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科学研究的“特斯拉现象”

已有 9808 次阅读 2010-1-8 03:50 |个人分类:科研与教学|系统分类:科研笔记| 特斯拉, 现象, 象限

科学研究的“特斯拉现象”

清华大学的刘立教授在博客上发文《科技研究的四象限分类:钱学森象限》,强调有一种科研叫“钱学森象限”。他认为钱学森是国家战略目标导向下的技术开发研究的代表人物。下图1是他博文里面的图。
图1 科学研究的象限分类
在文中他还提到司托克斯的科学研究的“四分类”。 司托克斯主张根据科学研究是否“追求基本认识”和是否有“应用考虑”,把科学研究划分为四个象限,如下图2所示。
2 司托克斯的科学研究象限模型
  (资料来源:司托克斯.基础科学与技术创新——巴斯德象限.周春彦,谷春立译.北京:科学出版社,1999.63)
I象限是在认知需求的引导下的且无实际应用考虑的研究,可称之为“纯基础研究”。玻尔对原子结构的探索是这种研究的典型代表,故称玻尔象限。第II象限的研究既有扩展知识的目标,又有应用目的,可称之为“应用激发的基础研究”。法国巴斯德对发酵的基础研究,是为了解决在利用甜菜制造酒精过程中的问题。他发现了导致发酵现象的微生物及其制造酒精的机理。巴斯德开发出了接种牛痘疫苗,既解决了实际问题,也扩展的科学知识。巴斯德的研究工作是“应用激发的基础研究”的典型。第III象限只求应用目标的纯应用研究,爱迪生的工作是典型。第IV象限的研究既不以追求基本认识为目标,又不以追求应用价值为目的。
本文作者认为:对科学研究的属性用象限,尤其用二维象限来划分,从科学研究的历史和发展来看,未免失之简单。本文希望提出一个概念,即科学研究中的“科学家现象”。这是借用竞技体育运动中的一个术语。我们经常说“梅西的表现是现象级的”、“C罗的表现是现象级的”。因此我们可以定义“现象级”的科学家,他代表了一种类型的科学研究属性和研究风格。也许以后我们可以这么说:爱因斯坦/波尔现象、巴斯德现象、爱迪生现象、钱学森现象、袁隆平现象等等。
当今时代,我认为已进入可以称作为工程科学时代的历史时期。在这个工程科学研究日显其重要性的时代,有一位科学家尤其值得我们关注,他就是尼古拉·特斯拉(Nikola Tesla,1856—1943)。 我认为特斯拉是一位真正现象级的科学大师,他的科学研究风格特别适合今天的这个工程科学时代。而他正因为超前他那个时代太多,所以很难得到当时人的理解,以至于到目前为止他没有获得应有的科学史上的地位。
以下简单介绍特斯拉的科研经历和成就。(主要资料来自百度百科
  特斯拉出生于克罗地亚的史密里安,后加入美国籍。早年在巴黎欧洲大陆爱迪生公司任职,后在美国与爱迪生(1847—1931)共同工作。他发明了交流发电机,他开创了特斯拉电气公司,从事交流发电机、电动机、变压器的生产,并进行高频技术研究,发明了高频发电机和高频变压器。1889年,特斯拉在美国哥伦比亚,实现了从科罗拉多斯普林斯至纽约的高压输电实验。从此,交流电开始进入实用阶段。1893年,他在芝加哥举行的世界博览会上用交流电作了出色的表演,并用他制成的“特斯拉线圈”证明了交流电的优点和安全性。  此后,他还从事高频电热医疗器械、无线电广播、微波传输电能、电视广播等方面的研制。为表彰他早在1896~1899年实现200 kV、架空57.6 m的高压输电成果,与制成著名的特斯拉线圈和在交流电系统的贡献,在他百年纪念时(1956年)国际电气技术协会决定用他的名字作为磁感强度的单位。特斯拉终身未婚,将一身献给了科学事业。1943年,特斯拉在一家小旅馆孤独去世。他逝世的时候,除了成吨的文件资料,没有留下任何财产和遗言。
特斯拉是上个世纪之初少有的科学理论和实验以及工程实践的通才。他在机电工程,无线电工程,流体工程,低温工程,地球物理,真空技术,飞行器技术方面等等都有专利成就。特斯拉在各个国家的所有专利总共加起来有700多项。
特斯拉不仅是科学家,致力于探索和把握的未知自然现象,而且是伟大的工程师。特斯拉最有价值的成就是发现了旋转磁场原理,发明了多相交流供电系统和交流感应电动机。他的最著名的发明是“特斯拉线圈”,这是一种分布参数高频共振变压器,可以获得上百万伏的高频电压。他是最早制作成功荧光灯和发现和研究X射线的科学家之一,并首先发现了红宝石激光效应,以及点电子显微镜效应。特斯拉还是无线电遥控的鼻祖,他使用谐振电路最早实现了计算机“与门”的逻辑原理,还最早阐述了雷达的原理,还最先用他自制的高灵敏度接收机接收到了天外无线电脉冲信号,探测过宇宙射线,发明过一种革命性的无叶片涡轮机等等。特斯拉线圈的线路和原理都非常简单,但要将它调整到与环境完美的共振很不容易,特斯拉就是特别擅长这项技艺的人。
