已故伟大的工程师:查尔斯·惠斯通——英国维多利亚时代伟大的发明家

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查尔斯·惠斯通爵士是一位科学先驱,他在电报、3D成像和乐器设计的发展中发挥了至关重要的作用。作者:尼克·史密斯。

查尔斯·惠特斯通。
查尔斯·惠特斯通。图片由Denis Pellerin提供,伦敦立体公司

作为通信技术的早期化身——电报的发明者,查尔斯·惠斯顿(Charles Wheatstone)可以说是我们今天生活的数字连接世界的创造者之一。作为一个天生古怪的创新者,他的整个学术生涯都在伦敦国王学院度过,从未退休,在那里他“最大的成就是发明了电报,彻底改变了通信方式”。相隔数公里、看不见彼此的人们第一次能够以可靠的方式‘交谈’。”在铁路网络扩张和国际股票交易金融交易所出现的时代,这些通信是必不可少的。惠斯顿还尝试测量电脉冲的速度,发明了手风琴,并引入了立体摄影,因此他被视为“3D和虚拟现实技术之父”。很难想象一个没有惠斯通广泛的天才影响的世界。

这位后来成为他那个时代伟大发明家之一的婴儿出生于19世纪初的一个音乐王朝th威廉和贝娅塔·布布·惠斯顿的孩子。18世纪90年代,格洛斯特家族在伦敦的斯特兰德建立了一家乐器制造企业,到1806年,他们搬到了大都市。由于没有接受过绅士的古典教育,惠斯顿在肯辛顿专有文法学校学习时,在法语、数学和物理方面表现出色。14岁时,他在叔叔查尔斯的指导下进入家族企业当学徒。作为一个孤僻的少年,他经常忽略他在乐器店的工作,更喜欢读书、写歌,追求他在电学和声学方面的兴趣。据他的朋友利奥波德·马丁(Leopold Martin)说,惠斯顿一直没有完全摆脱这些特征,他把他描述为“身材矮小,有点孩子气,目光短浅,说话语速极快,但似乎完全跟不上思想膨胀的步伐。”

1821年9月,还是青少年的惠斯顿第一次尝到了聚光灯的味道,当时他展出了他的“Enchanted Lyre”,这是一种特殊的混合钢琴和发声盒,他隆重地称之为“Acoucryptophone”。在此期间,惠斯顿进行了许多关于声音及其传播的实验,他的一些结果保存在汤姆逊1823年的论文中哲学年鉴。他甚至设想了一种技术,可以通过金属棒以每秒200英里(320公里/秒)的速度将声音信号从伦敦传输到爱丁堡。他把自己的想法称为“电话”。

电动势和电阻的清晰概念……使我们能够对大多数重要现象给出令人满意的解释

查尔斯·惠斯顿(1802-1875)

这就是惠斯通科学工作的范围,布莱恩·鲍尔斯在他的传记《查尔斯·惠斯顿爵士(1802-1875他把发明者的工作分为三个阶段:声光、电和电报。鲍尔斯指出,惠斯顿因其科学发明而闻名,他“因在电报方面的工作而家喻户晓,事实上,作为电报系统的创始人,亲王曾向他咨询过意见”。他在电测量方面的工作——包括与他同名的惠斯通桥——与德国物理学家乔治·欧姆的工作一样重要,而且“我们现在说的‘欧姆定律’而不是‘惠斯通定律’纯粹是偶然的”。

在声光领域,惠斯顿创造了一系列奇异的发明,其中包括万花筒。万花筒是一根柔软的细杆,自由端装有一个头,可以用木槌或弓来演奏,以产生“视觉持续”的光学效果。虽然惠斯顿的便携式口琴在1851年的世界博览会上获得了奖牌,但音乐界最应该感谢惠斯顿的是手风琴的发明。尽管他的自由簧片、风箱驱动、按键操作的专利乐器后来被更容易演奏的手风琴(它有一个缩小的钢琴式键盘)所取代,但这种乐器直到今天仍在民谣、探戈和波尔卡等小众音乐流派中蓬勃发展。历史记载,1830年,他的朋友迈克尔·法拉第(Michael Faraday)将惠斯顿关于手风琴的演讲带到皇家学会。

