機，實際特斯拉更早） 特斯拉的發現和發明不僅對電動機產生了影響，還影響了交流供電系統的所有組成元素。最重要的是，交流電可以長距離傳輸，因爲交流電的電壓可以根據需要很方便地變換。 【英薩爾】 推動了壟斷監管體系的建立，實現了電能的規模經濟。讓每個人都用得起電。 二、影響電力行業的幾個轉折： （能源因素+氣候因素+社會因素） 【水利】 胡佛水壩把電力服務推廣至美國西部，田納西河流域管理局則讓電力服務延伸至美國南部。 胡佛水壩並沒有受限於當時的電力需求，而是着眼全局去解決美國西部的供水和防洪問題，電力生產的主要目的是對經濟投入做出補償。 田納西河流域管理局則隨着戰爭期間電能產量激增，從一個專注於河運和農業發展的區域機構，轉變爲一個規模龐大的電力壟斷組織。在剛成立時，田納西河流域管理局的首要任務是水力發電，但現在，它已經啓動了火力發電業務，也是第一批建造核電站的機構之一。隨着時間的推移，它也逐漸成爲美國最大的公用電力供應商。 【煤炭】 （木材-煤炭-石油/天然氣） 雖然煤炭是用來發電的，但“煤炭王”的美譽不能完全歸功於煤炭在電力行業的應用。1920年，煤炭的能源消耗份額達到頂峯，但只有7.3%的煤炭流向了電力公司。然而，隨着煤炭業務失去了廣泛的客戶羣，它越來越依賴於電力市場。1955年，發電用煤在煤炭中所佔的比例已經上升至32%。2015年，電力行業成爲主要煤炭用戶，美國有93%的煤炭都用於發電。雖然電力行業對煤炭行業的重要性不言而喻，但煤炭截至目前一直是電力業務中的一個比較重要的因素。1950年，煤電在美國電能總產量中佔46%。即使在2015年，煤電也佔美國所有發電量的33%。 美國的煤炭產量在第一次世界大戰期間達到巔峯，後面逐漸式微：石油和天然氣的競爭，煤炭使用效率大大提升。 【核能】 新產品要想贏得市場份額，通常要依靠更優惠的價格和更優良的性能。核能有其自身的複雜性，那麼它是如何佔據美國電力行業20%的市場份額的呢？這在很大程度上歸因於聯邦政府將發展核能設定爲助其贏得“冷戰”的戰略手段。 對於核能來說，一個目標是成爲“冷戰”時期的經濟武器，展現美國的經濟優勢；另一個目標是成爲“冷戰”時期的軍事武器。 核能和核武器的基本物理學原理是一樣的，都是用中子轟擊原子核並使其發生裂變。但核武器的目的是讓大量中子在同一時刻撞擊大量原子核，從而引起爆炸。快速中子是核武器所需要的，爲了得到快速中子，需要使用“濃縮鈾”。99%的天然鈾都可以用作核武器和核能的基本材料，這些鈾被稱作鈾238。製造核武器時，必須通過“鈾濃縮”的環節將鈾238轉化成鈾235，使鈾235的濃度超過90%。而核能需要的是“慢速中子”，通過核裂變獲得穩定的熱量，再用這些熱量把水變成蒸汽。一旦蒸汽產生，後面的發電過程就與傳統發電方式沒什麼不同了，因爲核電站也是用蒸汽驅動渦輪發電機發電。更重要的是，電力生產所需的鈾經過濃縮處理之後，鈾235的濃度通常只有3%左右。 里科弗常被人稱作“核動力海軍之父”，他是建造核反應堆並完成大規模電力生產的第一人。里科弗後來又建造了STR–Ⅱ反應堆，於1955年開始在下水的第一艘核動力潛艇“鸚鵡螺號”上運行。因爲美國海軍需要核潛艇，受到用柴油發動機給蓄電池充電的限制，當時的潛艇不能長時間待在水下，這個缺點削弱了潛艇偷襲敵人這個主要的軍事優勢，而核能的引入有可能使海戰發生革命性變化。 儘管許多人可能將核能的衰落歸因於三里島核事故，但事實上，核能衰落的根本原因在於核電站與煤電站的成本競爭。此外，核電站成本競爭失敗的根本原因可能是核能獲得了官方技術的身份，而這往往意味着商業化速度過快。里科弗的成功令人印象深刻，但他的目標是創建核動力海軍，而不是實現核能的大規模商業化。 【頁岩氣】 喬治·米歇爾的革命：在頁岩中進行水力壓裂作業，利用高壓將液體注入岩層讓其產生裂縫，釋放出天然氣。通常情況下，液體中99%的成分都是水和石英砂（石英砂是一種支撐劑，可以讓裂縫在形成後保持張開狀態）構成。此外，還包含少量的化學物質。這些化學物質是滑溜水的組成部分，目的是讓支撐劑保持懸浮狀態，並儘量減少摩擦，方便液體進入岩層。根據米歇爾的估算，他花了七八百萬美元和20年的時間，才掌握了頁岩氣鑽採技術。 2010—2012年，人們一致認爲，在考慮環境保護績效和可靠性的基礎上，天然氣發電技術是成本最低的可選技術。 頁岩氣革命對於應對全球氣候變化問題也有重要的作用，在電力生產上用天然氣取代煤炭，至少可以減少一半的二氧化碳排放。但隱患是水源污染和地震 【蕾切爾·卡森：寂靜的春天】 空氣污染的擔憂已經深深植根於美國的文化和法律，沒有哪一個電力政策是純粹的電力政策，所有政策都包含環境方面的內容。所有的政策法規都不再關心“如何將電力成本降到最低”，而是想方設法將電力生產的危害減到最小。 【美國解除政府監管，強化市場競爭】 大蕭條時代規模越大效益越好的日子已成爲歷史，壟斷性的公用事業公司沒有現成的方案來解決它們面臨的問題：成本超支，核電站業績不佳，石油危機和空氣污染。 三、馬斯克在做的事 馬斯克對電力行業的重要性表現在兩個方面。 一是他掀起了需求側革命。電池驅動的特斯拉汽車可以用現有的電力系統——電網，或者太陽能及其他未接入電網的設備完成充電，通過這些電動汽車，馬斯克可以培養出新的電能用戶。 二是他掀起了供給側革命。馬斯克決心創造一種新的供電系統，來替代傳統電網。馬斯克明確表示，最終家庭或商業建築的業主可以將屋頂的太陽能電池板和電能存儲設備結合在一起，從而減少對電網的依賴。當太陽昇起時，這些組合設備就可以滿足用戶的電力需求，同時把在白天生產的多餘電能儲存到存儲設備中；當太陽落山後，儲存的電能就會被用來滿足用戶晚上的電力需求。屋頂的太陽能裝置與Powerwall電池的存儲能力結合在一起，創造出一個全新的電力系統。我們可以稱爲“個人能源”，但未來有一天它或許可以與電網形成競爭之勢。 馬斯克的三家公司反映了一些成熟行業正在面對顛覆性的競爭：SpaceX挑戰的是航天行業，特斯拉汽車挑戰的是汽車行業，太陽城挑戰的則是電力行業。 四、即將到來的第二次電力系統之爭 電網有一種通常被稱爲微電網的可替代技術。微電網仍然是一個電網，它根據電力需求供應電能，但規模要小得多。 電網的另一個競爭對手——個人電力系統，也有很好的表現。如馬斯克的電池組。 這些新興技術爲第二次電力系統之爭創造了機會。事實上，這是規模較小、區域性的愛迪生式電力系統（以微電網和個人電力系統爲代表）和威斯汀豪斯式大規模電網展開的又一場競賽。第一次交鋒標誌着向交流電系統的重大良性發展，第二次交鋒可能會帶來同樣的好處，它會改善電力系統在用戶心目中的門階可靠性和環境績效，併爲用戶提供多種選擇。 當然這並不意味着微電網和個人電力系統的成本不高，也不意味着所有的技術和政策問題都已經解決了，同樣沒有說他們很可能會獲勝。

