第一传奇：电气奇才Charles Proteus Steinmetz

寂静回声

从小到大，各位一定听说过这个故事。
当时福特公司的电气工程师无法解决一台巨型发电机出现的若干故障，于是邀请一位名叫Steinmetz的电气工程师来到工厂。
到现场后Steinmetz拒绝任何人协助，只索要了一个笔记本、一支铅笔和一张简易行军床。
据西屋电气当时一名电气工程师查尔斯斯科特讲述，Steinmetz连续两天两夜一边倾听发电机运转的声响，一边在记事本上匆匆演算。
第二天夜里，他让人取来一架梯子，爬上发电机，在机体侧面用粉笔做了一处标记。
随后他告诉福特那些心存疑虑的工程师，拆掉标记位置上的一块盖板，更换励磁线圈上的十六匝绕组。
工程师们照做之后，这台发电机运转得十分完美。


亨利·福特一开始十分欣喜，直到他收到通用电气一张金额为10000美元的发票。
福特认可Steinmetz解决了问题，但对这个价格表示难以接受，他要求提供一份分项账单。
斯科特记述道，Steinmetz茨亲自答复了福特的要求，账单内容如下：
在发电机上划粉笔标记：1美元。
知道该在哪里做标记：9999美元。
福特付清了这笔账单。


Charles Proteus Steinmetz1865 年 4 月 9 日生于普鲁士布雷斯劳 ，在1923 年 10 月 26 日卒于美国纽约州斯克内克塔，是德裔美国电气工程师。
他关于交流系统的构想助力开启了美国的电气时代，他在数学与电气工程领域所做出的贡献，让他成为那个时代最受人爱戴、知名度极高的人物之一。


Steinmetz出生时就患有身体畸形，是驼背。
发育短小的躯干让人产生错觉，觉得他的头、手和脚都过大。
但在科学思想家中，他却是一位巨人，与阿尔伯特・爱因斯坦、尼古拉・特斯拉以及托马斯・爱迪生相交为友。

与爱迪生、特斯拉、爱因斯坦、Elihu Thomson、威斯汀豪斯等名人同处一个时代，在一众电学巨匠当中，Charles Steinmetz算得上一颗被埋没的明珠。

20世纪初，人们常常可以看见Steinmetz身着西装、头戴高顶礼帽，骑着自行车穿行于纽约州斯克内克塔迪的街道。
或是乘着独木舟漂浮在莫霍克河上，俯身在一张临时搭起的桌面上，一连数小时在纸上草草写下笔记与方程式，写有字迹的纸张有时会被风吹落到河里。他的嘴边似乎总叼着一支黑石牌细长雪茄。每当孩子们看见他便四散跑开时，Steinmetz心里便一阵难受。他认为，孩子们是被这个带着德国口音、“模样怪异、好似侏儒般的身影”给吓到了。这类事情令Steinmetz愈发痛苦，因为组建家庭、拥有孩子恰恰是他一生当中最渴望的事。然而，他清楚自己的畸形属于先天性，他的父亲与祖父都患有脊柱后凸，也就是上脊柱异常弯曲。出于害怕将身体畸形遗传下去的顾虑，Steinmetz选择终身不婚。


年少时期，他就在数学、物理学以及古典文学方面展现出过人的天赋。
他以优异成绩从文理中学毕业后，于 1883 年进入布雷斯劳大学。
在校期间，他加入了一个社会主义学生社团，该社团在并入德国社会民主党之后遭到政府取缔。
当党内部分同伴遭到逮捕时，Steinmetz接手担任党报《人民之声》的编辑。
他撰写的一篇文章被认定具有煽动性，警方随即开始查封该报纸，Steinmetz只得于 1888 年逃离布雷斯劳。

