編譯 魏劉偉

100年前，威廉?柯立芝把鎢拉伸成了細絲，點亮了白熾燈泡和整個世界。

威廉·柯立芝（William D. Coolidge）不想離開他深愛的波士頓，也不想離開麻省理工學(xué)院物理學(xué)研究的科學(xué)洪流。但在1905年，他沉重的學(xué)校債務(wù)和微薄的教師工資使得他無法拒絕來自通用電氣（GE）的一份報酬豐厚的工作。因此，那年秋天，32歲的柯立芝不情愿地登上了波士頓到布法羅的49號列車，前往紐約的斯克內(nèi)克塔迪——一個網(wǎng)格化的河岸小鎮(zhèn)——托馬斯·愛迪生把它改造成了一個電力城市。幾年內(nèi)，柯立芝將揭開一個冶金之謎，給這個城市乃至整個世界留下印記。然而，幾十年后，大多數(shù)美國人都不會意識到，他們家里明亮的燈泡里裝的是柯立芝的燈絲，而不是愛迪生的。

當(dāng)柯立芝于1905年9月抵達斯克內(nèi)克塔迪時，通用電氣的研究實驗室——19號樓，就像一個木屋，與麻省理工學(xué)院現(xiàn)代化的設(shè)施相去甚遠?？铝⒅τ跒橐患夜咀鲅芯壳易罱K目標(biāo)是為股東賺錢持保留態(tài)度。他想知道在通用電氣是否可以自由選擇他在麻省理工學(xué)院所喜歡的有趣問題，并擔(dān)心會被困在一家制造廠的角落里做著卑微的工作。然而，他一進入大樓，就無暇學(xué)術(shù)。危機就在眼前。

通用電氣的主要產(chǎn)品是燈泡，大部分是碳纖維燈泡——將愛迪生的發(fā)現(xiàn)與英國發(fā)明家約瑟夫·斯旺（Joseph Swan）的互補技術(shù)結(jié)合在一起。1879年，愛迪生用燈絲給世界帶來了光明：首先是棉線，然后是紙板，最后是竹子。但是，這些燈泡充滿了問題：它們只能發(fā)出微弱的光，且容易破碎，壽命短暫。通用電氣改進了碳纖維，將其平均壽命從100小時延長到500小時以上。但他們需要有一些突破性的創(chuàng)造，因為競爭對手正緊跟其后。他們需要一種新的燈絲，它需要發(fā)出更亮的光，持續(xù)時間更長，更耐用。

制造金屬絲

在歐洲，發(fā)明家們已經(jīng)開始用其他材料制造燈絲，每種材料都有不同程度的成功。鋨，一種硬而脆的元素，是第一種被拉成細絲的金屬。由于它的高熔點，它比通用電氣改進后的碳絲發(fā)光更亮，效率更高。但鋨的稀有性和價格意味著顧客必須把用過的燈泡退回來回收金屬。歐洲研究人員還嘗試了周期表上具有類似耐熱性能的相鄰元素，如鉭和鎢。

當(dāng)歐洲人在這些金屬方面取得進展時，通用電氣認為迫切需要為美國的大型市場制造更亮的燈泡，并使用新的燈絲。但要做到這一點，他們必須拿出一些獨特的東西，并在這一過程中克服巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)?？铝⒅ナ芄陀谕埂せ萏啬幔╓illis Whitney）——他曾是麻省理工學(xué)院的化學(xué)教授，1900年被聘為研究實驗室的第一任主任。為了找到這個新的燈絲，惠特尼策劃了一個類似于軍事行動的戰(zhàn)略。

惠特尼著眼于元素周期表上的鋨和它的鄰居們，以它們?yōu)榫€索來尋找燈絲材料。他給了手下30位科學(xué)家每人幾種元素進行評估。他們的任務(wù)很直截了當(dāng)，但并不簡單：找到一種金屬，這種金屬可以形成一根毛發(fā)狀的細絲，當(dāng)電流通過時能承受高達數(shù)千攝氏度的高溫，就像烤面包機里的線圈一樣。理想情況下，這種材料應(yīng)該對燈泡內(nèi)的少量氧氣保持惰性，以避免常見的使光線變暗的反應(yīng)。此外，惠特尼還指示他的科學(xué)家們研究一類叫作難熔金屬的元素，這類元素因其耐磨性而極難加工。

在柯立芝之前，其他科學(xué)家也曾用鎢絲做過實驗，但他是第一個制造出柔韌性好的鎢絲的人，這種鎢絲在彎曲時不會斷裂。通用電氣很快在白熾燈泡中使用了鎢絲，1911年制造出麥咨達燈泡

