爱迪生

    一

    爱迪生在许多技术领域进行了大量发明。其中有一项发明，随着时光的推移而日臻完善，常常与现代人形影不离，成为不可或缺的东西，而且在全世界迅速和广泛地得到了普及，大大地提高了人们享受的文化生活条件。这项发明就是白炽灯。在爱迪生以前的75年期间，有许多人曾试图制造并且也实际采用了这种光源。在实际运用中虽然有时获得了令人鼓舞的结果，然而也常常使研究的人大失所望。只有爱迪生合理地用白炽灯解决了电照明问题，因为他把有助于顺利成功地完成发明创造的新原理运用于白炽灯装置中。爱迪生之所以取得成功，不仅是因为他在设计白炽灯过程中，选择了一条与他的前辈根本不同的合理方法，而且还因为爱迪生着手创造白炽灯的时候，也正是广泛使用白炽灯的先决条件完全成熟的时候。在上一世纪70年代中期以前还没有这些先决条件，而其中最主要的先决条件是要有性能良好的发电机。爱迪生开始研究和设计白炽灯正是在对广泛运用白炽灯这种可能性不再有任何怀疑，而公众舆论也要求采纳这一发明的时候。对电照明兴趣的急剧增长，首先是由于卓越的和世界闻名的俄国电工学家、发明家巴维尔·尼古拉耶维奇·亚布罗齐柯夫在电照明方面进行了创造性劳动。在最早观察电流现象时，就已发现了有创造出电照明的可能性。而这种可能性的发现，恰好是在开始制造第一台发电机（即伏特电堆）并对其功能进行研究的一年之后。许多科学家，特别是捷纳和代维观察到，电流所流经的导线能够变热；其热度能达到白炽和发光程度。1802年代维在伦敦皇家学院讲课时对此作了演示。电流使导线发热的效应，启示人们利用这种效应研制出电光源。

    1802年5月，俄国科学院院士瓦西里·弗拉基米罗维奇·彼得罗夫演示了他为试验目的建筑的巨大的伏特电堆，该电堆由4200个铜一锌板组成，能放出高压电流（1600伏特）。在他当众表演的有趣的试验中，发现了两炭极间产生出的稳定的电弧现象。彼得罗夫本人在科学记要《关于伽伐尼伏特试验的通报》（1803年）中，描述了自己对电流所进行的试验，并指出了把电弧现象用于照明的可能性。5年后，即在1807年，赫·代维在制造出这种大电源时，也观察到了电弧现象，并在1812年论述了这种现象。对电弧效应的利用表明，有可能在根本不同于用电流使导线炽热的基础上来制造照明装置。最后，瓦·弗·彼得罗夫1802年在进行试验时，曾观察到电流通过真空时的放电现象。他第一次观察了辉光放电现象，这是由电流得到的辉光的效应。虽然辉光放电的辉光就其特点来说发光并不太强烈，但它很显然证明由这种电发光能够获得光通量。人所共知，这一创制电光源的趋向比辉光放电和电发光的发现几乎晚了100年才发展起来。

    总的说来，18世纪末以前并没有强大的光源：用点燃油脂、油或瓦斯的办法来制造强大光源实际上是不可能的。当需要强光源时，就在灯中装上一个反射光或折射光的光学系统，但在这种情况下也只能稍微增加发光的强度。沿岸的航海灯塔和其他灯光信号装置，就受到这些条件的限制，而不能起更大的作用。大家都知道，人们把建筑在位于亚历大城的港湾入口处的法罗斯岛上几乎高出海平面100米的灯塔，列为古代世界的七大奇迹之一。很难想像出，在古代怎样制造出这种能使几十公里远的海面上的船只看到信号的灯塔照明装置。如果真是这样的话，亚历山大灯塔真算得上是古代世界的奇迹之一了。