特斯拉发明了所谓的“放大发射机”,现在称之为大功率高频传输线共振变压器,用于无线输电试验。特斯拉把地球作为内导体,地球电离层作为外导体,通过他的放大发射机,使用这种放大发射机特有的径向电磁波振荡模式,在地球与电离层之间建立起大约8赫兹的低频共振,利用环绕地球的表面电磁波来传输能量。这一系统与现代无线电广播的能量发射机制不同,而与交流电力网中的交流发电机与输电线的关系类似,当没有电力接收端的时候,发射机只与天地谐振腔交换无功能量,整个系统只有很少的有功损耗,而如果是一般的无线电广播,发射的能量则全部在空间中损耗掉了。特斯拉有生之年没有财力实现这一主张。后人从理论上完全证实了这种方案的可行性,证明这种方案不仅可行,而且效率极高,对生态安全,并且不会干扰无线电通信。只不过涉及到世界范围内的能量传播和免费获取,在现有的政治和经济体制下,这种传输方案无法实现。
  特斯拉成就与他敢于冒险的勇气密不可分。他所从事的极高电压的研究充满生命危险,并且常常冒着生命危险进行各种示范表演。他最拿手的好戏是让上百万伏的高频电压通过自己的身体,展示出惊人的放电效应。在研究过程中,他受过电击,受过大剂量的X射线的照射,在研究磁暴线圈时,感受磁暴对生命意识的影响,而同样强度的磁暴能够让附近的金属箔挥发得无影无踪。早在1912年特斯拉提出:“若把物体的振动和地球的谐振频率正确地结合起来,在几个星期内,就可以造成地动山摇、地面升降。”1935年,特斯拉在其实验室打了一个深井,并在井内下了钢套管。然后,他将井口堵塞好,并向井内输入不同频率的振动。奇妙的是,在特定的频率时,地面就会突然发生强烈的振动,并造成了周围房屋的倒塌。当时的一些杂志评论说:“特斯拉利用一次人工诱发的地震,几乎将纽约夷为了平地”。这就是著名的特斯拉实验。这种小输入强输出的超级传输效应称为特斯拉效应,是地球物理武器的关键,所以特斯拉也是超距武器的奠基人。
  天才出于勤奋,为了献身科学研究事业,特斯拉终身不娶。他说:“电给我疲乏衰弱的身躯注入了最宝贵的东西一一生命的活力、精神的活力”。他为了把构思转变成现实发明,他舍不得睡觉,每天只睡2个多小时。特斯拉的专利是他个人独自构思和撰写的,是名副其实的专利发明人。
特斯拉在科学史中被人遗忘,有人认为是因为他反对相对论,坚持传统的物理观,与当时蓬勃发展起来原子物理学格格不入。也有人认为特斯拉为实现全球的无线输送电力革命,筹建了沃登克里弗广播塔,但在商业上没有成功,欠了投资人摩根一屁股债,摩根以他的经济和政治手腕,下令美国所有学校课本删除特斯拉的名字,从而一直影响到现在。还有人认为,特斯拉性情怪僻,得罪了不少同时代的科学家,尤其是和爱迪生的争斗使得他一生坎坷。1884年特斯拉因为仰慕爱迪生,被巴切勒推荐到美国加入爱迪生的公司。特斯拉和爱迪生天生就属于水火不相融的人,他们两人之间存在严重的分歧。爱迪生注重实践,是位凭经验在摸索中进行发明的人;特斯拉是那种注重理论的人,他觉得爱迪生的做法是十分愚蠢的,他认为实验必须要有理论依据做基础,而不是像爱迪生那样光一根灯丝就做了1000多种尝试。 1912年,由于特斯拉和爱迪生在电力方面的贡献,两人被同时授予诺贝尔物理学奖,但是两人都拒绝领奖,理由是无法忍受和对方一起分享这一荣誉。
本文作者认为最重要的原因是他的科研风格太超前于他的时代,被人理解为想入非非,不切实际,因而不太受正统的科学团体所欢迎,甚至被斥为卖弄江湖妖术的骗子,他的实验室也被描绘成“散发出妖气的阴森森的中世纪炼丹术士的场所”。因此后人对他的评价明显地低于了他的历史成就。
特斯拉天生奇才,他反对空谈理论,总是以自己设计的巧妙实验来说话。他以多才多艺的实践成就,为后人树立了榜样。工程科学时代,越来越多的科学家认识到,社会工程实践是科学的源泉,是人与大自然联系的桥梁,特斯拉曾经有过的主张必将越来越受到科学界的重视,特斯拉的影响可以说是波及未来。也将缔造新的特斯拉现象。
命运弄人,特斯拉被称为“被历史遗忘的天才”。如果用象限来分类,他应该属于哪个象限呢?所以我们还是命名为特斯拉现象吧,自主创新的中国需要特斯拉级的大师,创新的中国呼唤特斯拉级科学家的产生!

 







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