1905年，柯立芝到達通用電氣，與麻省理工學(xué)院的研究設(shè)施相比，這里的設(shè)施很簡陋。但就是在這里，柯立芝發(fā)明了鎢絲

柯立芝被指派研究周期表中的鉭元素。他還研究了相鄰的兩種金屬——鉬和鎢，它們的硬度分別是鉭的兩倍和三倍?？铝⒅セ藥讉€月專注于鉭元素的研究。德國的研究人員已經(jīng)將鉭制成了細絲，當(dāng)直流電通過鉭絲時，鉭燈泡的點亮?xí)r間長達900多小時——即一個多月。但是他們的壽命在交流電的情況下會下降70%，而交流電在美國電網(wǎng)中占主導(dǎo)地位。部分鉭絲在電流作用下變得易碎，并會在交變震動的脈沖作用下斷裂?？铝⒅ピ阢g元素的研究方面進展甚微，在最終專注于鎢之前，他曾短暫地研究過鉬。

征服鎢元素

鎢的優(yōu)良特性使它成為一個有價值的最終目標(biāo)。鎢是元素周期表的所有元素中熔點最高的（3 422℃），當(dāng)電流通過鎢時，鎢會發(fā)出白熱的光而不熔化。其光芒呈現(xiàn)出栩栩如生的色彩，而不是早期燈泡的黃色色調(diào)。但是鎢的高熔點也限制了科學(xué)家對它的研究。科學(xué)家通常通過加熱和軟化金屬來處理金屬，但大多數(shù)工具都無法維持鑄造鎢所需的溫度。

鎢也是一種難應(yīng)付的、堅硬的和易碎的金屬。為了利用鎢的強度，金屬工人和制造商并不是單獨使用它：而是將它融入鋼和其他合金中，使之更堅硬。其他科學(xué)家的早期實驗表明鎢不能被加工，也不能被拉成細絲?？铝⒅ギ?dāng)時指出，這個項目似乎沒有希望，但其團隊堅持了下來。

柯立芝利用了鎢的次佳起始點——它的粉末形式。他用液壓機將鎢粉擠壓成磚塊狀，用水銀電弧爐將粉末燒熔在一起。然后，柯立芝試圖擠壓這個鎢塊——他稱之為鎢棒——使其通過一個孔，形成一根燈絲，但鎢不肯屈服。當(dāng)柯立芝試圖用金屬銼打磨鎢的表面時，他發(fā)現(xiàn)工具損壞了?？铝⒅ソ?jīng)過幾個月不成功的嘗試后，又嘗試了另一種方法：把鎢粉倒入由淀粉和其他有機化合物制成的黏合劑中，混合在一起后噴出一根細絲。當(dāng)他將其測試燈泡時，燒焦的黏合劑使玻璃內(nèi)部變黑了。

在這張1922年的照片中，柯立芝（右）向愛迪生解釋了這種機器是如何為白熾燈泡生產(chǎn)鎢絲的

1906年3月，一根海綿狀的鎢棒意外地從燒結(jié)爐掉入液態(tài)汞池中，汞填充了氣孔，從而實現(xiàn)了突破。柯立芝回憶起小時候曾經(jīng)補過牙。他的牙醫(yī)把從一枚墨西哥硬幣上刮下來的銀片混合成液態(tài)水銀，作為汞齊；年輕的柯立芝注意到，這種黏性的糊狀物在變硬成永久形狀之前是可以塑形的。柯立芝意識到可以把汞與鎢混合，然后噴成金屬絲。他將鎢混合到汞和其他軟金屬（包括鉍和鎘）制成的汞合金中，接著擠壓它，然后熔化掉汞合金中較軟的金屬，從而制成了鎢絲。燈絲在燈泡里能夠穩(wěn)定地發(fā)光。

柯立芝在1907年初給他的父母寫信說：“我的方法現(xiàn)在肯定很有前途了?！笨铝⒅グ焰u絲投放市場，很快就賣出了近50萬只新燈泡?？铝⒅サ哪赣H在那年秋天寫道：“你的燈已經(jīng)在城里了?！钡u絲仍然很脆弱：汞合金使鎢絲具有彈性，然而，軟金屬熔化后，剩余的易碎鎢顆粒很容易折斷。因此，柯立芝的任務(wù)是制造一個更強大的版本，使其足以承受更嚴酷的條件，如汽車和火車的振動。