    19世纪初，对用于信号设备、光线投影等的强光源的需求量增加了，人们开始用所谓的“钙”光即石灰质光来满足这种需求。所谓的石灰质光，就是用炽热的氢氧气流焰把石灰圆筒（或板）加热，使之白热化后所放出的一种热的荧光射线。这时开始普及瓦斯照明。当时还不能制造出发光很强的瓦斯灯，但即使亮度比较小的瓦斯灯也比油灯亮得多。应当注意到，在18世纪末的产业革命之后，机器工业开始了极其迅速的发展。在许多工业部门中出现了大型机械化企业，而由于每个工作日被延长到14～16个小时，所以企业的照明问题就具有了重大意义。用火焰作光源来照明，是不能令人满意地解决这个问题的。此外，用火焰作光源所发的光通过量不大，这种光源的特点在于它们需要单个点火和灭火，还需要经常保养和补充燃料。在用瓦斯照明时，空气中的氧气就被喷嘴燃烧掉，因此工作场所的空气就很坏。瓦斯灯是由敷设在工作场所的瓦斯管道来供给瓦斯的。如果管道一旦漏气和瓦斯灯偶然熄灭，瓦斯就要污染工作间的空气。在消防方面来说，所有火源都是不安全的。而在那些空气中有可燃尘埃（特别是纤维尘埃）的地方，是完全不能采用火焰作光源的。这种照明状况，远不适合于社会和生产的需要。寻找新的照明方法，变得越来越迫切了。深入研究新照明原理的主要任务，是要避免用明火。不但要清除照明设备的易燃性，也要降低氧气在燃烧过程中的消耗。科学家、发明家都注视和研究着电流照明的可能性，扩大了对制造弧光灯和白炽灯的研究试验工作。这两方面的研究工作，各自独立地展开了。制造令人满意的弧光灯，要比制造实用的白炽灯进行得早：上一世纪50年代就已制造了几种具有复杂的自动调节器的弧光灯。它们开始被用于露天的空间照明，用于灯塔，用于大的公共场合的照明。但这些光源的电能供应的情况很不好：每一盏弧光灯都有独立的电源，这就使这种装置造价很高。弧光灯本身就是一种强大火焰光源，虽然获得了某些推广（实际仍旧只是用在特殊的场合），但只能算是为照明技术的新方向开了个头。在70年代，出现了较好的（格拉姆的、西门子等人的）发电机，找到了在同一个电路中可同时点用许多弧光灯的方法，在使用这些灯的技术上也有了改进。但由于弧光灯放射出极强的光通量，又是火焰光源，所以它就不能被广泛采用。巴·亚·亚布罗齐柯夫在1876年发明了电烛，即光度比较小的弧光灯，使电照明的应用大大地扩大了。亚布罗齐柯夫电烛开始用于街道、商店、旅馆、沿岸街、港湾、工厂以及住宅照明。但电烛的普及却受到以下情况的限制：电照明的用户要靠自己的设施才能保证自己的照明设备有足够的电能，这就使电烛照明价格昂贵。电烛的持续照明时间为两小时左右，两个小时后就需要更换新的电极，所以就要求要经常细心地对整个照明装置进行维修。再说，电烛像其他弧光灯一样，也是火焰光源。

