從富蘭克林到埃隆·馬斯克，他們都做對了什么？
「討論電力行業(yè)的文獻資料不計其數(shù)，卻鮮少有人提到科學(xué)發(fā)現(xiàn)，就好像所有開創(chuàng)性的科學(xué)發(fā)現(xiàn)都已經(jīng)窮盡。毫無疑問，事實并非如此?！?/span>
在電的發(fā)展史上，科學(xué)和科學(xué)家有多重要？人類對電的理解是基于有史以來最驚人的科學(xué)發(fā)現(xiàn)，這是電與其他傳統(tǒng)能源的一個區(qū)別。這不是說科學(xué)對石油、煤炭和天然氣不重要，而是說科學(xué)研究在電的歷史中占據(jù)了非常重要的地位，這是其他傳統(tǒng)能源所不具備的特點。
愛因斯坦說過，電不僅僅是 19 世紀和 20 世紀科學(xué)發(fā)現(xiàn)道路上的一站，對電的研究本身就是一條科學(xué)發(fā)現(xiàn)之路。因此，人們對電力領(lǐng)域的科學(xué)發(fā)現(xiàn)寄予了更大的希望。
發(fā)揮科學(xué)和科學(xué)家的力量
回溯歷史，我們知道電力領(lǐng)域的第一波科學(xué)發(fā)現(xiàn)是在富蘭克林時代，富蘭克林、法拉第和麥克斯韋都對此做出了貢獻。但在今天，討論電力行業(yè)的文獻資料不計其數(shù)，卻鮮少有人提到科學(xué)發(fā)現(xiàn)，就好像所有開創(chuàng)性的科學(xué)發(fā)現(xiàn)都已經(jīng)窮盡，再也無法掀起新一輪的發(fā)現(xiàn)浪潮。毫無疑問，事實并非如此。當(dāng)我們面對美國日益增長的能源消耗和對環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的擔(dān)憂時，我們不能想當(dāng)然地認為科學(xué)這口深井已經(jīng)干涸。無論在過去還是現(xiàn)在，科學(xué)對于電力行業(yè)來說都非常重要，我們必須重拾對科學(xué)的關(guān)注和興趣。
早在19世紀，目光遠大、勤奮鉆研的科學(xué)家，比如法拉第和麥克斯韋，已經(jīng)開辟了一條道路。他們告訴我們，只需推拉線圈中的磁體就可以產(chǎn)生電流。通過燃燒煤炭、焚燒垃圾、控制核反應(yīng)等一系列方法產(chǎn)生的蒸汽，可以產(chǎn)生推拉磁體所需的機械動力。用壓縮天然氣驅(qū)動燃氣渦輪機的方法人們已經(jīng)駕輕就熟，并且得到了廣泛的應(yīng)用。推拉磁體也可以借助其他的力來完成，比如風(fēng)、海浪或河流的力量。
有人認為，舊的技術(shù)也可以玩出新的花樣。這里所說的舊技術(shù)指的是核能，新花樣則是指建造小型反應(yīng)堆。2011 年，芝加哥大學(xué)通過一項建設(shè)性研究，謹慎地闡明了建造小型模塊化反應(yīng)堆的好處。該研究認為，核能最大的好處是沒有碳排放，而且可以大規(guī)模建造。但研究者坦承，小型模塊化反應(yīng)堆面臨著諸如“安全、防止擴散、廢料管理和經(jīng)濟競爭力”等方面的一系列難題。
有的技術(shù)易于理解，也可以應(yīng)用，但解釋起來有點兒難度，比如太陽能光伏發(fā)電和燃料電池等技術(shù)。太陽能光伏發(fā)電技術(shù)能把光轉(zhuǎn)換成原子層級的電能，這項技術(shù)會讓我們想起愛因斯坦，因為他就是憑借光電效應(yīng)方面的研究獲得諾貝爾物理學(xué)獎的。太空計劃利用這項技術(shù)為航天器提供動力，這是該技術(shù)的首次正式應(yīng)用。太陽能光伏發(fā)電也需要用到計算機中的半導(dǎo)體材料，事實上，太陽能光伏發(fā)電技術(shù)與計算機科學(xué)之間的聯(lián)系，正是人們樂觀地認為它可以大幅提升效能、降低成本的原因之一。
燃料電池在將氫和氧結(jié)合成水的同時產(chǎn)生電能，即電“流”。由于這是一種化學(xué)反應(yīng)，它幾乎不會產(chǎn)生燃燒化石燃料時產(chǎn)生的空氣污染物排放，所以這是燃料電池最具吸引力的特點之一。不過，燃料電池對排放（包括溫室氣體排放）的總體影響，主要取決于氫的來源。燃料電池的另一個吸引人的特點在于，它們可以堆疊，以滿足任何規(guī)模的電力需求。相較而言，燃料電池的劣勢是成本比較高。
