电的科学史

这本《电的科学史》，读了，才发现，是一本写电在美国的发展过程。狭隘了…… 先写富兰克林，讲我们耳熟能详富兰克林放风筝从天空取电的故事，后面就讲爱迪生和特斯拉，讲他们如何生产电，然后运输使用电，改善民生！然后就讲到了爱因斯坦，讲到了原子弹 ，讲到了原子能民用化，讲到了核反应堆泄露，讲到了《寂静的春天》这部书，讲到了这部没写电力的书是如何通过环保的观念影响到电力的开发，然后是碳排放，清洁能源，光伏能源，电动汽车，最后竟然用埃隆.马斯克作为结尾！ 看完，我陷入了沉思，它改变了我对美国人的看法，起先，美国人，在我眼里，是特别牛掰存在，但是，这本书，却让我直接看低了他们，从电力角度来写，都写到埃隆.马斯克 却对美国外的世界一字不提，他刻意的回避，只能说明，过于自负，在世界范围，他所陈述的电力发展，与事实不符。

本书作者是美国学者克雷格·罗奇，他是一位有着40多年从业经验的电力行业专家。罗奇本科毕业于美国约翰·卡罗尔大学，后在威斯康星大学获得经济学博士学位，他曾经是北美地区监管流程和法律方面的专家顾问，之后创办了一家专门从事电力和天然气业务的咨询公司——波士顿太平洋公司，并担任总裁职务。 关于本书 这本书是一本回顾电的发展历程的历史科普书，通过若干位关键科学家的历史事迹，串联起人们从认识电、到应用电、再到反思电的历史全过程。与此同时，这本书还向我们展示了电的科学史中的一些典型特征，这些特征能很好地对应起来人类科学技术发展的典型路径，所以通过这本书，我们还能对人类科技进步的一般方式有一个大致的了解。 核心内容 在二百多年前，电对人类还是一种神秘而且带有恐怖色彩的现象，直到富兰克林提出第一个系统性的电学理论，帮助人类迈出认识电的第一步，人类才算揭开了电的科学史的第一页。从此以后，法拉第和麦克斯韦深化了对电的本质的了解，爱迪生和特斯拉创造出了今天人类电力工业的雏形，英萨尔将电推广至千家万户，马斯克则引领了未来用电的新方向。在此期间，人类认清楚了电的本质，有了大规模使用电的能力，也有了对电力的进一步反思。从这个角度来看，人类仍然在谱写着未完待续的电的科学史。

虽然书名涵盖不了本书的全部内容，虽然本书也不是我期待的全部内容。我原本只是想找一本书，看看，电是如何改变我们生活，包括电视机，电冰箱，空调，电脑等，结果： 这本书大概说了五段故事 第一段讲电的发现以及电的科学发现史，当然有名人物是法拉第和麦克斯韦，爱因斯坦那一段，说真，在《物理学的进化》有点抄袭的感觉； 第二段就是电流大战，原来我以为电流大战，是爱迪生和特斯拉之间，这次发现一个伟大的人物，威斯汀豪斯，也就是西屋电气的创始人吧，轨道信号里的大厂。这个人发明了道岔和空气制动，为铁路的安全发展奠定了大的基础。 第三段则是，终端产品有了，对电力的需求就有了，于是有了电力公用事业公司，怎么发展？答案是规模经济，但按成本加成法，很容易就形成了垄断企业。 第四段则是放松监管，制定官方技术，核能。 第五段，寂静的春天，环保问题呼之欲出。因为电力仍然依靠煤等化石燃料。 看完，感觉老美很难产生地铁，高铁这种食物，除非马斯克富可敌国，嗯，富可敌国也很难，线性工程在美国这样的国家太难统一协调，因为美国人基因里带着自由和市场。

这书应叫《美国电力能源事业史》，前面部分虽然介绍了电和电器电机的科学发现发明史，后半部分则是关于美国政府和投资商如何为电力提供能源支撑以及应对生态环境问题的投术政策。所以单从原书名看，书中内容经常有跑题嫌疑。