查尔斯·惠特斯通。
图片由Denis Pellerin提供,伦敦立体公司

由于他对公开演讲的恐惧,惠斯顿经常在讲台上借用他那位更著名的同事的服务。尽管他怯场,私下里,惠斯顿很合群。鲍尔斯讲述了1846年,惠斯顿在弗洛伦斯·南丁格尔父亲家中的一次聚会上,选择弗洛伦斯作为他在聚会上耍花招的同伙。他后来告诉一位客人。“哦!如果我没有其他的生活手段,我可以和她一起去赶集,赚很多钱。”

惠斯顿还发明了立体摄影术,通过使用一种叫做立体镜的仪器,将两张几乎完全相同的“平面”照片组合在一起,模拟立体视觉(人类大脑通过双目视觉构建深度感知)。惠斯顿对立体视觉的描述使他在1840年获得了皇家学会的皇家奖章。根据照片历史学家丹尼斯·佩尔兰和布莱恩·梅的说法,立体摄影术是在“1832年惠斯通出现时才开始的,在此之前没有人有过这样的见解。”你会以为列奥纳多·达·芬奇会弄清楚我们为什么有两只眼睛。”但理解立体视觉的任务却留给了惠斯顿这个“害羞、几乎不善言辞的天才”。在他们的书中立体:3d的黎明,作者认为,“我们的‘新’虚拟现实牢牢植根于查尔斯·惠斯通的革命性发现和他改变世界的发明——立体镜。”

惠斯顿在3D摄影领域的主要竞争对手是大卫·布鲁斯特爵士,他改进了立体镜,去掉了镜子,把它变成了现有的镜头形式。布鲁斯特经常被认为是立体术的发明者,梅和佩尔兰纠正了这一误解,他从未远离惠斯顿的轨道。根据布鲁斯特的发现,来自天空的光总是在与太阳成90度的平面上偏光,惠斯顿发明了“极钟”,可以根据来自天空的光来判断时间,而不需要太阳的视线。虽然在世界上有机械手表的地区,这项发明是多余的,但它成为1875年至1876年由乔治·斯特朗·纳尔斯爵士领导的英国北极探险队使用的导航设备的一部分。

很难想象一个没有惠斯通广泛的天才影响的世界

在伦敦国王学院任职期间,惠斯通进行了开创性的电学实验,并发明了一种改进的发电机。他还发明了两种测量和调节电阻和电流的装置:变阻器(一种用于改变电路中电阻的装置)和惠斯通电桥的改进版本,惠斯通电桥是一种通过平衡电桥电路的两条腿来测量未知电阻的电路。虽然名义上归功于惠斯通,但这座桥是英国物理学家和数学家塞缪尔·亨特·克里斯蒂的创意:惠斯通的参与是为了改进设计并帮助推广它。

1834年,大约在他被任命为伦敦国王学院实验哲学教授的时候,惠斯顿开始对电线传输速率进行实验。从这项研究开始,惠斯顿继续研究电力信息传输,并与发明家兼企业家威廉·福瑟吉尔·库克(William Fothergill Cooke)一起设计了五针电报,随后是两针电报,这是第一个得到普遍使用的电报。这导致了更多的新发展,包括1840年的显示字母的拨号电报和1841年的打字电报。不久之后,伦敦有了第一个商业电报,并在19世纪40年代在斯旺西湾进行了海底电报试验,在此期间,信号从船上发送到曼伯斯灯塔。

1845年,电报公司注册成立,惠斯顿和库克因使用他们共同的发明而获得33,000英镑。在库克和惠斯通的合作关系解除后,惠斯通独自设计了自动发送和接收设备,通过电报系统发送高速信息。到1850年,第一个国际海底电报连接了英国和法国。1859年,惠斯顿被贸易局任命为大西洋长途电缆的顾问,到1864年,他为大西洋电报公司的洲际线路建设提供建议。1870年,英国的整个电报网络被置于政府控制之下,运营责任转移到邮政总局。

惠斯通的学术生涯集中在与伦敦国王学院40年的合作中,在那里他是第一位物理学教授。虽然人们经常说他几乎没有发表过演讲,但他对国王学院的重要性使得惠斯通创新实验室(Wheatstone Innovation Lab)和一年一度的惠斯通讲座(Wheatstone Lectures)都以他的名字来纪念他。1868年,他因“伟大的科学成就和有价值的发明”而被授予爵士爵位。1875年,惠斯顿因支气管炎在巴黎去世,享年73岁。

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