书城童书钨舅舅
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第7章 万家灯火

钨舅舅的性格非常复杂,他智商很高,又踏实苦干。他的兄弟姐妹也都是这样,他们的爸爸--我的外公也一样。钨舅舅很喜欢化学,但和他的弟弟米克不同,他并不是一位真正的化学家,而是一名企业家、生意人。他靠生产灯泡和电子管谋生,这两种产品销路都很不错,足以保证他的生活。

对一起工作的每一名工人的详细情况,他都了如指掌。虽然可以轻易扩大厂房规模,但他不打算这样做,而是非常轻松地管理着现有的厂房。他一直都是一名金属和各种原料的爱好者,金属和原料的特性对他来说有着无穷的魅力。他可以花费大量时间来观察工厂里的生产过程:法灵顿老工厂里做的是钨的烧结和抽丝、制造缠绕的线圈和支撑灯丝的钼、在灯泡中填充氩气、把玻璃吹成灯泡。在霍斯顿的新工厂,则在玻璃中加入氟化氢,以制造乳白色的磨砂灯泡。他不必亲自动手--他的工人都技术娴熟,机器的工作效率也很高--但是他喜欢亲身体验。并且有时他还会想着进一步提高技术,采用新的加工流程,这些他都做到了。他对实验颇有兴趣,会花心思布置一间装备齐全的实验室。他做实验都是出于兴趣,只有少量实验成果可以直接运用到他的生产中。他也没必要弄清楚白炽灯泡和电灯的各种详情、历史以及它们背后隐藏的物理和化学原理。然而,他对这些都了如指掌,他就是喜欢那种身在传统的感觉,即这种传统既是纯粹科学,也是应用科学、工艺和工业。

舅舅常说,爱迪生普及照明的愿望终于因为白炽灯泡的发明成为现实。如果有人从外太空观察地球在二十四小时内的变化,从白昼到黑夜,就能看见数不清的白炽灯在夜晚点燃。白热的钨丝闪闪发光,由此可知人类征服了黑暗。戴维舅舅说白炽灯改变了人类的社会习惯和生活,这是其他任何发明都无法比拟的。

戴维舅舅告诉我,在很多情况下,化学史和人类对光的探索是分不开的。在1800年以前,人们使用的只是蜡烛或者简单的油灯,这样的情况一直持续了几千年。蜡烛和油灯的光都是非常微弱的,街上很黑也不安全,如果不打着灯笼或有月光照明,一个人是不敢外出的。那时非常需要有一种高效的照明灯,这种灯无论是家用还是在街上用都应该非常安全也非常方便。

19世纪初期有了煤气灯。关于煤气灯,人们做过各种实验。不同的喷嘴可以产生不同形状的火焰:有蝙蝠的翅膀、鱼尾巴、鸡距和公鸡冠。当舅舅说出这些名字的时候,我听得很入迷。那些形态各异的形状仿佛图画一般浮现在我的眼前。

但是煤气灯中的碳粒子的火焰几乎不比蜡烛火焰亮多少。人们需要其他的物质,当加热的时候,这种物质能发出特殊的光。这种物质

后来被找到了,它就是氧化钙,也叫生石灰或石灰。加热的时候,生石灰能够发出强烈的青白色的光。戴维舅舅说,这种石灰光是在19世纪20年代的时候发现的,用石灰光来照耀剧院的舞台这种方法,一直运用了几十年。虽然现在舞台已不再使用石灰光灯,但“石灰光”这个词仍然存在,代表聚光灯。加热其他几种类型的物质,比如氧化锆、氧化钍、氧化镁、氧化铝、氧化锌等,也能发出与石灰光非常相似的亮光。

1870年,人们试验过很多类型的氧化物后,发现几种氧化物混合起来使用要比任何单纯的氧化物发出的光都要强。在德国,奥地利化学家威尔斯巴赫用很多种组合做了无数次的实验,并最终在1891年得出了一个结论:当氧化钍与氧化铝的混合比例为99∶1时,加热发出的光最强。这种比例至关重要,威尔斯巴赫发现,100∶1或98∶1的比例,效果就差很多。

到目前为止,人们已经使用了很多种氧化物的条状物或者棍状物,但是威尔斯巴赫发现,将混合物灌入形状适当的苎麻罩内,就会有一个面积更大的发光面,也就可以照得更亮。这些罩子彻底改革了煤气照明工业,使其得以与初期的电灯行业竞争。