1885年欧美城市街灯开始用交流电，西屋电气公司也从1886年开始利用变压器变换交流电取点亮白炽灯。
然而一开始物理学家和工程师对于变压器感到困惑。 比如西屋电气工程师威廉·史丹利在1887年12月份做了一场变压器物理原理的讲座。
 一位美国电气工程师乔治·普莱斯考特对此总结到， 大家都清楚交流电并不按照欧姆定律来工作，至于遵循什么规律没人知道。
1888年Steinmetz发表了一篇关于变压器工作原理的数学论文，他实际上在来美国之前从来没有机会实际动手操作过这些电气设备。 他说道：自己在来到纽约州扬克斯市之前还没有亲眼见过变压器。
后来在苏黎世短暂居留时，一位德国电气出版社编辑找他，因为他读了Steinmetz关于变压器的文章想找他聊聊。 当他告诉编辑他准备取美国发展，编辑于是给了他一封介绍信。写给一位德国政治避难移民，名叫Rudolf Eickemeyer，他在美国开了一家公司，他于 1889 年搭乘统舱移居美国。
Steinmetz将自己的名字Carl August Rudolph Steinmetz改为美式的Charles Proteus Steinmetz。
他选取Proteus作为自己的中间名，这是他在德国求学时，老师们亲切赠予他的绰号，取自那位能够变换身形的海神。
在希腊神话当中，Proteus是一位居住在洞穴里、拥有预言能力的老者，他总会变回一个驼背老人的模样，Steinmetz十分乐意接受这样的比照。

不久之后，尝试了在爱迪生公司求职失败之后，他就在纽约州扬克斯市Rudolf Eickemeyer开办的一家小型电气公司找到了工作。
Eickemeyer是一位非凡的发明家，申请了制帽机械很多专利， 在1880左右制帽行业非常赚钱，那时的人们外出几乎人顶一个帽子。
 同样他还申请了很多发电机和电动机的专利。最著名的是在1887年最初的发电机的专利， 其中设计了新型绕组用于直流发电机，转子上电枢绕组使用机器绕制，替代手工加速了绕制速度。他的儿子Rudolf Eickemeyer, Jr，在二十世纪之交已是享誉国际的才华横溢的画意派摄影家。

也许是因为Eickemeyer听说1888年西屋电气支付给尼古拉·特斯拉一大笔钱购买他的两相发电机与电动机专利的事，他就开始指导Steinmetz愈发潜心钻研电气工程的实际应用问题，
他在工厂内搭建了一间小型实验室，大部分科学研究工作都在此开展。Steinmetz针对电气机械所用磁性材料的功率损耗开展实验，促成了他第一项重要研究成果磁滞现象。该现象阐释了在所有电气设备当中，磁效应转化为无用热能时所产生的功率损耗。在此之前，电动机、发电机、变压器以及其他电力驱动机械的功率损耗，只能在设备制造完成之后才能获知。自从Steinmetz发现了磁滞损耗的相关定律之后，工程师们就可以在着手制造这类机器之前，于设计阶段计算并尽可能降低由磁性效应造成的电能损耗。

1892年，Steinmetz在美国电气工程师学会宣读两篇论文，介绍了有关磁滞损耗的新定律，少数能够理解该项研究的学者立刻将其奉为经典，而他计算得出的该项损耗的常数至今仍是电气工程术语的一部分。就这样，27岁的Steinmetz就此确立了自己的声誉。

美国电气工程师学会（AIEE）和通用电气公司（GE）都对他的研究产生了兴趣，这让Steinmetz立刻受到广泛关注。
1893 年之前，Steinmetz居住在马萨诸塞州的林恩，在当地与通用电气的Elihu Thomson共事。

对于美国生活非常满意，Steinmetz给父亲的信中写道，他很高兴离开了德国狭小的生存环境。 来到这个过渡，与一群很有理性的人一起过着有想法有奔头的生活。 然而Steinmetz还是想成为一名数学家，他回忆道，渐渐地我与纯数学渐行渐远，工程占据了我的所有时间。