在第二次電力系統(tǒng)之爭中，光電和燃料電池可能都是重要的棋子。其中一個原因是，從規(guī)模的角度看，兩者都可以用作個人能源。另一個原因是，設(shè)備在制造的過程中有可能大幅提升效能、降低成本。規(guī)模經(jīng)濟對制造業(yè)有效，但對發(fā)電廠無效。
新科學(xué)是新技術(shù)的核心
以新材料石墨烯為例。2010年的諾貝爾物理學(xué)獎被授予安德烈·蓋姆（Andre Geim）和康斯坦丁·諾沃肖洛夫（Konstantin Novoselov），因為他們完成了“石墨烯的制備、分離、鑒定與表征”。石墨烯是只有一個原子厚度的碳。瑞典皇家科學(xué)院評價碳是“元素周期表中最迷人的元素”，石墨是碳的常見形式，鉛筆芯中就含有石墨。瑞典皇家科學(xué)院說，任何用過鉛筆的人，都“可能在不知情的情況下制造出類似石墨烯的材料”。這兩位諾獎得主也在論文中宣稱，石墨烯“表現(xiàn)出大量新的物理特性和潛在應(yīng)用”。
對人類而言，電力技術(shù)的潛在應(yīng)用才是最重要的。曼徹斯特大學(xué)請人們“想象在幾秒鐘內(nèi)給智能手機充滿電，或者在幾分鐘內(nèi)給一輛電動汽車充滿電，將會是一種什么感覺。石墨烯就有這樣的能力”。此外，“石墨烯薄膜可以幫我們從大氣中過濾出氫氣，這可能為空氣發(fā)電鋪平道路”。
接下來，我們以讓–皮埃爾·索維奇（Jean-Pierre Sauvage）、弗雷澤·斯托達特（Fraser Stoddart）爵士和伯納德·費林加（Bernard Feringa）的研究為例。因為“在分子機器的設(shè)計和合成”方面做出的貢獻，他們共同獲得了 2016 年的諾貝爾化學(xué)獎。在頒獎典禮上，瑞典皇家科學(xué)院把他們?nèi)〉玫目茖W(xué)突破比作支持電動機工作的科學(xué)原理：“從技術(shù)開發(fā)的角度看，分子馬達與 19 世紀 30 年代的電動機處于同一個發(fā)展階段。當(dāng)科學(xué)家擺弄各種各樣的旋轉(zhuǎn)曲柄和輪子時，他們并不知道這些裝置會構(gòu)成洗衣機、電風(fēng)扇和食物處理機。分子機器很可能被用于開發(fā)諸如新型材料、傳感器和儲能系統(tǒng)之類的東西?！?/span>
我舉石墨烯和分子機器這兩個例子，是為了告訴大家新科學(xué)可能會產(chǎn)生怎樣的影響。它們絕不是科學(xué)發(fā)展的唯一道路，但它們可以告訴我們，如果我們開動腦筋發(fā)揮想象力，就會得到什么。
眼下，在電學(xué)和電力行業(yè)的最新一次革命中，埃隆·馬斯克或許是最合適的“火炬手”。
就像愛迪生一樣，馬斯克進行科學(xué)研究的目的是開發(fā)新產(chǎn)品，而不是把科學(xué)研究本身作為一個目標(biāo)。在他的遠大理想中，這些產(chǎn)品中蘊藏著先進的科學(xué)思想，例如火箭科學(xué)、個人電能存儲技術(shù)。據(jù)我們所知，馬斯克研發(fā)新產(chǎn)品的動力都來源于科學(xué)。對他來說，SpaceX 是移民火星的一條途徑，特斯拉汽車公司和太陽城公司的宗旨則是緩解全球氣候變化。他選擇了太陽能光伏發(fā)電，是再一次把賭注押在科學(xué)進步上。未來能否實現(xiàn)大幅降低成本這個愿望，取決于制造業(yè)和材料科學(xué)能否取得重大進展。馬斯克似乎對太陽城公司自行制造而不是外購太陽能電池板的商業(yè)戰(zhàn)略押下了雙倍賭注。此外，馬斯克在談?wù)摦?dāng)下的主要問題時從來都毫不顧忌，他直白地表示反對發(fā)展人工智能（他對人工智能的這種態(tài)度的確非常有意思）。
有了這些好榜樣，人們普遍認為科學(xué)家們可以為科學(xué)研究貢獻智慧，與此同時，他們的發(fā)明也深深地影響了人類社會其他方面的許多爭論和沖突。試想一下，在全球氣候變化和頁巖氣開發(fā)等問題上，如果大家都坐下來，用文明的語言平和地討論具體問題，會取得什么樣的結(jié)果呢？結(jié)合醫(yī)學(xué)的突破和人工智能的發(fā)展，我們可以清楚地看到科學(xué)和科學(xué)家對當(dāng)今社會的影響比以往任何時候都要深刻。
文章頭圖及封面圖片來源：insolense.deviantart.com
（本文經(jīng)授權(quán)摘編自中信出版集團·科普工作室出版的《電的科學(xué)史》（2018年5月，（美）克雷格·羅奇/著，胡小銳/譯），標(biāo)題為編者所加）
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