吉姆·韦斯特的神奇麦克风

20世纪50年代，当大学生吉姆·韦斯特开始在美国电话电报公司贝尔实验室的暑期实习时，他偶然发现了一个将彻底改变世界交流方式的科学现象。有了它，他发明了现在安装在每个电话和手机里的麦克风。然而，大多数人不知道他是谁。

詹姆斯·爱德华·马西奥·韦斯特于1931年2月10日出生在美国弗吉尼亚州的Farmville小镇上。当他还是个小男孩的时候，他因为拆解东西而臭名昭著，包括他祖父珍贵的怀表。带着对揭示世界如何运转的坚定热情，他后来决定要成为一名科学家，并热情地告诉了他的父母。然而，他们试图劝阻他。在20世纪初，种族隔离是美国的法律，黑人只能努力成为律师、医生、教师或传教士。韦斯特的父亲认识三个黑人化学家，他们是邮递员，因为没有实验室愿意雇用他们。对他的父亲来说，攻读科学学位是浪费钱，所以他不会在经济上支持韦斯特。韦斯特只好自己闯了出去。

他改变了世界，感动了每一个听到他发明的人

他曾就读于弗吉尼亚州汉普顿的一所大学，后来在军队短暂服役后转到费城的天普大学。正是在坦普尔大学，韦斯特注意到布告栏上贝尔实验室暑期实习的广告。这一刻改变了他的一生。1957年，他申请并获得了声学研究部门的一个职位，与研究人类如何感知声音的心理声学家一起工作。他们想要确定人类耳朵能检测到的两次嘟嘟声之间的最短时间，并需要响应式耳机来做这些实验。韦斯特的任务是制造这种耳机。

在贝尔实验室的图书馆里，他发现一篇发表于Acustica1954年会议讨论了用聚苯乙烯薄绝缘片制作耳机和麦克风的方法。这是电介质，这意味着它不导电，但储存电荷。它的一面被涂上了一层薄薄的金属，并安装在一个悬浮在金属板上的圆环上。直流电源的一边连接到塑料上，另一边连接到金属板上，给它们各自一个相反的电荷。论文中显示，电信号会使塑料片震动，人们可以听到震动的声音。

韦斯特成功地用涂有金属涂层的迈拉薄膜制作出了他的耳机，而且效果很好。他的暑期实习被认为是成功的。然而，就在几个月后，韦斯特在学校接到贝尔实验室老板的电话，得知他的耳机坏了。所以他在寒假期间回到贝尔实验室修理它们。

当他重读那篇1954年的论文时，他读到他们的耳机也坏了。研究人员提供了一种短时间逆转电源极性的补救方法，这似乎可以“重置”耳机。韦斯特尝试了一下，发现很管用。但这不是一个实际的、长期的解决方案。往好了说是乏味，往坏了说是不精确，这就是为什么他采用了一种不同的方法。

一天，韦斯特在实验室里修修补补时，不小心断开了耳机塑料片上的电源。但他听到了奇怪的声音。他的耳机响了!他发现聚酯薄膜几乎可以永久地储存电荷。这种奇怪的行为使他踏上了通往他最大成就的旅程——开发一种叫做驻极体的古老材料。

韦斯特从制造驻极体耳机转向制造麦克风

驻极体曾一度是科学界的奇珍异宝。在哲学汇刊1732年，英国皇家学会的斯蒂芬·格雷(Stephen Gray)写道，一系列材料(蜡、虫胶、沥青、松香和硫磺)具有“永恒的吸引力”。当格雷将其中一种材料熔化并冷却后，这种材料表现出很强的电行为。一个多世纪后的1839年，迈克尔·法拉第(Michael Faraday)提出了一种假设，即“在外部电场降为零后，电介质仍能保持电矩”。1892年，奥利弗·赫维赛德假设存在这种物质，并将其命名为驻极体。但在接下来的几十年里，很少有关于驻极体的论文发表，直到英国科学家安德鲁·格曼特在1949年为公众撰写了一篇关于驻极体的论文。Gemant报告说，当他将巴西棕榈蜡、蜂蜡和松香混合在一起，然后在一个磁场下冷却这种混合物时，他发现“极化的粒子，无论它们是什么，都是固定的”。

当韦斯特制造他的金属涂层塑料驻极体或箔驻极体时，他采用了类似的热处理，特别是在他早期的实验中。他将金属化的迈拉薄膜放在两块带电金属板之间，加热到约200°C。当它冷却时，它也是一个驻极体。很快，韦斯特从制造驻极体耳机转向制造麦克风，因为它们有相似的设计，但工作方式相反。他发明了一种铝箔驻极体麦克风，后来与贝尔实验室的科学家格哈德·塞斯勒合作。他们一起把驻极体材料从聚酯薄膜换成了聚四氟乙烯，这种材料在潮湿条件下表现更好，寿命也更长——大约几十年。他们花了数年时间研究如何增加储存在这些材料中的电荷。

以前的驻极体麦克风是由蜡制成的，电稳定性差。这一缺点使韦斯特的箔驻极体改变了游戏规则。类似于它的蜡前辈，箔驻极体麦克风不需要一个外部电池提供偏压操作。再加上它简单的设计既坚固又稳定，适合日常使用。这些特性使得箔驻极体解决了20世纪最大的挑战之一——更好的电话麦克风。

19世纪70年代电话的发明激发了整个社会的想象力。然而，亚历山大·格雷厄姆·贝尔和以利沙·格雷最早的化身在他们所能做的事情上受到了限制，特别是因为他们使用酸溶液将声音转化为电流。托马斯·爱迪生在1886年改进了麦克风，使电话更加可行。在他的设计中，一个连接在移动隔膜上的柱塞撞击了一个由碳颗粒组成的小按钮。当膜片受到声波震动时，电阻就会改变。这种流行设计的缺点是颗粒会产生失真和噪声。另一个主要缺点是，这个麦克风需要一个巨大的电池才能工作。甚至后来的设计——比如1916年爱德华·温特(Edward Wente)利用电容变化来探测声音的设计——也被大偏置的需求所固定。在温特的发明中，所需的电压可能会造成身体伤害。

韦斯特把科学娱乐变成了本质

韦斯特的发现使麦克风不再需要偏置电压。这使得驻极体麦克风得以缩小，开辟了电话以外的市场。今天，箔驻极体麦克风可以在电话、手机、电脑、玩具和助听器中找到。每年生产超过20亿枚。

几十年后，韦斯特获得了认可，但主要是在科学界。他的贡献在很大程度上仍不为公众所知。大多数人都不知道，是一位非裔美国发明家使他们能够与所爱的人通话或拨打商务电话。韦斯特的名字还没有被列入法拉第等其他科学界重量级人物的行列。科学家生活在一个充满思想的世界里，他们尊敬那些提出伟大理论的人。但同样重要的是那些让这些概念变得有用的发明家。韦斯特把科学娱乐变成了本质。他改变了世界，感动了地球上每一个听到他发明的人。

这就足够了，但韦斯特还做了一件事。他在贝尔实验室为有色人种学生设立了暑期实习项目，让数百名年轻科学家也有机会改变世界。吉姆·韦斯特不仅创造了20世纪的一项重要技术;在此过程中，他改变了科学的面貌。

Ainissa拉米雷斯是材料科学家和我们的炼金术，由麻省理工学院出版社于2020年出版