书的一开始是非常通俗易懂的内容，会让你以为作者只是一个“青铜”作家。   可是如果你也读过很多的科学内容的书籍，你会突然发现，在这样简单易懂的文字里，作者对于故事的精简提炼，对引用的内容和所解释的概念，真的精妙深刻至极。   作者背后做的这些努力，会让你因为文本简洁明了，通俗易懂，既不繁杂，又一言直指核心，如果你没有经历过市面上大量科学书籍的阅历，你会完全意识不到作者简单的文本背后的高明！   书名虽然只是电的科学史，但其中，电力，科学，商业和社会生活革变之间的描述不仅让人不用琢磨繁杂晦涩的书本文字，就可以窥见一般。而对于与电相关的科学理论所引用的语句，真的简洁又直指内核。作者没有对历史和科学有非常精到的研究和理解，真的没法能把这样的内容，既写得简明易读，又不时让你突然一惊。    而其中让我印象非常深刻的内容，其中一个是爱迪生的助手和他创立的规模化电力公司遭到金融迫害的一段，感觉作者文字背后的信息量不简单，但是作者又一直从未过分地在文里掺杂个人的好恶。    而另一部分则是，写在爱因斯坦的相对论下，核电的发展。其中掺杂的关于爱因斯坦对相对论的理解，所引用的那些语句，真的让人耳目一新。我所有的科学书籍里，关于相对论的解释的，没有如此简短而出彩的。    另外，对于一部史学书籍来说，它当然没有让人有学术著作的那种篇幅巨大，语言相当严谨而晦涩，内容相当地繁杂。不过正是在这个内容简明通俗的前提下，这本书就变得异常优越了！    

马斯克对电力行业的重要性表现在两个方面：一是他掀起了需求侧革命，通过电动汽车可以培养出新的电能用户；二是掀起了供给侧革命，他决心创造一种新的供电系统，来替代传统电网。今天关于电学的讨论，鲜少有像电学研究引发伟大科学革命这样的内容。回溯历史，富兰克林在暴风雨中放飞了他的风筝，让世界“看到”了电；瓦特发明了影响工业革命的蒸汽机，即使到今天蒸汽也是世界上大部分电力生产的基本原材料；法拉第发现了电磁感应，并发明了电动机和发电机为新兴的电力工业提供了基本技术；麦克斯韦充满敬意地为法拉第电和磁的思想赋予了数学的严谨性和想象力，从而使物理学发生了翻天覆地的变化；揭开电磁波的神秘面纱之后，摩尔斯因此发明了电报，电报把整个世界联系在一起，这与今天的互联网并无二致；爱迪生不仅发明了电灯泡，还让电气照明系统实现了商业化；威斯汀豪斯与特斯拉则并肩作战，建造了商业规模的交流供电系统，开创了电力行业；塞缪尔·英萨尔让电变成人人用得上并且用得起的资源，从而开创了电能业务；爱因斯坦的E=mc2方程，是核武器和核技术的科学基础，无论这些技术给我们带来了什么，爱因斯坦都不应受到指责，也不应独占全部功劳，但他确实推动了这些技术的发明；通过《寂静的春天》，卡森发起了现代环境保护运动；乔治·米歇尔的页岩气革命影响了能源供应和能源成本，改变了天然气和电力行业的格局。看看，如果我们开动脑筋发挥想象力，会得到什么。

人类对电的理解是基于有史以来最惊人的科学发现，这是电与其他传统能源的一个区别。 爱因斯坦认为，电不仅仅是19世纪和20世纪科学发现道路上的一站，对电的研究本身就是一条科学发现之路。 2003年，美国国家工程院将电气化评选为20世纪最伟大的工程技术成就。 一、早期历史脉络 【富兰克林】 “研而优则仕”的政治家，信奉牛顿学说的实验科学家，被康德誉为“现代普罗米修斯”。 1.风筝实验：闪电是电 2.用正负电荷解释莱顿瓶原理。 3.发明了避雷针。 【瓦特】 改良了纽可门的蒸汽机模型，通过设计冷凝器提高了效率。 1.