    二

    电照明问题，由于许多人从事于制造白炽灯的研究，在70年代最后一年得到了解决。托·阿·爱迪生没有发明出白炽灯原理。如果分析一下在爱迪生以前的人对白炽灯所作的研究工作，那么就会清楚，白炽灯装置的基本原理早在爱迪生进行研究之前就已完全形成。当时需要的是选择一些最有利的、最合乎理想条件的、用起来又很方便的电灯元件，尔后再把它们装起来，成为一个完整的装置。需要的是要明确地想像出电照明的整个系统。而这一种设计合理、完全适合于广泛应用的、节省电能的白炽灯，人类却正是得自于爱迪生之手。白炽灯就是爱迪生的有趣的科技思想的体现，是他精心设计、仔细研究和真正大规模试验的结果。爱迪生怎样产生了必须改进白炽灯和要研制出新的照明系统的想法呢？某些史料指出说，这些研究工作的某些动机是在爱迪生了解了（大概是在1876年）罗德金灯之后产生的。而该灯的样品，是被派到美国接收俄国海军部定购的巡洋舰的阿·姆·霍京斯基中尉带去的。在彼得堡与罗德金共过事的霍京斯基，把灯的样品运到美国是完全可能的，而向造船家和电工技师提出在船上安装电照明的要求在当时是进步的和适宜的。但应当指出，在那些年里已经有人制造出了比罗德金更合理的白炽灯。爱迪生肯定知道这些种类，因为技术报刊和普通报刊对这种灯都作了详细报导。因此，还没有达到实用阶段的罗德金灯的结构，并不能有助于，特别是促使爱迪生进行这一工作。在法国和其他国家，用亚布罗齐柯夫电烛安装起来了很实用的照明装置。亚布罗齐柯夫是用小功率的弧光光源进行电照明的先驱，所以他所作的研究工作，就不能不影响电工学家们的观点、意向和研究工作。报刊已证实了这一点。1879年在有关爱迪生顺利地制成白炽灯的消息发表时，12月21日的《纽约先驱报》指出了爱迪生的先驱者们，其中包括亚·尼·罗德金和巴·尼·亚布罗齐柯夫在这方面所进行的研究对他具有什么样的意义。爱迪生在1877年一年中，对白炽灯进行了一些试验。他曾试图用碳、白金、硼、铬和其他物质来作灯丝。试验没有成功，制出的灯不能令人满意。但是就连这些初步的试验也很有说服力地向爱迪生指出了白炽灯的属性——与弧光灯比，它优于弧光灯，它光通量不大，而且也能像弧光灯一样能在照明场所进行合理的配置。

    1878年，爱迪生到康涅狄格州的安索尼亚市参观了著名的电机和弧光灯发明家威廉·华莱士的电器工厂。华莱士—法默系统发电机是美国最普及的一种。在这里所见到的一切，都对爱迪生产生了巨大的影响。他给门罗园实验室买了一台华莱士—法默发电机，并详细了解了发电机和弧光灯的性能。通过这次参观爱迪生确信，白炽灯问题的解决，无论是对技术来说，还是对社会来说，都是极其重要的。白炽灯不仅会使照明技术发生根本变化，而且也会给整个电工技术带来蓬勃生气，会使工业所起的积极作用得到巨大的发挥。同时，在这件事上是需要花费巨大力气才能有所成就的。但困难没有把爱迪生吓倒，他勇敢地迎着他开始所完全没有想像到的困难朝前走去。整个照明的发展史和在电能生产中所获得的进步，使爱迪生深信对白炽灯设计的研究是适宜的。爱迪生说：“进行惊人的发现是很容易的，但改进这些发现使之有实用价值就困难了。我就是正在致力于这一改进的工作。”爱迪生对工作方向的总的评述，用到他制造实用的白炽灯这一研究工作上也完全适用。

    爱迪生1878年起，对电照明问题给予了更大的注意。很可能，电照明在当年的巴黎世界博览会上所得到的轰动一时的成就，在那里所展出的电机制造业、电器制造业、安装技术和电工材料学的成就，使爱迪生深信电照明的前景是光辉灿烂的。亨利·福特在其对爱迪生回忆中转述了爱迪生的下面一段话：

    恰好在那时（1878年），我想着手研究些新东西，巴克教授就建议我研究怎样把电光分成像瓦斯灯头那样的小光源。这已不是新的想法了，因为我已在去年进行了一系列照明方面的试验。但由于要研制留声机，我中断和延缓了照明方面的试验。现在我决定恢复这些研究工作。回家后我就立即开始收集各种情报资料。这是瓦斯照明的时代。我弄到了瓦斯科技协会等团体出版的所有新杂志。我由于收集了所有这些资料，了解了纽约瓦斯输送网的瓦斯分配情况，并直接观察到这种情况，所以得出结论是，电光分析问题是能够解决的，而且在商业上也是适宜的。我认为，为实际推广白炽灯，白炽灯应至少在两个方面与瓦斯照明光源相同：1.白炽灯应创造出适中的照明度；2.每盏灯点燃都应完全不受其他灯的影响，它可以点燃可以熄灭，不干扰其他灯的工作。