他的第二项贡献是提出了一种用于对交流电电路开展计算的实用方法，借助二百年前沃利斯的虚数概念，把数学工具辅助机械设备与电力线路的工程设计，由此可以提前预判电气系统的运行性能，不必先搭建系统再测试其效能。原先这套先搭建后测试的流程不仅成本高昂，结果还存在不确定性。Steinmetz创立了一套用于计算交流电相关现象的符号化方法，通过这一方法，他简化了一个极其复杂、当时尚鲜为人知的研究领域，使得普通工程师也能够处理交流电相关工作。这项成就极大推动了交流电设备在商业化应用领域的快速发展。


在1892年4月15日，JP·摩根策划了一场商议政变， 将爱迪生的公司与其他公司合并，开除爱迪生， 去除公司名称爱迪生通用电子公司中的爱迪生名字，仅仅保留通用通用电气，摩根开始大肆收购他所能够购买到的电气公司。

1893年，新成立的通用电气公司收购了Eickemeyer的公司，收购主要是看中他所持有的各项专利，但Steinmetz也被视作该公司最重要的人才资产之一。
作为Eickemeyer公司的雇员Steinmetz也称为了通用电气的员工。 Steinmetz也归顺于通用电气这个庞然大物。 他在给德国旧友勒克斯写信说到：这里的情形是这样的，这里只有两个巨型公司，通用电气和西屋电气，只有这两家公司可以使用发明技术。 Steinmetz说他更希望到西屋电气工作，但并未实施他的想法。
在通用电气公司，Steinmetz获得了更多机会去开展研究，并将自己的构想付诸实践。司每年支付他3000美元，相当于现在95000美元。
他被分派到新成立的计算部门，该部门的第一项工作，是负责起草公司的方案，为新建的尼亚加拉瀑布发电站制造发电机。1894年，通用电气公司将业务迁往纽约州的斯克内克塔迪，Steinmetz出任计算部门主管，他随即开始向工程师们传授自己的交流电路计算方法。

仅仅一年之前1891年夏天，一个俄罗斯-波兰人米哈伊尔·多力夫·多布罗沃利斯基，制作了三相交流发电和三线制传输系统。 只使用了两相电或者单相电50%的电线材料将瀑布发出的电能传输了惊人的175公里的距离。 正是这个工程，西屋电气也确信需要将交流电的频率从133赫兹降低到60赫兹， 工程师本杰明·拉米试图在1892年初的时候完成此项任务。
起先Steinmetz对于三相电并不感冒，更喜欢特斯拉的两相电。

通用电气对此持开放态度，让Steinmetz负责三项电工程。 在1893年中期，通用电气成为美国第一家可以建设三相电传输系统的公司。


1894年1月份通用电气交流传输部门首席工程师路易斯·贝尔博士发表文章指出，目前美国有五个电力系统在运行。 一个是西屋电气的两相电系统，由其前雇员威廉·史庙利负载建造。  另外四个是三相电系统，由通用电气Steinmetz负责建造。 对此Steinmetz非常自豪，他的100马力三相电系统非常流行，好几个系统都建好了并运行良好。
1893年5月尼亚加拉瀑布水电站也在论证是采用两相电还是三相电传输电力， Steinmetz为GE的三相电进行了争取，但最终西屋电气赢得了合同，建立了两项电系统在1895年8月26日并网发电。


在1894年年初，西屋电气员工路易斯·史迪威对另外一位员工查尔斯·斯科特讲到， 他们的两项-四线系统比通用电气的三相-三线系统需要多出10000美元才能够建成一个可以在10英里范围内的电力传输系统。 史迪威只是想是否他们也应该试试三相电方式，但斯科特告诉他西屋电气只有两相电机，制作三相电机非常复杂， 他们没有相应的工业产生线来生产三相电机，也没有技术人员懂得如何建设这样的生产装置。