直接影响：瓦特取得这项重大突破后的100年里，动力成本下降了近80%，蒸汽动力在美国所有动力应用中的占比高达90%，远远超过水能、风能等。即使到了今天，蒸汽也是世界上大部分电力生产的基本原材料。 2.间接影响：不仅促使铜矿业发生了革命性的变化，从根本上改变了棉花行业的状况，对钢铁行业也大有裨益。蒸汽机彻底消除了工厂在选址方面的局限性（不再需要依水而建），使规模经济得以实现。在做了进一步的改进之后，蒸汽机还被应用于火车和轮船，从而使交通状况也发生了翻天覆地的变化。 今天，历史学家认为，帮助工厂摆脱地理条件的限制将蒸汽机的发明与城市化进程联系在一起。从更宽泛的角度来看，它彰显了通用技术与经济增长之间的某种联系。 【法拉第】 1.电动机 1820奥斯特发现电磁感应，证明电会产生磁。1821年，法拉第进一步发现电与磁的相互作用。他把一个永磁体放到有电流通过的导线旁边，结果那根导线绕着永磁体的磁极旋转起来。这就是说，在磁的作用下，电能可以转化为机械能（电线发生了旋转现象），做机械功。从法拉第发现电与磁的基本关系直到现在，工厂和家庭使用的所有电动机都是基于这一发现设计而成的。 2.发电机 电动机利用电能完成机械运动，发电机则相反，通过机械运动产生电流。这两种技术的核心都是电磁感应。这样就把瓦特与电学联系起来了，因为让磁体来回运动的装置就是瓦特发明的蒸汽机。全世界的电力生产过程中，第一个步骤大多是通过燃烧煤炭、天然气等燃料或者利用核反应中产生的热量来制造蒸汽。然后，利用这些蒸汽驱动涡轮机，使磁体在线圈中旋转，进而产生电。 3.电磁波 法拉第还证明了电流也能产生感应电流。当一根导线上有电流通过时，可以在附近的导线中产生可检测到的电流。这种电—电感应为变压器技术的发明创造了条件。另外，法拉第驳斥了牛顿力学中的超距作用，指出力不是通过真空传递的，而是通过空间中的粒子相互传递的。在麦克斯韦和爱因斯坦各自独立完成的现代场理论研究的推动之下，法拉第的这个观点最终变成了主流理论。借助这些后来科学家的研究，法拉第的理论为电磁波研究奠定了基础，电磁波是现代通信技术的基础。 【麦克斯韦】 1.把法拉第电学实验和拉格朗日数学完美结合。麦克斯韦之所以舍弃牛顿力学，而选择拉格朗日数学，是因为物体质量这个概念不再是解释物理世界的主要方法。运动可以用物体的变化来解释，我们不需要知道这些物体到底是什么，而可以根据这些物体的实际属性进行抽象化处理。麦克斯韦取得的最直接成果就是动力系统来理解电磁波。 2.《电磁通论》——实现了电、磁、光的统一。 如果电场真的会产生磁场，磁场真的会产生电场，电场和磁场就必然会以跳背游戏的方式，不断在空间中延伸。因此，将奥斯特效应和法拉第电磁感应定律结合在一起，就会得到完整的电磁波概念。按照麦克斯韦的构想，电磁波包含电场发出的平滑的振荡波（或正弦波）与磁场发出的正弦波，两者相互耦合。我们可以把正弦波想象成使用消防滑杆下滑的人。这个人不是垂直滑向地面，而是旋转下滑。电磁波的空间传播方式使麦克斯韦大受启发，也使他的研究得出了一个令人惊讶的结果：所有的电磁波都以同样的速度传播。然而，速度是一个观测概念，而不是理论概念，所以速度必须通过实验来确定。麦克斯韦认为，既然电磁波的传播速度是光速，那么光本身也是一种电磁波。 【摩尔斯】 摩尔斯电报与其他电报最关键的区别在于，它是用电和磁来工作的，而其他电报，例如法国人的发明，用的则是物理符号。 电报是电磁学这门新科学在商业领域的第一项应用。其原理是通过电线传送时断时续的电流，磁化铁针，再以电磁波形式传输。