    爱迪生根据这些设想开始进行试验。他得出的结论是，为了解决电光的分开使用问题，就必须要有阻抗强和发光面小的灯；此外，电灯应并联接入电路，这样就可使每盏灯都能独立点燃。爱迪生在设计白炽灯的人中是第一个清楚地懂得，采用弱阻抗的灯丝就需要电压比较低的电流，因而也就造成了电网导线材料使用量的增大。这一正确的观点，使他更要下定决心停止弱阻抗电灯的试验，所以在爱迪生的研究工作中，以及后来在其他发明家的试验中，都永远不再用弱阻抗灯了。

    在亨·福特的回忆录中，还引用了爱迪生的下面一段话：我对炭的属性很熟悉，而且也懂得，如果能用这种材料作成了像人的头发那样细的线，那么就可以得到一种发光面小而阻抗强的灯丝。但这种易碎的灯丝是否能抵抗住机械的振动？是否能经受住1000个小时的华氏2000多度的炽热？其次是：怎样才能把这个已具有灯丝形状的导线装入已抽成真空的空间里，以便空气在灯丝的各种不同温度下的发光过程中，都不会进入这一真空内破坏灯丝？问题还不仅限于此！电灯应不仅要符合实验室的要求，而且也要成为可供经营的商品；生产成本要低，又可以大规模地制造，并能完整地运转远方。这些设想和许多其他一些不那么重要，但也并非不重要的设想，就形成了重大而又纵横交织的复杂问题。

    爱迪生的这些观点，在研究电灯的初期就已完全成熟，并成为进行深入研究和周密设计的指导思想。

    三

    报纸上很快就出现了关于爱迪生开始在电照明方面进行研究的新消息。为了写出更加准确和详细的报道，大量报社记者都涌向门罗园爱迪生那里。纽约的《论坛报》1878年9月28日刊登了爱迪生的发言，爱迪生在发言中指出：许多发明家都先于他开始了研制白炽灯，他本人当时还没有认识到电照明的重大意义。现在他着手全面地深入地研究这一问题，并且决心超过自己的前辈。他声明，他在其对电灯的研究中追求的不是财富，而是要想超过别人。这是一个充满坚定信念和胜利信心的声明，同时声明中含有某些虚荣心。声明中多少还流露出对他的前人所进行的那些研究评价不高的情绪。

    爱迪生所担负的任务的确是复杂的，而且与各种科学领域，首先与电工技术，同样也与化学，有着密切的联系。爱迪生对当时所面临的一些化学性质的问题，他开始并不太放在心上。他说：“化学是一门伟大的科学。在所有科学中我最喜欢化学！”但在研究电灯中有关化学问题和化学工艺问题，要比他最初所预料的多得多。在良好结构的电灯制造过程中，有许多东西要取决于这些试验的顺利进行。此外，提高灯泡内的真空度，性能良好的真空抽气机等条件也起了巨大作用，因为保证应有的真空度是电灯正常发光的必要条件。改进电能的生产和分配也起了重要作用。质量好的发电机，应保证以最简单的、最恒久的方式，把廉价的电能供给电灯使用。这两个装置，即真空抽气机和发电机，早在爱迪生开始研究白炽灯之前就已制造出来了。但爱迪生在这些重要的辅助机器中又增添了许多新东西，而如果没有这些重要的辅助机器，白炽灯的制作就不能获得圆满成功。从1809年到1878年曾颁发了许多白炽灯专利特许证，虽然所提出的各种型号的电灯中没有一个被实际采用，但从技术思想的发展观点来看，这些电灯显然很令人感兴趣（最主要的电灯型号都列在下面的一览表中）。电灯的结构极为不同，灯丝有金属的、也有炭质的，灯丝的形状有棒式的、薄片式的、条式的、金属丝或金属线式的，而有时则是用金属丝制成的环形或螺旋形的。在有些结构中，灯泡里的空气被抽掉了，而在另一些结构中，灯丝装在充满空气或惰性气体的空间。著名的英国科学家和发明家德·弗·斯旺，直到1878年才提出了带有如铅笔芯状的细炭棒灯丝的真空型电灯。斯旺只是在爱迪生制出炭丝电灯之后才转而制造这种真空灯的。