斯科特有了深入的想法，就是使用三相电替代两相电进行电力传输， 他坐下来画了一个三角形，表示交流电向量，就像斯坦梅茨的方法里一样，因此他发明了一种将三相电转换成两相电，或者反过来的转换变压器。 斯科特说，每当出现了新的商业需求，对应的工程问题的求解中使用简单向量分析是一个关键。
  斯科特的这种T型变压器带来了巨大的影响，西屋电气拥有了两相与三相电混合系统。 例如他们希望将尼亚加拉瀑布水电站电力传输系统扩展到布法罗水电站，1896年西屋电气使用了斯科特的T型变压器将两相电转换成三相电从而节省了电力传输费用。 再使用另外一个斯科特变压器将三相电在转换成两相电，适应他们的两相特斯拉电机以及照明系统。


当Steinmetz了解到斯科特变压器之后，他认为使用60赫兹交流电替代50赫兹交流电， 这样他们就可以将其电机销售到西屋电气电力系统中，只要使用斯科特变压器将两相电转换成三相电即可。 所以他建议使用60赫兹作为交流电力照明和传输系统的标准频率。
  到了1894年10月份，通用电气开始混合使用三种系统： 短距离使用直流电；使用133赫兹的交流电来传输用于短距离传输； 60赫兹三相电或者单相电用于长距离电力传输；33赫兹用于超长距离电力传输。



Steinmetz于1893年在国际电气大会上向一群无法理解其理论的听众展示了他的计算方法，他所著的《交流现象的理论与计算》（1897年与Ernst J. Berg合著）当时仅有极少数人能够阅读并读懂。
Ernst J. Berg在纽约州斯克内克塔迪市联合学院担任电气工程学院院长长达 30 年，他是通用电气公司早期发展史上一位值得关注的人物，并且为电气工程理论作出了重大贡献。作为无线电领域的先驱，他在美国制作完成了首个双向无线电语音节目。在电路理论分析领域，他推广了Oliver Heaviside的运算微积方法。
Berg于 1871 年出生在瑞典厄斯特松德，毕业于斯德哥尔摩皇家理工学院，获机械工程硕士学位。
1892 年，他移居美国，进入刚刚成立的通用电气公司工作，当时该公司的总部设在马萨诸塞州林恩市。
在那里，他结识了Charles Proteus Steinmetz，并与这位驼背的 “电气奇才” 开启了持续一生的友谊以及长期的技术合作。

Steinmetz面临的难题是，电气工程师所学的数学知识有限，难以理解他运用复数来处理相关问题的全新数学分析方法。
为提升电气行业从业者的专业水平，他出版了多部教材，其中包括《工程数学》（1911年），并且把他1897年的那部原著扩充为独立的三卷本。慢慢地，凭借著作、讲座以及授课，他使用复数开展运算的计算方法在交流电相关工作中得到了普遍采用。


Steinmetz的第三项重大科学成就是对电力系统暂态过程的研究与理论构建，也就是电路当中持续时间极短的变化。闪电是该现象的一个典型实例，Steinmetz针对闪电现象开展研究，由此提出了行波理论，也为他研发保护高压输电线路免受雷击的装置铺平了道路。在这项研究过程中，他还设计了一台发电机，该设备可以释放10000安培、超过100000伏特的放电电流，相当于在十万分之一秒内输出超过1000000马力的功率。这是他在通用电气公司开展的最后一项重大项目，彼时他已经担任该公司工程咨询部门的主管。


没过多久，当时最杰出的科学界精英纷纷前往斯克内克塔迪，去拜见这位成果丰硕的“小巨人”。
时至今日，工程课堂上依旧流传着这些会面的趣闻轶事。
1965年，在该杂志刊登了一篇关于Steinmetz的报道之后，其中一则轶事刊登在了《生活》杂志的读者来信版面上。
杰克·B·斯科特来信讲述了他的父亲在密歇根州迪尔伯恩市亨利·福特的鲁日河工厂与“斯克内克塔迪奇才”相遇的经历。