亚伯舅舅比戴维舅舅大几岁,对于此项发现,他记忆犹新。那时的莱曼大街上,新白炽灯罩突然让屋里的灯光不再黯淡。对于当时的“钍热”他也记得很清楚:在短短的几个星期内,钍的价格就涨了10倍,人们开始疯狂地寻找钍元素。

在美国,爱迪生也是试验多种不同类型稀有金属氧化物用于白炽照明的先锋,但他还是没能突破威尔斯巴赫的研究。在19世纪70年代,爱迪生将注意力转移到了不同类型的照明光源--电灯上。在英国,斯万和其他几个人在19世纪60年代的时候开始用铂灯泡来做实验(在舅舅的柜子里,有一只早期的斯万灯泡)。这时爱迪生也加入了这一行列,但是和斯万一样,爱迪生也遇到了很多困难:尽管铂的熔点很高,但还是不够。

爱迪生又用了几种有较高熔点的金属来做实验,想从中找到可以使用的灯丝,但是结果证明,这些金属都不行。到1879年的时候,他突然有了灵感。碳的熔点比大多数金属都要高,当时没人能够将碳熔化,并且要是用碳来导电的话,因为它有较高的电阻,就更容易加热并发光。爱迪生试着制作与早期细金属螺旋丝很相近的碳螺旋丝,但这些碳螺旋丝却破碎了。他的解决方法就是--简单得近乎荒谬,不过从当时的条件来看还是很聪明的举动--燃烧一种有机纤维(纸张、木材、竹子、布或者是棉线),只剩下细细的炭,还要能导电。如果将这些灯丝插到抽掉空气的灯泡中,就能持续稳定地照明几百个小时。

爱迪生的灯泡开启了一场真正的革命,当然,这还需要电力系统的配合,包括发电机和电线。舅舅说:“世界上第一家中央电力系统就是1882年爱迪生在此处构建的。”舅舅将我带到窗户旁,指着楼下说:“蒸汽发电机安装到了霍尔本高架桥上,可供桥上和法灵顿桥路3000只电灯泡的照明。”

19世纪80年代就是电灯泡主宰的时代,电力输送网络开始建立。但是到了1891年,威尔斯巴赫较为完美的煤气灯罩对早期电灯行业提出了严峻挑战,因为这种煤气灯罩的照明效果非常好而且价钱适中(并且还可以使用已有的煤气管道)。舅舅向我讲述了早期电灯和煤气灯之间的竞争是如何此起彼伏的。在这一时期修建的很多房屋都是既有煤气灯又有电灯的--也包括我们家的房子,因为当时大家都不能确定最后究竟是煤气灯还是电灯能够胜出。甚至50年后,在我的孩提时代,伦敦的很多街道,特别是闹市区的街道还在使用有罩子的煤气灯。傍晚时分,点灯人用长长的杆子将一个又一个的街灯点燃。童年时的我非常喜欢看见这样的场景。

碳丝灯泡有很多问题,这种灯丝很脆弱,而且不耐用,灯丝燃烧的温度也低,因此发出的是暗淡的黄光而不是非常亮的白光。

有没有办法来解决这一问题呢?人们应该找出一种和碳的熔点差不多的金属或者熔点至少是3000℃的金属。符合这些要求的金属只有三种:锇、钽和钨。谈到这一点的时候,戴维舅舅好像变得非常活跃。他非常羡慕爱迪生和他的才能,但是很明显,戴维舅舅不喜欢碳做的灯丝。他认为,一根好的灯丝应该是用金属制作的,因为只有金属才能被拉伸,做成合适的灯丝。他对碳丝嗤之以鼻,认为粗糙的木炭和细致的灯丝根本互相矛盾,但是让人吃惊的是,碳灯丝却能够用。

第一只锇丝灯泡是威尔斯巴赫在1897年制作的,戴维舅舅的柜子里也有一只这样的灯泡。但是锇很稀少,全世界锇的产量每年只有6.8公斤,非常昂贵。锇几乎难以抽拉成丝,必须先混合黏合剂,并注入模子中,经过燃烧,黏合剂就被烧掉了。锇做的灯丝非常脆弱,如果将灯泡颠倒过来,灯丝就会断了。