    我们列举了在爱迪生的白炽灯出现之前就已提出来的那些最主要的白炽灯图形，其中有些白炽灯是发明家们获得专利特许证的，但没有一种曾投入生产，所有这些白炽灯都停留在演示和实验室研究的阶段。

    1809年到1878年期间所提出的白炽灯的主要类型年份发明者国籍灯丝类型灯泡腔灯泡类型1809年德拉留英国螺旋形铂丝真空度不高有两个黄铜管脚的玻璃管1838年若巴尔比利时炭精棒真空玻璃灯泡1840年格罗夫英国螺旋形铂丝空气扣到有水的盘子里的杯子1841年德·莫林斯英国螺旋形铂丝间的粉状炭真空封闭玻璃球1845年斯塔尔美国1.铂带2.石墨棒1.空气2.真空1.封闭玻璃球2.汞柱上的封闭玻璃管1848年斯泰特英国弯曲的铂铱棒空气封闭玻璃球1849年佩得里美国铂铱棒空气没有灯泡1850年舍佩尔德美国紧贴着炭锥体的炭筒真空封闭玻璃球1852年罗伯茨英国石墨棒真空封闭玻璃球1854年戈贝尔德国炭丝真空封闭玻璃管1856年德·尚日法国1.螺旋形铂丝2.炭棒1.空气2.真空1.玻璃管2.封闭玻璃管1859年法默美国铂带空气没有灯泡1860年斯旺英国炭化带或纸制电阻丝真空放在黄铜板上的玻璃罐年份发明者国籍灯丝类型灯泡腔灯泡类型1865年亚当斯美国炭片真空封闭玻璃灯泡1872年罗德金俄国1.炭棒2.v形石墨棒1.真空2.氮1.封闭玻璃灯泡2.封闭玻璃灯泡1875年利兹洛夫俄国石墨棒氮封闭管1875年贡恩俄国石墨棒真空封闭管1876年布雷金俄国石墨棒真空封闭管1877年马克沁美国铂带空气没有灯泡，有一个过热调节器1878年方丹法国炭棒真空封闭玻璃灯泡1878年斯旺英国炭棒真空封闭玻璃灯泡1878年爱迪生美国螺旋形铂丝空气带有过热调节器的玻璃筒。