來自縫紉針的經(jīng)驗

為了解決使鎢具有韌性和耐久性的挑戰(zhàn)，柯立芝和他的四名技術(shù)人員回到對鎢粉的壓制，開始用鎢棒制造燈絲。首先，他們在一定的溫度范圍內(nèi)敲打鎢棒，但冷卻后的鎢棒仍然很脆?？铝⒅ルS后雇了一個鐵匠來加熱和錘擊鎢棒，但鎢棒出現(xiàn)了裂紋。后來他試過用熱軋機，但軋件還是太脆了。在那之后，他嘗試把鎢壓在兩個熱塊之間，但鎢棒太厚了。最后，他通過加熱的模具將鎢拉出來，這個過程將金屬顆粒拉伸成細絲，并將它們扭曲成極小的、像繩子一樣的細絲?？铝⒅ブ饾u縮小模具的直徑不斷重復(fù)了這一過程。最終即使在室溫下，形成細絲也是柔軟的。

他們現(xiàn)在有了一種很有前途的燈絲，但柯立芝在實驗室中進行的方法太慢、太麻煩，無法大規(guī)模生產(chǎn)燈絲?？铝⒅ピ趯ふ揖哂猩a(chǎn)水平的工藝時，從縫紉針中獲得了靈感：當(dāng)他還是個孩子的時候，他的母親會親手做衣服，讓他坐在她的膝蓋上時，教他縫紉。

1908年12月，柯立芝拜訪了查爾斯·考爾斯（Charles A. Cowles），他是康涅狄格州安索尼亞的一家電線和針線制造公司的老板。考爾斯制造了一種特殊的鍛造機，能夠以每分鐘數(shù)千次的頻率來錘擊熱銅線，然后通過一個錐形的金屬孔拉扯銅線以減小其直徑。一旦金屬絲達到特定的尺寸，金屬絲就通過直徑越來越小的單獨的金剛石模具被拉伸。

柯立芝相信，考爾斯的方法提供了一個實用的方法來制作他的韌性鎢絲。但鍛模機，連同其鉆石模具都很昂貴。幸運的是，惠特尼知道這項研究并不便宜，并相信柯立芝的想法可以解決他們的問題。于是惠特尼說服通用電氣管理層進行了冒險，到1909年春天，柯立芝就得到了他的設(shè)備。

經(jīng)久耐用

借助這些工具，柯立芝逐漸將鎢從一種易碎的、不易加工的金屬轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N耐用、精細、韌性好的燈絲，在這一過程中，他通過反復(fù)試驗改進了工藝。他把純氧化鎢粉末放在一個坩堝里——坩堝是由英國巴特西的黏土制成的——加熱到400℃左右，然后將其在石英管里加熱到1 000℃以上。接著將氫氣流過加熱的粉末，與氧氣反應(yīng)生成純鎢金屬。隨后，鎢粉被壓縮并燒結(jié)成棒，鎢棒被加熱后鍛造數(shù)次。最后，將細鎢絲加熱到紅熱狀態(tài)，并通過幾個直徑越來越小的熱金剛石模具拉制出細絲。有時柯立芝還會加入額外的軋制、拉拔和錘擊步驟來制造燈絲。

當(dāng)時，他不明白為什么有些步驟會提高鎢絲的性能。例如，巴特西黏土含有鉀，而鉀與鎢結(jié)合在一起，就會提高鎢的延展性。但柯立芝擁有專注力和耐心，他最終獲得了預(yù)期的結(jié)果。

到1910年，經(jīng)過多年的努力，柯立芝的工藝可以生產(chǎn)出數(shù)公里直徑只有6微米的韌性鎢絲，數(shù)百萬只鎢絲燈泡從此進入市場。（在他1913年的專利中，燈絲的直徑只有2微米。）通用電氣以麥芝達這個品牌銷售其所有鎢絲，該名稱源于波斯光明與創(chuàng)造之神阿胡拉·麥芝達（Ahura Mazda）。到1916年，鎢絲燈泡的銷量就超過了愛迪生的碳絲燈泡，在美國銷售的白熾燈泡中85%都是鎢燈絲。很快每家每戶都擁有了柯立芝的燈泡。用柯立芝的基本工藝制成的鎢絲點亮了所有的現(xiàn)代白熾燈泡，這些燈泡在過去幾年中被更高效的緊湊型熒光燈和LED燈泡所取代。

與愛迪生相比，柯立芝的貢獻已基本被遺忘，部分原因是這位害羞內(nèi)向的工程師更喜歡悄悄解開謎題，因而不受關(guān)注。但柯立芝頑強地馴服了鎢，在1922年的一篇報紙文章中，連愛迪生都欽佩他征服“如此頑強的金屬”的能力。