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从镜片到GPS:精密科学推动世界发展

2018-06-29 584

1957年10月,前苏联发射了斯普特尼克1号卫星(Sputnik 1,人类第一颗人造卫星)。没过几天,来自约翰霍普金斯大学的William Guier和George Weiffenbach等几位专家便通过监测无线电信号的方式追踪到了这枚卫星。通过在海上发射跟踪导弹的经验,他们认识到:通过监测卫星在运动时发射出的无线电信号的多普勒频移,人们不仅可以判定卫星相对信号接收站是在前进还是后退,还可以得出其对于信号接收器的相对位置。 
他们证明了这一发现,但在不久以后被上司叫到办公室密谈。他们的上司解释道,如果地面上的人能够通过精确监控卫星频移的方式确定卫星的位置,那么反之亦然:一个运行在已知轨道上的卫星发出的无线电信号,能让身处地面或海上的人以极高的精度确定自己的位置。最初的误差值约为300英尺,但最终可缩小到约60英尺。这项发现促成了美国海军子午卫星导航系统(Transit)的建立,同时也为数十年后成形的全球定位系统(GPS)打下了基础。如今,全球定位系统已经能以几英尺的误差定位你的爱车。通过特定的GPS组件,全球定位系统还能激活测绘仪,以仅仅几毫米的误差定位地球上的任何地点(不过,这个过程恐怕得花上一定时间)。 
西蒙·温切斯特(Simon Winchester)的新书《完美主义者:精密工程师如何塑造了当代世界》(The Perfectionists: How Precision Engineers Created the Modern World)正是把焦点放在了类似的故事上。在书中,作者阐释了对于精度的追求是如何一再引领了技术的进步。为了使美国海军有能力精确定位带有核弹头的导弹,约翰霍普金斯大学的应用物理学实验室和子午卫星导航系统将定位的误差值降低到了几百英尺之内。为了让传统炸弹的投放更精确,全球定位系统需要更高的精准度;为了识别出不同的地块,测绘仪需要更高的精度;此外,摄影师和科学家们也对各自的仪器有着越来越高的精度要求。对于精度的追求同时出现在了数学和物质层面上--正是更精确的数学运算使得子午卫星导航系统和全球定位系统得以运转,拥有更高精度的金属、玻璃等硬材料也变得更加可控。 
《完美主义者》 
在这本书中,西蒙·温切斯特介绍了人类追求精度的不同阶段:1776年,英国实业家约翰·威尔金森(John Wilkinson)研制出了精度达十分之一英寸的蒸汽机;如今,在位于华盛顿州的激光干涉引力波天文台(Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory)里,科学仪器的公差已经极其微小--2015年,这里的仪器曾成功探测到了引力波。此外,作者还提到了经过精确调校的劳斯莱斯引擎、徕卡相机和价格不菲的徕卡镜头。当然,还有哈勃空间望远镜--其经过精心调校的镜片在发射后立刻被发现存在重大问题。用作者的话说,它的镜片"被精心调整到了故障状态"。不过,哈勃望远镜后来受到了妥善的维修,如今已被普遍认为是有史以来最伟大的科学仪器之一,它的知名度几乎和爱因斯坦与莎士比亚相当。 
西蒙·温切斯特称,智能手机不仅是当下普及度最高的精密仪器,还是人们日常生活中能接触到的最精密的仪器--这个头衔来之不易,因为手机不是机械设备,而是电子设备。手机内的各元件被紧凑地焊接在一起,没有活动的空间。三星Galaxy Note 7手机的案例证明,高精度有时也会成为问题。电池往往会不可避免地发生微小的膨胀,但这款手机的内部设计过于紧凑,并未给电池的膨胀留下空间。因此,这款手机在充入大量电能后便可能起火、爆炸。 
按人类追求精度的不同阶段排布章节的写法,使得本书相当具有逻辑性;对于精度的追求,需要的正是清晰和准确。磨出近乎完美的光学镜片、制造出高度精确的计时设备,需要机器本身经过数十年的不断改进来实现;精度的提升本就是一个循序渐进的过程,这一领域的每一项重要进展往往都花费了许多年时间。 
西蒙·温切斯特还发出了警告:有种信念认为越精确越好,这种对精确的追求近乎邪教,但却并无必要,因为一定的精度有时足以满足需求,且代价更低。作者在整本书中讲述了他多年来遇到的各种精密设备与仪器:在1950年代的英格兰,他的父亲向还处在孩提时代的他展示了一些金属制成的精密器具--那是一套用于校准的工具。在他20岁出头的时候,他曾在一家服务于石油行业的海洋调研公司上班,负责为一处位于英吉利海峡底部的钻井设备进行精确定位。在参考了无线电定位装置后,他成功地将那台巨型装置的支柱以200英尺以下的误差插进了淤泥中。最终,这台装置成功地落在了预计的位置上。公司的人告诉他,作为一个新手,他的第一次作业完成地相当不错。放在今天,他的成绩大概会被人耻笑,因为这类钻井设备的实际放置位置与计划位置之间存在的误差距离如今只有几厘米。他说道,这一案例中的精度提升并不会带来什么太大的改变,但对于精度的追求已经让石油行业真真切切地走到了今天这一步。 
这个主题很难讲得面面俱到,因为高精度是制造业与科技界在许多方面的共同追求。因此,西蒙·温切斯特在书中不得不有所取舍。他还指出了该书无法触及的一方面--机密情报收集设备。对于这类设备的进步而言,精准度也十分重要。在William Guier和George Weiffenbach等人正在应用物理学实验室忙于为美国海军开发提供精确定位的卫星时,其他科学家及工程师正在位于华盛顿的美国海军研究实验室(Naval Research Laboratory)开发属于他们自己的技术--用卫星定位苏联的雷达和其他发射装置,或从强烈的电磁信号环境中捕捉来自苏联洲际弹道导弹在试飞过程中释放出的微弱无线电信号。 
精密科学这一领域十分广阔,要窥知它的全貌堪称困难--不过,这种情况在有时完全是政府的意愿造成的。 
本文作者Dwayne Day主要活跃于华盛顿,是民用空间与航空领域的专家。他的其他著作还涉及人类从太空中收集情报的相关历史。