    爱迪生在1878年基本上转到了制造白炽灯的试验上。金融界采取了观望的态度；不是所有的人都相信爱迪生的努力会获得圆满成功。在与瓦斯工业有牵连的部门，出现了严重危机的阴影和新的暂时还不明显的惊慌不安的心情。但技术界却认为爱迪生的研究工作具有极其重要的意义。1879年末，当光源本身——真空炭丝白炽灯顺利完成第一阶段的制造工作的有关消息发表后，人们想知道爱迪生的成就的愿望就特别迫切了。文明世界也在焦急地等待着爱迪生在电照明方面取得成就的真实性及其详细的消息。假如爱迪生真的创造出一盏能供日常照明需用的灯，而这种灯又没有以前电照明和瓦斯照明所固有的那些缺点，假如新的灯电费便宜，易于控制，易于调节，便于使用，便于维修，那么那个时代里最重要的一个技术问题就算得到了解决。爱迪生正确地理解了任务的实质，就为完成任务选择一条正确的捷径。他的前辈就没有过这样的理解，所以他们所获得的成就就只是有限的和局部的。令人非常惊异的，不是爱迪生对全部问题或在某些细节上得出正确的概念，而是他的前辈中不曾有一个人持有这些见解：如果电灯中的灯丝是强阻抗，那么只要把电灯并联接入恒定电压网中，任何数量的电灯都能发光。现在来说，这已是一个妇孺皆知的明显的真理。所以，我们简真难以想像到当时人们究竟难在什么地方。但我们只要翻阅一下70年代末的技术书籍就会确认，许多观点在当时是极其模糊和荒谬的。所有的发明家都持这种见解：为使电能在某些电源间分路，就需要有一种能串联到高压供电网的低阻抗灯丝的电灯。爱迪生在研究的第一阶段就研制带有由铂制成的灯丝的电灯，因为铂在当时被认为是最难熔化的金属。铂能拉制成细丝或线；铂在空气中甚至在白热化的高温下也很不容易氧化，因此就不需要真空空间。在研究铂丝电灯过程中，爱迪生曾试验给灯丝加上一层由氧化物或其他物质，特别是稀土族和炭的氧化物所制成的膜。例如，他就提出要给铂灯丝涂上一层钍和铈氧化物膜。他指出说，总发光面为5平方毫米的铂丝，在涂上了稀土族氧化物层后，可以大大增加灯丝的灼热度，这样就能使光通量增加几倍。在爱迪生的一个专利特许证中载明用细粉末状的铂（铂末）或其他铂类金属同氧化锆的混合物来制成灯丝。强阻抗的灯丝就是用这种混合物压制成的。从他的带有由铂制成灯丝的各种类型电灯的一些专利特许证就可以作出结论：当时爱迪生并没有足够正确地想像出，把铂丝上涂上一层膜的工序是什么。例如，爱迪生就在其中的一份专利特许证上写道：“如果把铂箔圆筒装到石灰棒上，那就会放出极好的光来；铱、钌、铑、钛以及其他难熔金属的扁平状物、线状物、棒状物和小球状物正像它们的导电的氧化物，如二氧化钛一样，被用来制造电灯。”有关制造灯丝所用材料的资料的缺乏，使爱迪生在已相当接近于创制出带有难熔金属灯丝的白炽灯时，却又只制造出一种实用的电灯即炭丝电灯。1879年4月12日，爱迪生领到了第一个带有强阻抗螺旋形铂丝的白炽灯的专利特许证（美国的专利特许证号码是第227229号），这种灯丝与引入的电极是用特殊方法接起来的。这种电灯是真空的，它是通过灯泡圆顶上的专门管子把空气抽出来。爱迪生也在其他国家，其中也包括在俄国获得了这种电灯的专利特许证（1881年12月11日的专利特许证，号码是第9657号）。但这种电灯还不能完全令人满意：它的使用寿命很短。生产铂丝电灯的困难是，铂在美国当时还未采掘，所以电灯的生产就得依靠进口的。此外，铂丝电灯由于过热很快就坏了，因为过热使铂丝很容易软化或熔化。因此转为制造炭化灯丝是完全必要的。经过炭化，金属就成了坚实的炭结构。炭化过程就是把材料放到不进空气的高温密封室里煅烧。

    四

    爱迪生又重新开始进行试验炭丝，把炭丝制成各种形状。爱迪生决定试验天然纤维。挑选最适合于制造灯丝的纤维是不容易的，天然纤维品种繁多。根据爱迪生所提出的任务，植物学家谢加多尼尔跑遍了美国南方，尔后又跑遍古巴来寻找和挑选各种纤维。爱迪生的其他两个助手也为此目的到了中国和日本，还有一个助手（布林南）到了巴西。门罗园终于收集了大量纤维植物的样品。结果发现只有三种植物最合适，其中最佳的是竹子。当时爱迪生组织了寻找纤维的“第二阶段”工作。他派遣精明干练的助手穆尔到中国的一些竹子种植场和竹子加工场。甚至试验了保存数百年的建筑物上的旧竹子。经过试验，决定用一种最常见的日本竹，因为这种竹子可以制成粗细均匀的、笔直的和容易分劈的纤维。他们把铂丝的螺旋形状改为了马蹄形状。在功率为8支烛光的灯泡里安装了一个马蹄形灯丝，而在功率更大的灯泡里安装二个到四个串联在一起的这种马蹄形灯丝。

    初期试验阶段中的许多麻烦，都是由于从灯泡里抽出空气的工序所造成的。最初爱迪生使用了斯普伦格尔和盖斯勒的水银抽气机。但使用这种抽气机有水银中毒的危险，因为不得不在气温55度上下的充满水银蒸气的环境中工作。爱迪生使用了经过克鲁克斯改进的抽气机结构，并对该抽气机作了某些改进。1882年在门罗园安装了将近500台自动抽气机。爱迪生是这样描述自己在1879年的研究工作的进展情况的：