照片为Steinmetz与同时代人物，如特斯拉、爱因斯坦等人，在新泽西州的马可尼无线电台的聚会。

除上述技术成就之外，Steinmetz还对美国工业研究的组织模式留下了深远影响。
1900 年，他向通用电气的上级提交了一份提案，提出如果公司希望维持其在电气照明市场的主导地位，就需要设立一个独立的工作区域，使其免于商业产品开发的日常任务干扰。美国此前已经出现过一些工业实验室，其中最著名的当属托马斯・爱迪生在门洛帕克以及西奥兰治设立的知名工坊。
但这些实验室侧重于产品开发，而非针对新科学现象开展研究。在Steinmetz以及实验室首任主任Willis Whitney（在该实验室中，他主持开展了具有开拓意义的电气技术研究，并且被认为为美国的工业科学实验室研究确立了发展范式。他的影响力远远超出通用电气公司，包括柯达、通用汽车以及杜邦在内的其他企业的代表专程前往纽约州的斯克内克塔迪，学习如何统筹开展突破性成果的探索研究。）的指导下，通用电气研究实验室很快证明，精深的科学研究也可以诞生于企业实验室的范围之内。
事实上，这家新实验室最早招募的人员之一，欧文・朗缪尔将在这里完成改变近代化学版图的一系列发现。
1932年斩获了诺贝尔化学奖，表彰欧文・朗缪尔在表面化学领域的一系列发现与系统研究。

1901‑1902 年，Steinmetz担任美国电气工程师学会主席。
尽管事业上取得了诸多成就，Steinmetz的日常生活却十分空虚。
他采取了一种特别的处事方式，这也让他赢得了“放荡不羁的科学家”这一名声。
来到斯克内克塔迪的最初几年，他混迹于通用电气工程师组成的“单身圈子”里，一同徒步、划独木舟，还尝试摄影。
Steinmetz与一位实验室助理结下深厚友谊，这位名叫Joseph LeRoy Hayden的年轻人身形瘦削、有着一头金发。
二人共同研制出首盏磁弧灯，这款灯具后来被用于街角照明。
Hayden开始为Steinmetz做饭，不久之后，他还在老板的实验室里放置了一张简易行军床，方便他们长时间连轴工作时小憩。
当Hayden告知Steinmetz，自己准备结婚，并打算在附近租一套公寓时，Steinmetz心生一计。


到二十世纪初，Steinmetz开始在温德尔大道修建一栋大宅，该地段是通用电气公司高管的居住区。他喜爱收集珍稀植物，于是在住宅的设计中增设了一间温室，还修建了一间实验室；他打算尽量在实验室工作，避免去公司办公室。这座宅邸完工之后，Steinmetz在温室里摆满兰花、蕨类与仙人掌，同时着手筹建他一直梦寐以求的动物园。他就像一个调皮的男孩，对一切带有剧毒的生物都十分着迷，饲养了短吻鳄、响尾蛇以及黑寡妇蜘蛛。发明家
古列尔莫·马可尼曾经向Steinmetz打听他的希拉毒蜥。“它死掉了，”Steinmetz答道，“它懒得不肯吃东西。”



没过多久，Steinmetz每晚都在家中与Hayden以及Hayden的妻子Corrine共进晚餐。Corrine是一位身材结实、圆脸的法裔加拿大人。这栋房子对Steinmetz来说实在太大了，Hayden夫妇隐约预感到即将发生什么。终于，斯坦梅茨转向科琳。
“你何不搬过来和我一起住呢？”他问道。


Joseph  Hayden对此完全赞成，这样一来，他们长时间的工作会便利不少，而且这栋大房子所提供的居住空间，是他和Corrine单凭自己永远负担不起的。Hayden渐渐开始欣赏施Steinmetz那些古怪的脾性，他明白，这位波西米亚出身的科学家内心十分渴望拥有属于自己的家庭。Corrine起初并不情愿，但施泰因梅茨慢慢说服了她。
“如果我们搬过来跟你一起住，”她最终对他说道，“家里的事务必须由我按自己的想法来打理。”