一本可以如此引人入勝的科學書籍。如果大學課本能這麼精彩，一定能提升學生的學習興趣和效果。堪稱綜述性論文的典範。對我近期的研究工作很有啓發。爲啥中國人就寫不出來這麼精彩有趣的科學報告呢？ 全書主要脈絡： 富蘭克林時代 證明了閃電不是上帝的怒火，閃電也是電。風箏試驗讓富蘭克林名聲大噪，爲北美殖民地爭取到法國支持，實現了美國獨立。富蘭克林對於美國人而言，不僅是科學家更是民族獨立自由的戰士。 瓦特蒸汽機，改變了工業佈局，形成了規模經濟，蒸汽動力同時也是未來電力生產的主要形式。瓦特也是電力功率的單位。 法拉第，發現電磁感應現象，奠定三大發明的基石：電動機、發電機、電磁波（現代通信技術）。 愛迪生，發明白熾燈，建立第一個完整的電力系統（發電機、輸電線路、開關、用戶），奠定現代電力系統的基礎。 威斯汀和特斯拉，交流電取代直流成爲一個世紀以來的電力系統標準技術體系，電網規模從城市擴大到更大範圍，爲後期水電開發、核能開發奠定基礎。 英薩爾，說服政府建立壟斷監管制度，設計兩部制電價，將供電服務和設備製造分離出來，構建了電力公用事業行業基礎。 胡佛水電站—羅斯福新政，經濟危機背景下的政府幹預政策縮影，第一次電力生產同時兼顧防洪等其他綜合社會效益。 核電站，冷戰時期用於外交手段的官方技術，一直依賴政府補貼，造價高昂，核泄漏危險不斷，官方技術並不一定代表商業的成功。 頁岩氣革命，緩解石油危機。 馬斯克，現代鋼鐵俠，新一輪能源技術革命，新能源和電池技術的應用，電力系統再次迴歸直流、低壓、小規模的愛迪生系統特點。歷史就是這麼奇妙。 向人類發展史上這些偉大的人物致敬！ 對未知世界的探索精神和創新精神纔是人類社會進步的動力。守着老祖宗規矩不敢越雷池一步和寄託於賢君聖人的華夏民族何時能樹立真正的科學精神？我們也需要一場文藝復興。

挺有意思的科學簡史，最主要是介紹了我們書本中耳熟能詳的科學家、定理背後的時代發展歷史和思想靈感來源，進而簡述了從經典力學、電學、磁力、場論等不同理論逐漸演進的過程，把印象中教材割裂的章節串了起來，認知負擔會小很多。由此不得不感嘆，閱讀學科史的重要性。

這本書不是電的科學史，是電的跑題史。唯一帶給我的是第八章裏面有關多樣性的觀點“國家監管（聯邦化）的真正危險在於它會導致標準化。美國是一個多樣化大國，多樣性是一個有利條件。未來是不確定的，不同的州對於如何降低風險有着不同的看法。就像多樣化的股票投資組合一樣，實行多樣化的國家政策，從全局來看，可以保證所有的可選方案都有人嘗試。多樣性再加上創新性，最好的選擇自然會浮出水面。多樣性還允許根據當地的需要和機會量身定製行動，所以人們擔心聯邦化可能會削弱多樣性。” 一直以來的認知是政策的統一帶來高效，沒從統一的負面考慮過，這段話給我開了一扇不同視角的窗。是看這本書的收穫吧。