从富兰克林到埃隆·马斯克，他们都做对了什么？
「讨论电力行业的文献资料不计其数，却鲜少有人提到科学发现，就好像所有开创性的科学发现都已经穷尽。毫无疑问，事实并非如此。」
在电的发展史上，科学和科学家有多重要？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。这不是说科学对石油、煤炭和天然气不重要，而是说科学研究在电的历史中占据了非常重要的地位，这是其他传统能源所不具备的特点。
爱因斯坦说过，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。因此，人们对电力领域的科学发现寄予了更大的希望。
发挥科学和科学家的力量
回溯历史，我们知道电力领域的第一波科学发现是在富兰克林时代，富兰克林、法拉第和麦克斯韦都对此做出了贡献。但在今天，讨论电力行业的文献资料不计其数，却鲜少有人提到科学发现，就好像所有开创性的科学发现都已经穷尽，再也无法掀起新一轮的发现浪潮。毫无疑问，事实并非如此。当我们面对美国日益增长的能源消耗和对环境可持续发展的担忧时，我们不能想当然地认为科学这口深井已经干涸。无论在过去还是现在，科学对于电力行业来说都非常重要，我们必须重拾对科学的关注和兴趣。
早在19世纪，目光远大、勤奋钻研的科学家，比如法拉第和麦克斯韦，已经开辟了一条道路。他们告诉我们，只需推拉线圈中的磁体就可以产生电流。通过燃烧煤炭、焚烧垃圾、控制核反应等一系列方法产生的蒸汽，可以产生推拉磁体所需的机械动力。用压缩天然气驱动燃气涡轮机的方法人们已经驾轻就熟，并且得到了广泛的应用。推拉磁体也可以借助其他的力来完成，比如风、海浪或河流的力量。
有人认为，旧的技术也可以玩出新的花样。这里所说的旧技术指的是核能，新花样则是指建造小型反应堆。2011 年，芝加哥大学通过一项建设性研究，谨慎地阐明了建造小型模块化反应堆的好处。该研究认为，核能最大的好处是没有碳排放，而且可以大规模建造。但研究者坦承，小型模块化反应堆面临着诸如“安全、防止扩散、废料管理和经济竞争力”等方面的一系列难题。
有的技术易于理解，也可以应用，但解释起来有点儿难度，比如太阳能光伏发电和燃料电池等技术。太阳能光伏发电技术能把光转换成原子层级的电能，这项技术会让我们想起爱因斯坦，因为他就是凭借光电效应方面的研究获得诺贝尔物理学奖的。太空计划利用这项技术为航天器提供动力，这是该技术的首次正式应用。太阳能光伏发电也需要用到计算机中的半导体材料，事实上，太阳能光伏发电技术与计算机科学之间的联系，正是人们乐观地认为它可以大幅提升效能、降低成本的原因之一。
燃料电池在将氢和氧结合成水的同时产生电能，即电“流”。由于这是一种化学反应，它几乎不会产生燃烧化石燃料时产生的空气污染物排放，所以这是燃料电池最具吸引力的特点之一。不过，燃料电池对排放（包括温室气体排放）的总体影响，主要取决于氢的来源。燃料电池的另一个吸引人的特点在于，它们可以堆叠，以满足任何规模的电力需求。相较而言，燃料电池的劣势是成本比较高。
在第二次电力系统之争中，光电和燃料电池可能都是重要的棋子。其中一个原因是，从规模的角度看，两者都可以用作个人能源。另一个原因是，设备在制造的过程中有可能大幅提升效能、降低成本。规模经济对制造业有效，但对发电厂无效。
新科学是新技术的核心
以新材料石墨烯为例。2010年的诺贝尔物理学奖被授予安德烈·盖姆（andre geim）和康斯坦丁·诺沃肖洛夫（konstantin novoselov），因为他们完成了“石墨烯的制备、分离、鉴定与表征”。石墨烯是只有一个原子厚度的碳。瑞典皇家科学院评价碳是“元素周期表中最迷人的元素”，石墨是碳的常见形式，铅笔芯中就含有石墨。瑞典皇家科学院说，任何用过铅笔的人，都“可能在不知情的情况下制造出类似石墨烯的材料”。这两位诺奖得主也在论文中宣称，石墨烯“表现出大量新的物理特性和潜在应用”。
对人类而言，电力技术的潜在应用才是最重要的。曼彻斯特大学请人们“想象在几秒钟内给智能手机充满电，或者在几分钟内给一辆电动汽车充满电，将会是一种什么感觉。石墨烯就有这样的能力”。此外，“石墨烯薄膜可以帮我们从大气中过滤出氢气，这可能为空气发电铺平道路”。
接下来，我们以让–皮埃尔·索维奇（jean-pierre sauvage）、弗雷泽·斯托达特（fraser stoddart）爵士和伯纳德·费林加（bernard feringa）的研究为例。因为“在分子机器的设计和合成”方面做出的贡献，他们共同获得了 2016 年的诺贝尔化学奖。在颁奖典礼上，瑞典皇家科学院把他们取得的科学突破比作支持电动机工作的科学原理：“从技术开发的角度看，分子马达与 19 世纪 30 年代的电动机处于同一个发展阶段。当科学家摆弄各种各样的旋转曲柄和轮子时，他们并不知道这些装置会构成洗衣机、电风扇和食物处理机。分子机器很可能被用于开发诸如新型材料、传感器和储能系统之类的东西。”
我举石墨烯和分子机器这两个例子，是为了告诉大家新科学可能会产生怎样的影响。它们绝不是科学发展的唯一道路，但它们可以告诉我们，如果我们开动脑筋发挥想象力，就会得到什么。
眼下，在电学和电力行业的最新一次革命中，埃隆·马斯克或许是最合适的“火炬手”。
就像爱迪生一样，马斯克进行科学研究的目的是开发新产品，而不是把科学研究本身作为一个目标。在他的远大理想中，这些产品中蕴藏着先进的科学思想，例如火箭科学、个人电能存储技术。据我们所知，马斯克研发新产品的动力都来源于科学。对他来说，spacex 是移民火星的一条途径，特斯拉汽车公司和太阳城公司的宗旨则是缓解全球气候变化。他选择了太阳能光伏发电，是再一次把赌注押在科学进步上。未来能否实现大幅降低成本这个愿望，取决于制造业和材料科学能否取得重大进展。马斯克似乎对太阳城公司自行制造而不是外购太阳能电池板的商业战略押下了双倍赌注。此外，马斯克在谈论当下的主要问题时从来都毫不顾忌，他直白地表示反对发展人工智能（他对人工智能的这种态度的确非常有意思）。
有了这些好榜样，人们普遍认为科学家们可以为科学研究贡献智慧，与此同时，他们的发明也深深地影响了人类社会其他方面的许多争论和冲突。试想一下，在全球气候变化和页岩气开发等问题上，如果大家都坐下来，用文明的语言平和地讨论具体问题，会取得什么样的结果呢？结合医学的突破和人工智能的发展，我们可以清楚地看到科学和科学家对当今社会的影响比以往任何时候都要深刻。
文章头图及封面图片来源：insolense.deviantart.com
（本文经授权摘编自中信出版集团·科普工作室出版的《电的科学史》（2018年5月，（美）克雷格·罗奇/著，胡小锐/译），标题为编者所加）
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