然而，这个简单的装置却充分展示了电的重要商业价值，也彻底改变了通信状况。电在现代电信行业的诞生过程中发挥了至关重要的作用，尽管电力行业和电信行业最终分道扬镳，但它们仍然是这门伟大科学催生的“孪生兄弟”。 电报的重要性远远超出普通意义上的巧妙发明。它把整个世界联系在一起，这与今天的互联网并无二致。电报为市场和企业扩大规模创造了条件，它对经济的影响远远超出它的建设成本。电是驱动通信技术发展的无形力量，现代通信技术是全球经济的基础。 【爱迪生】 开启了包括电灯泡和发电机在内的整个电气行业新时代。 【威斯汀豪斯（西屋）】 1.不认同爱迪生的直流电系统，他认为交流供电系统的电力输送比较经济，这意味着人们可以利用遥远的电力资源，比如尼亚加拉瀑布的水电站大坝。奠定了电气行业的技术与规模基础。 2.对铁路行业的贡献：发明了制动系统及信号与道岔装置，提前预防列车事故。 【特斯拉】 1.交流电系统 2.交流发电机 3.无线电力传输（被马可尼占了先机，实际特斯拉更早） 特斯拉的发现和发明不仅对电动机产生了影响，还影响了交流供电系统的所有组成元素。最重要的是，交流电可以长距离传输，因为交流电的电压可以根据需要很方便地变换。 【英萨尔】 推动了垄断监管体系的建立，实现了电能的规模经济。让每个人都用得起电。 二、影响电力行业的几个转折： （能源因素+气候因素+社会因素） 【水利】 胡佛水坝把电力服务推广至美国西部，田纳西河流域管理局则让电力服务延伸至美国南部。 胡佛水坝并没有受限于当时的电力需求，而是着眼全局去解决美国西部的供水和防洪问题，电力生产的主要目的是对经济投入做出补偿。 田纳西河流域管理局则随着战争期间电能产量激增，从一个专注于河运和农业发展的区域机构，转变为一个规模庞大的电力垄断组织。在刚成立时，田纳西河流域管理局的首要任务是水力发电，但现在，它已经启动了火力发电业务，也是第一批建造核电站的机构之一。随着时间的推移，它也逐渐成为美国最大的公用电力供应商。 【煤炭】 （木材-煤炭-石油/天然气） 虽然煤炭是用来发电的，但“煤炭王”的美誉不能完全归功于煤炭在电力行业的应用。1920年，煤炭的能源消耗份额达到顶峰，但只有7.3%的煤炭流向了电力公司。然而，随着煤炭业务失去了广泛的客户群，它越来越依赖于电力市场。1955年，发电用煤在煤炭中所占的比例已经上升至32%。2015年，电力行业成为主要煤炭用户，美国有93%的煤炭都用于发电。虽然电力行业对煤炭行业的重要性不言而喻，但煤炭截至目前一直是电力业务中的一个比较重要的因素。1950年，煤电在美国电能总产量中占46%。即使在2015年，煤电也占美国所有发电量的33%。 美国的煤炭产量在第一次世界大战期间达到巅峰，后面逐渐式微：石油和天然气的竞争，煤炭使用效率大大提升。 【核能】 新产品要想赢得市场份额，通常要依靠更优惠的价格和更优良的性能。核能有其自身的复杂性，那么它是如何占据美国电力行业20%的市场份额的呢？这在很大程度上归因于联邦政府将发展核能设定为助其赢得“冷战”的战略手段。 对于核能来说，一个目标是成为“冷战”时期的经济武器，展现美国的经济优势；另一个目标是成为“冷战”时期的军事武器。 核能和核武器的基本物理学原理是一样的，都是用中子轰击原子核并使其发生裂变。但核武器的目的是让大量中子在同一时刻撞击大量原子核，从而引起爆炸。快速中子是核武器所需要的，为了得到快速中子，需要使用“浓缩铀”。99%的天然铀都可以用作核武器和核能的基本材料，这些铀被称作铀238。