从此三个人在一起过着没羞没臊的生活，其实不是啦，Hayden的儿女们也把Steinmetz当成亲爷爷来善待。
https://nyheritage.contentdm.ocl ... ion/schmuse/id/235/
因此他便成了Hayden家孩子们的祖父，链接中是其中一个孩子的小时候照片。


1922年，托马斯·爱迪生前来拜访Steinmetz。那时爱迪生几乎已经失聪，于是Steinmetz用摩尔斯电码在爱迪生的膝盖上敲击出一段讯息。爱迪生面露喜色，二人就在一脸困惑的记者面前继续着这场无声的交谈。
在温德尔大街与Hayden一家同住的那些年里，施泰因梅茨的声望持续攀升。一位基督教社会主义者George Richard Lunn（简介https://repbio.org/george-lunn/）当选市长之后，Steinmetz出任斯克内克塔迪教育委员会主席。他发挥了关键作用，推动落实延长在校时长、提供校园餐食、配备校医、开设移民子女特色课堂以及免费发放教科书等举措。


1921年的一个周五下午，Steinmetz坐上自己的电动汽车，动身前往莫霍克营地度过周末。他在那里修建了一座小屋，可以俯瞰维勒溪。抵达之后，他发现闪电损毁了这栋房屋，一面大型镀银玻璃镜子也被击碎。整个周末，他不辞辛劳地修复这面镜子，把玻璃碎片夹在两层玻璃之间。组装完成后，他仔细研究碎片的排布纹路，坚信这面破碎的镜子显现出了闪电的放电路径。
回到通用电气公司，他搬来了一台巨型设备，之后又添置了另一台。
深夜的非固定时段时常传来雷鸣般的巨响，整座城市里人们议论纷纷，纷纷猜测。这位“斯克内克塔迪奇才”究竟正在28号楼里面做些什么？

1922年3月，记者们受邀来到通用电气公司，聚集在Steinmetz搭建的一座模型村庄前面。在一场声势浩大、伴有爆响的演示当中，爱迪生本人亲临现场见证，Steinmetz展出了一台12万伏的闪电发生器。他带着表演者一般华丽的架势拨动开关，制造出一道道闪电。这些闪电劈裂了大块的木料，摧毁了一座白色小教堂的尖顶，还劈开了一棵微型树木。记者们大为震惊。第二天，《纽约时报》刊登的一则标题如是写道：“现代朱庇特随心抛掷闪电。”Steinmetz的研究促成了一系列防护措施，用以保护电力设备免遭雷击。



根据Steinmetz的传记作者Jonathan Norton Leonard的记述，在Steinmetz生命的最后阶段，“他的科学研究变得颇像一个男孩摆弄机械玩意儿。”彼时，他凭借在该领域做出的贡献已经赢得电气工程师们的敬重，然而正当声名鼎盛之际，Steinmetz却情不自禁地陶醉于那些在职业生涯早期他本会嗤之以鼻的伪科学，Proteus（Steinmetz）度过了一生中最为快乐的时光。

1923年秋天，Steinmetz偕家人乘火车向西远行，途中驻足游览了大峡谷、约塞米蒂，还在好莱坞拜访了演员Douglas Fairbanks（1883 年 5 月 23 日生于美国科罗拉多州丹佛，1939 年 12 月 12 日逝于加利福尼亚州圣莫尼卡是美国电影演员兼制片人，也是最早、最杰出的银幕侠客英雄之一。） 。

他的妻子Mary Pickford是加拿大电影演员，曾获得过奥斯卡最佳女主角奖和奥斯卡终身成就奖。

也是第一个成立自己的制作公司的电影明星，1919年2月5日，Mary Pickford与Douglas Fairbanks、查理·卓别林、大卫·格里菲斯联手成立联美影片公司

10月26日，他回到温德尔大道的家中。他的孙子比利用托盘给他送来早餐，却发现Steinmetz一动不动地躺在床上，身旁放着一本物理学书籍。医生表示，他于睡梦中突发心力衰竭。“斯克内克塔迪奇才”就此离世。

Steinmetz建于 1930 年，为纪念他而命名。