從科學創新到大眾應用，誰是站在科學家背後的人? | 推廣

科技 09-16

導言

法拉第發現電磁感應後，是維爾納·馮·西門子等工程師首先發明了實用型發電機，讓人類真正地用上了電。

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20世紀最偉大的物理學家愛因斯坦在他的辦公室中掛了三幅肖像畫：艾薩克·牛頓、克拉克·麥克斯韋以及邁克爾·法拉第。牛頓對於人類科學的貢獻不言而喻，在麥克斯韋百年誕辰之時，愛因斯坦盛讚麥克斯韋，稱其對物理學做出了「自牛頓時代以來的一次最深刻、最富有成效的變革」。雖然法拉第只掌握了基本的代數知識，但是他在實驗領域的傲人天賦使得他取得了眾多獨創性貢獻。1831年，法拉第通過一系列實驗演示了磁與電的相互關係，包括「磁場的改變產生電場」這一現象的發現，並總結出了被後世稱為「法拉第電磁感應定律」的數學規律。這是法拉第對科學的傑出貢獻之一，也成為後來電磁發電機的基本原理。

法拉第的實驗室

雖然法拉第最早發現磁變化能夠產生電，之後又有無數發明家嘗試著各種方式試圖使得電能真正地服務於人類，但是

發電機真正能夠大規模應用卻在很大程度上依賴於一位天才的發明家以及工程師——

維爾納·馮·西門子

。

發電機的發明，讓電能照亮世界

1866年秋天，當時已經五十歲的西門子創始人維爾納·馮·西門子始終在思考一個問題：如何提升現有發電機的發電效率？雖然此時距離法拉第提出電磁感應原理已經過去了三十多個年頭，但是在發電機的發電效率上始終難取得突破。

維爾納·馮·西門子

在當時，電能的產生依賴於化學電池和小型發電機，除了電報通訊和一些簡單的電應用，如此小的電量根本無法支持電能的其他應用。一些大規模的電力應用，比如說路燈或是發電廠，在當時的條件下根本不可能實現。為了產生照亮某個地方的電能，必須在這個地方周邊安置一個容納發電機的建築，以放置利用永磁性發電的的磁電設備，這些設備龐大又低效，僅僅只能產生700瓦特的電能卻重達2000公斤。而且永磁體的缺點顯而易見，不僅產生的磁場弱，在使用的過程中磁性還會不斷降低。這些弊端正是當時的西門子要思考解決的問題，他的目標在於實現更高速的電樞轉速以及產生更強的磁場。

為了實現這兩個目標，西門子標新立異地想出通過為發電機增加兩個極靴來減少電磁的損耗，再將導體盤繞成線圈，並讓其在磁場中旋轉，如此循環往複，導體兩端產生交流電，極性轉換器隨後將其轉化成直流電。這一發明最巧妙的地方是，把生產出來的電力送回電磁鐵。

也就是說，它一遍又一遍強化電磁鐵磁性直到鐵芯完全磁化，從而在磁場和電流之間產生了一個正反饋循環。

而西門子的這一思路來源於他的另一項重要發明——指針式電報機中使用的發電機。

經過數周的測試，西門子確信他的這一發明是發電機領域的巨大突破。與使用永磁體的發電機相比，他所設計的發電機要輕85%，而發電量卻提高了35%，與此同時，在產生同樣電能的情況下它的價格比前者要低75%。

西門子發明的發電機

那一年，英國人惠斯通

（Sir Charles Wheatstone）

和瓦利

（Samuel Alfred Varley）

也分別獨立地發明了自勵式直流發電機。

一個新的時代就此開啟了，更高效且便宜的電能在這一發電機出現之後成為可能。

人類從這之後才真正進入電氣時代，電能也從此開始點亮世界。

作為以電能為代表的第二次工業革命的參與者以及推動者，西門子在電氣化領域一直走在時代的前列。在蒸汽機車依舊廣受歡迎的1879年，

63歲的維爾納·馮·西門子展示了世界上第一條電氣化鐵路。

這之後，西門子很快意識到電動列車在運輸中的潛能。兩年之後的1881年5月16日，西門子在柏林的里特希菲爾德投資新建了世界上第一條電車軌道。這一段只有2.5公里的電車路線成為了人類交通史上的里程碑，開啟了電動列車的輝煌時代，

無論是電車、地鐵還是高速列車皆肇始於此。

1896年，為了慶祝匈牙利帝國的千禧年，西門子在布達佩斯修建了歐洲大陸的第一條電氣地鐵線路，而這條線路至今仍在布達佩斯的地鐵線路中發揮著作用，並於2002年列入了聯合國教科文組織世界文化遺產名錄之中。