制造核武器时，必须通过“铀浓缩”的环节将铀238转化成铀235，使铀235的浓度超过90%。而核能需要的是“慢速中子”，通过核裂变获得稳定的热量，再用这些热量把水变成蒸汽。一旦蒸汽产生，后面的发电过程就与传统发电方式没什么不同了，因为核电站也是用蒸汽驱动涡轮发电机发电。更重要的是，电力生产所需的铀经过浓缩处理之后，铀235的浓度通常只有3%左右。 里科弗常被人称作“核动力海军之父”，他是建造核反应堆并完成大规模电力生产的第一人。里科弗后来又建造了STR–Ⅱ反应堆，于1955年开始在下水的第一艘核动力潜艇“鹦鹉螺号”上运行。因为美国海军需要核潜艇，受到用柴油发动机给蓄电池充电的限制，当时的潜艇不能长时间待在水下，这个缺点削弱了潜艇偷袭敌人这个主要的军事优势，而核能的引入有可能使海战发生革命性变化。 尽管许多人可能将核能的衰落归因于三里岛核事故，但事实上，核能衰落的根本原因在于核电站与煤电站的成本竞争。此外，核电站成本竞争失败的根本原因可能是核能获得了官方技术的身份，而这往往意味着商业化速度过快。里科弗的成功令人印象深刻，但他的目标是创建核动力海军，而不是实现核能的大规模商业化。 【页岩气】 乔治·米歇尔的革命：在页岩中进行水力压裂作业，利用高压将液体注入岩层让其产生裂缝，释放出天然气。通常情况下，液体中99%的成分都是水和石英砂（石英砂是一种支撑剂，可以让裂缝在形成后保持张开状态）构成。此外，还包含少量的化学物质。这些化学物质是滑溜水的组成部分，目的是让支撑剂保持悬浮状态，并尽量减少摩擦，方便液体进入岩层。根据米歇尔的估算，他花了七八百万美元和20年的时间，才掌握了页岩气钻采技术。 2010—2012年，人们一致认为，在考虑环境保护绩效和可靠性的基础上，天然气发电技术是成本最低的可选技术。 页岩气革命对于应对全球气候变化问题也有重要的作用，在电力生产上用天然气取代煤炭，至少可以减少一半的二氧化碳排放。但隐患是水源污染和地震 【蕾切尔·卡森：寂静的春天】 空气污染的担忧已经深深植根于美国的文化和法律，没有哪一个电力政策是纯粹的电力政策，所有政策都包含环境方面的内容。所有的政策法规都不再关心“如何将电力成本降到最低”，而是想方设法将电力生产的危害减到最小。 【美国解除政府监管，强化市场竞争】 大萧条时代规模越大效益越好的日子已成为历史，垄断性的公用事业公司没有现成的方案来解决它们面临的问题：成本超支，核电站业绩不佳，石油危机和空气污染。 三、马斯克在做的事 马斯克对电力行业的重要性表现在两个方面。 一是他掀起了需求侧革命。电池驱动的特斯拉汽车可以用现有的电力系统——电网，或者太阳能及其他未接入电网的设备完成充电，通过这些电动汽车，马斯克可以培养出新的电能用户。 二是他掀起了供给侧革命。马斯克决心创造一种新的供电系统，来替代传统电网。马斯克明确表示，最终家庭或商业建筑的业主可以将屋顶的太阳能电池板和电能存储设备结合在一起，从而减少对电网的依赖。当太阳升起时，这些组合设备就可以满足用户的电力需求，同时把在白天生产的多余电能储存到存储设备中；当太阳落山后，储存的电能就会被用来满足用户晚上的电力需求。屋顶的太阳能装置与Powerwall电池的存储能力结合在一起，创造出一个全新的电力系统。我们可以称为“个人能源”，但未来有一天它或许可以与电网形成竞争之势。 马斯克的三家公司反映了一些成熟行业正在面对颠覆性的竞争：SpaceX挑战的是航天行业，特斯拉汽车挑战的是汽车行业，太阳城挑战的则是电力行业。 四、即将到来的第二次电力系统之争 电网有一种通常被称为微电网的可替代技术。