一个世纪前或是更早一点的时候,人们发现了钽,不过在提取纯钽或者是应用钽方面还有很多的困难。到1905年,已经可以将这种金属提纯到一定程度,然后将其拉成丝状。有了钽丝,就可以非常便宜地成批生产白炽灯泡了,它与碳丝灯泡的照明效果不相上下,这是锇丝灯泡永远都做不到的。但是为了得到所需的电阻,人们必须使用一种长长的像蜘蛛网那么细的金属丝,再以Z字形编织一个复杂的笼子。尽管在加热的时候,钽软化了一点,但是这些金属丝的应用无疑是非常成功的,它最终改变了煤气灯独霸天下的历史。舅舅说:“突然间,钽丝灯泡就风靡一时。”

直到第一次世界大战,钽丝灯泡仍然独占鳌头,但在钽最盛行的时候,另外一种金属丝--???丝也在被研制。1911年生产了第一只钨丝电灯泡。不过钨在高温下,很快就会蒸发,灯泡玻璃的内表面也变黑了,灯光一闪即逝。这激发了美国化学家欧文·朗缪尔的灵感,他提出用惰性气体保护金属丝,这样就可以降低蒸发速度。这就要求用一种绝对的惰性气体,首选就是氩,它在15年前就被分离出来了。但是添加气体也引起了另外一种麻烦:气体会导热,造成大量热量损失。朗缪尔意识到这一问题后,他的解决方法就是尽可能使用紧密结合的金属丝,如螺旋形灯丝而不是散发状的蜘蛛网丝。可以用钨来生产这种紧密的金属圈。1913年,所有的这些条件都被满足:拉长的钨丝,盘绕成紧密的螺旋形,装满氩气的灯泡。此时此刻,钽丝的终结日已指日可待,更坚硬、更廉价、更高效的钨丝很快就能代替钽丝--虽然直到第一次世界大战后氩的产量才多到可做商业之用时,这一愿望才得以实现,但那时,很多制造商开始转向生产钨丝灯泡。也是在那时,戴维舅舅和他的几个兄弟(以及戴维舅妈的三个弟弟--来自维克斯勒家族,也都是化学家)倾其所有建立了工厂钨光。

戴维舅舅很喜欢向我讲述这些故事,其中很多都是他自己的亲身经历,并且这些故事中的主角还是舅舅的偶像。他们不仅拥有对纯科学研究的热情,而且还能把超强的实用主义和商业意识结合起来。他告诉我,朗缪尔是第一位获得诺贝尔奖的工业化学家。

戴维舅舅制作的灯泡比欧司朗、通用公司或者是其他市场上的灯泡要大一些、重一点,但是却很实用,甚至可以永久使用。有时我希望它们坏掉,这样我就可以将其弄碎(这不是一件容易的事情),并将钨丝和钼支架拿出来,然后再高高兴兴地到楼下的三角柜里拿一个新的用波纹纸圆筒包着的灯泡。一般一次买一个灯泡,但是厂家出货的时候都是成箱的,一箱能放几十个灯泡,大部分都是60W或者100W。我们壁橱里的灯泡或者是夜灯只有15W,前门廊使用的灯泡却有300W。钨舅舅制作的灯泡各式各样、大小不一,有小巧的1.5伏特的灯泡,这种灯泡是专为笔形手电筒设计的;也有足球场或者是探照灯使用的大型灯泡;还有形状特别的灯泡,这些灯泡是专为仪表转盘、眼底检查镜以及其他的医疗用具设计的;并且(尽管舅舅对钨很执著)还有为电影放映机和火车设计的钽丝灯泡。这种灯丝的照明效果很差,也不像钨丝那样耐高温,但是它们抗震动的能力比较强。当它们坏掉的时候,我喜欢将灯泡砸开,这样就能将里面的钽丝取出,放进我存放金属和化学品的箱子里。

一时兴起,我打算用舅舅的灯泡在楼梯下面的黑黑的壁橱里装置一个属于我自己的灯光系统。我总是对这个地方很着迷,还有一丝害怕,没有灯光的壁橱看上去像个无底洞,充满着神秘与未知。我使用了一种柠檬状的6W灯泡,就是汽车侧灯用的那种,还用了一个电灯笼专用的9伏特的电池。我在墙上安了一个开关,两头分别用电线连上灯泡和电池。对于这么一个小小的装置,我还是非常骄傲的,当有客人到我家来的时候,我总喜欢向他们炫耀一下。但是灯泡射出的光照射到了壁橱里的角角落落,这个壁橱从此灯火通明,它的神秘也一去不复返了。我后来得出结论,太多的光也不是什么好事,还是要保留一个隐秘之所,让秘密好好地留藏在那里。