世界上第一列電車

人工智慧時代的電能前沿技術

時至今日，我們的發電機依舊遵循著西門子所設計的發電機原理，但是一代又一代和維爾納·馮·西門子一樣的工程師們將它與最前沿的技術相結合來更高效的產生電能。

西門子為布達佩斯修建的電氣地鐵

隨著AlphaGo在圍棋領域所向披靡，人工智慧成為了當今這個時代最熱的主題。如何將人工智慧應用於實踐，成為了擺在工程師面前最直接的問題。

西門子的兩位研發工程師Volkmar Sterzing以及Steffen Udluft就率領著他們的團隊

將人工智慧應用到了看似與之毫不相關的蒸汽輪機上面

。他們設計的一種被叫做GT-ACO

（Gas Turbine Autonomous Control Optimizer, 燃氣輪機自動控制優化器）

的新系統被應用於美國和韓國的發電站之中。通過實時搜集相關的數據，再應用人工智慧的演算法，使得蒸汽輪機的運行得以最好的優化以提升效率並削減排放。

Volkmar Sterzing與Steffen Udluft

從蒸汽機到流水線，從電氣化到信息化，人類的歷史伴隨工業革命的進程發生著翻天覆地的變革。隨著科學技術水平尤其是數字化技術的不斷提升，「工業4.0」的提法也不斷見諸報端。在新的工業革命浪潮來臨之時，歷史超過一百多年的西門子又一次走在了前面。它利用最新的信息技術為現實的生產流程與系統構建了一個

「數字化雙胞胎」

，將現實世界中複雜的研發、試驗、製造以及運營過程轉移到了線上，可以實時模擬現實中可能出現的各種狀況以選擇最優的方案，並根據現實中反饋的數據不斷優化迭代模型。Arquimedes Canedo是這一領域的代表專家，研發了一種類似於知識圖譜的「數學化雙胞胎」圖譜以鏈接不同的知識，並且與人工智慧技術相結合，來不斷改進生產流程。

Arquimedes Canedo

工程師：科學創新走向

大眾應用

背後的英雄

無論是維爾納·馮·西門子，還是當代西門子企業的工程師們，他們只是無數個致力於將科學應用付諸於實踐的工程師縮影。

世人都知道法拉第在科學史上的傑出貢獻，卻不知道維爾納·馮·西門子才是那個讓電能可以走進千家萬戶的幕後英雄。

長期以來，因為很多時候工程師們獲得的成果都是集體智慧的結晶，並不像是科學家一樣取得某一領域的突破便能彪炳青史，所以這些工程師們都被我們忽略了。

但是，從科學創新到大眾應用的橋樑，正是由這些默默無聞的工程師所搭建的，如果沒有這些工程師讓科學家所發現的科學突破落地生根，作為普羅大眾的我們就無法享受到這麼多的科學成果了。

如何讓科學真正服務於普羅大眾？如何讓老百姓享受到科學發展的成果？不僅僅取決於我們的科學家對於前沿科技的研發工作，還對我們的工程能力提出了更高的要求，更離不開那些默默耕耘讓科學突破落地生根的工程師們。在呼籲全社會崇尚科學，對於科學家給予崇高的社會的地位的同時，也不能忘了那些身居幕後的工程師們。

維爾納·馮·西門子曾說過：「空有想法毫無價值。創新的意義在於讓想法落地生根。」

（Ideas along have little worth. The value of an innovation lies inits practical implementation. ）

就像西門子當年讓電能走進千家萬戶，讓出現在科幻小說里的情節變得觸手可及，百年之後，每一位工程師後輩都在努力踐行這樣的精神，通過自己嚴謹理性的工作把那些天馬行空的想法變成現實，一代又一代工程師前赴後繼地用自己的汗水推動著人類文明邊界的不斷前移。

從工廠到工地，

從海洋到荒漠，

從城市到鄉村，

他們無處不在，

為了發現一種新的材料，

他們可能試驗了無數次，

為了驗證一個新的方案，

他們可能失敗了無數次，

為了找到一個新的結果，

他們可能驗算了無數次，

整個社會都在走捷徑，

他們卻一次又一次地從零開始，

他們默默無聞卻又崇高偉大，

而他們，

就是一直推動著這個社會不斷發展前進的

工程師們。

Smart is the new sexy

看似不苟言笑且嚴肅正經的工程師的腦子裡可能有成千上萬個新奇的想法，只是他們的工作讓他們必須認真踏實地用百分之百的努力換取哪怕是百分之一的突破。但是當你真正了解他們，你就會發現他們身上工程師專屬的魅力與浪漫。他們會用軟體為自己心愛的人畫一個專屬的桃心，也會設定程序為自己心愛的人打磨獨一無二的定情信物，更多的時候他們會默默工作賺錢養家。

「一千個人的心裡，有一千個工程師的樣子」

有人說工程師寡言少語，偏愛悶頭做事；

而有人卻說工程師是話癆附體，

對待工程細節，總能喋喋不休；

有人說工程師是天才，

他們創造未來，改變世界；

也有人說工程師是萌呆，

搞得出高精科技，卻搞不定生活瑣事。

……

一直以來，人們給工程師貼了太多標籤，

有真誠讚美，也有調侃和誤解…

那麼現在，何不讓工程師，為自己代一次言！