微电网仍然是一个电网，它根据电力需求供应电能，但规模要小得多。 电网的另一个竞争对手——个人电力系统，也有很好的表现。如马斯克的电池组。 这些新兴技术为第二次电力系统之争创造了机会。事实上，这是规模较小、区域性的爱迪生式电力系统（以微电网和个人电力系统为代表）和威斯汀豪斯式大规模电网展开的又一场竞赛。第一次交锋标志着向交流电系统的重大良性发展，第二次交锋可能会带来同样的好处，它会改善电力系统在用户心目中的门阶可靠性和环境绩效，并为用户提供多种选择。 当然这并不意味着微电网和个人电力系统的成本不高，也不意味着所有的技术和政策问题都已经解决了，同样没有说他们很可能会获胜。

一本可以如此引人入胜的科学书籍。如果大学课本能这么精彩，一定能提升学生的学习兴趣和效果。堪称综述性论文的典范。对我近期的研究工作很有启发。为啥中国人就写不出来这么精彩有趣的科学报告呢？ 全书主要脉络： 富兰克林时代 证明了闪电不是上帝的怒火，闪电也是电。风筝试验让富兰克林名声大噪，为北美殖民地争取到法国支持，实现了美国独立。富兰克林对于美国人而言，不仅是科学家更是民族独立自由的战士。 瓦特蒸汽机，改变了工业布局，形成了规模经济，蒸汽动力同时也是未来电力生产的主要形式。瓦特也是电力功率的单位。 法拉第，发现电磁感应现象，奠定三大发明的基石：电动机、发电机、电磁波（现代通信技术）。 爱迪生，发明白炽灯，建立第一个完整的电力系统（发电机、输电线路、开关、用户），奠定现代电力系统的基础。 威斯汀和特斯拉，交流电取代直流成为一个世纪以来的电力系统标准技术体系，电网规模从城市扩大到更大范围，为后期水电开发、核能开发奠定基础。 英萨尔，说服政府建立垄断监管制度，设计两部制电价，将供电服务和设备制造分离出来，构建了电力公用事业行业基础。 胡佛水电站—罗斯福新政，经济危机背景下的政府干预政策缩影，第一次电力生产同时兼顾防洪等其他综合社会效益。 核电站，冷战时期用于外交手段的官方技术，一直依赖政府补贴，造价高昂，核泄漏危险不断，官方技术并不一定代表商业的成功。 页岩气革命，缓解石油危机。 马斯克，现代钢铁侠，新一轮能源技术革命，新能源和电池技术的应用，电力系统再次回归直流、低压、小规模的爱迪生系统特点。历史就是这么奇妙。 向人类发展史上这些伟大的人物致敬！ 对未知世界的探索精神和创新精神才是人类社会进步的动力。守着老祖宗规矩不敢越雷池一步和寄托于贤君圣人的华夏民族何时能树立真正的科学精神？我们也需要一场文艺复兴。

挺有意思的科学简史，最主要是介绍了我们书本中耳熟能详的科学家、定理背后的时代发展历史和思想灵感来源，进而简述了从经典力学、电学、磁力、场论等不同理论逐渐演进的过程，把印象中教材割裂的章节串了起来，认知负担会小很多。由此不得不感叹，阅读学科史的重要性。

这本书不是电的科学史，是电的跑题史。唯一带给我的是第八章里面有关多样性的观点“国家监管（联邦化）的真正危险在于它会导致标准化。美国是一个多样化大国，多样性是一个有利条件。未来是不确定的，不同的州对于如何降低风险有着不同的看法。就像多样化的股票投资组合一样，实行多样化的国家政策，从全局来看，可以保证所有的可选方案都有人尝试。多样性再加上创新性，最好的选择自然会浮出水面。多样性还允许根据当地的需要和机会量身定制行动，所以人们担心联邦化可能会削弱多样性。” 一直以来的认知是政策的统一带来高效，没从统一的负面考虑过，这段话给我开了一扇不同视角的窗。是看这本书的收获吧。