2019年11月8日 星期五

精確的力量:從工業革命到奈米科技,追求完美的人類改變了世界


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2019/11/8 第 1502 期
 
 
 
   

•從美國、西歐橫跨亞洲全球,從工業時代到數位時代,全靠人類最偉大的技術發明成就──精密!但是,追求極致完美主義,人類是否會忽略了這世界真實的模樣?精密和自然可以共存嗎?《紐約時報》暢銷書《不平靜的太平洋》作者、電影《牛津解密》原著作者賽門•溫契斯特匠心力作──《精確的力量:從工業革命到奈米科技,追求完美的人類改變了世界》,揭開人類科學與工業史上最神奇、複雜的發展歷程。

 
 

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作者/莊世瑩
繪者/張振松
   
  
精確的力量:從工業革命到奈米科技,追求完美的人類改變了世界

精確的力量:從工業革命到奈米科技,追求完美的人類改變了世界
The Perfectionists: How Precision Engineers Created the Modern World

作者:賽門•溫契斯特(Simon Winchester)
1944年生於英國,牛津大學地質系畢業,知名作家與探險家。曾任英國《衛報》及《星期天泰晤士報》海外特派員,常為《觀察家》、《國家地理》雜誌、BBC等媒體撰稿。
著有多部名列《紐約時報》及其他暢銷排行榜的精彩好書,包括:《天才、瘋子、大字典家》、《不平靜的太平洋》、《大西洋》、《美國統一功臣》、《熱愛中國的洋人》、《世界邊緣的裂口》與《喀拉喀托火山》。

譯者:吳煒聲
美國蒙特瑞國際研究學院中英口筆譯組碩士,曾獲美國翻譯協會(ATA)英譯中檢定合格任證。目前任教於國立清華大學與交通大學外國語文學系,致力於英語教學與中英翻譯研究。
2009年起建立「天地無用」英語學習部落格,將個人多年的學習英語心得逐一分享給廣大網友參考,以期拋磚引玉,吸引更多華人放棄教條式或填鴨式的英語學習法,以正確的方式逐步邁進多彩多姿的英語殿堂。

※   ※   ※

精密,翻轉了現代人類世界的面貌
缺乏精密,你我的生活將截然不同

如何測量世界的深度,唯有精密、準確的力量,開啟人類的長和寬!少了它,這世界就不會有鐘錶、汽車、鏡頭、槍、電腦、大數據!

「精密度」(precision)是現代社會的重要組成部分,但我們卻很少靜下心來思考它。精密度的概念源於18世紀末,約在美國獨立戰爭和法國大革命的時期,由五個原本互不相識的英格蘭人所創想。當時湯瑪斯•傑佛遜認為精密度有其絕對必要性,在他的鼓動之下,這個想法越過大西洋,輸出到剛成立的美國,傳到康乃迪克州和維吉尼亞州的磨坊和兵工廠,使美國逐步成為製造大國,接著再傳遍世界各地的工廠和實驗室。在工業革命初期,人們建立了測量標準,進而打造出工具機,亦即製造機器的機器。爾後,精密工具和方法被用來生產槍枝、玻璃、鏡子、鏡頭和照相機,但最終讓位給更先進的技術,包括基因剪接(gene splicing)、微晶片(microchip)和強子對撞機(Hadron Collider)。

「精密度」的思考是歷史上一個偉大的轉捩點,如果不留意精密度,製造業便不會崛起。在其助長之下,現代生活標準近乎奇蹟似地遍及整個世界。它造就量產、電子學、電腦晶片、太空旅行、現代機械、戰爭的革命性發展,對人類產生重大影響。

賽門•溫契斯特將帶領讀者回到工業時代初期,從北威爾斯的鑄造廠和曼徹斯特的工廠,到迪爾伯恩的生產線,以及美國太空總署的實驗室,穿越近二百五十年的歷史,足跡遍及整個世界。接著,順著時光逐步推移,論及目前全球各地(從美洲到西歐和亞洲)的尖端科技發展,以及成就現代生活的所有機械、工業、工程和電子產品的複雜標準。

《精確的力量》探討的核心問題是:精密度為何重要?我們使用哪些不同的工具來測量精密度?誰催生並提高了精密度?我們在許多層面追求「超精密度」,是否因此蒙蔽了雙眼而無視其他具備同等價值的美好,好比古老工藝、藝術和高雅文化?我們是否忽略了真實反映世界、而非體現我們理想世界的事物?精密物件能與自然和諧共存嗎?本書精彩呈現近代精密工業發展史,作者不僅對過往表達敬意,也對未來提出警告,值得深思。

※   ※   ※

透過精密鏡片,看清萬千世界──相機鏡頭與太空望遠鏡

哈伯望遠鏡在建造時可謂龐然大物(大小等於五層樓房),但飄浮於浩瀚無垠的太空時卻顯得微不足道,而且也不是太空中最漂亮的物件。它長相笨拙,似乎曾是個身漆銀色的胖男孩,瞬間長大之後,顯得呆頭呆腦。哈伯獨自飄浮著,有了新體態,但母親無力為他添購新衣,因此衣服皺巴巴的,笨拙難看,穿起來不舒適。此外,它的一端有鉸鏈蓋,可讓光進入艙筒,看起來也十分笨拙,很像廚房垃圾桶打開的蓋子,似乎有人踩著凸出的腳踏板,因此蓋子一直開著。然而,它沒有腳踏板,卻有方形太陽能板。望遠鏡改變姿態和位置時,溫度會隨之改變,太陽能板便會跟著收攏或開展。

哈伯太空望遠鏡可能不漂亮,但建造它的兩家廠商及其客戶NASA都知道,這架望遠鏡功能極為強大。從許多方面而言,它是非常簡單的望遠鏡,有一個所謂的卡塞格林反射望遠鏡(Cassegrain reflector),業餘觀星者無人不知這個物件,還有一對彼此相對的鏡子:主鏡收集光線並將其反射到較小的次鏡,次鏡又會反射光線,光線穿過主鏡中央的一個孔洞,會照射到各種觀測設備(照相機、光譜儀﹝spectrometer﹞,以及各種波長的探測器,波長從紫外線到可見光光譜,再到近紅外線)。探測器置於電話亭大小的箱子,緊密排列於主鏡後方,收集的數據會以遙測訊號傳回地球。

卡塞格林反射望遠鏡運用一種特殊形狀的鏡子,稱為雙曲面反射器(hyperbolic reflector),專門用來降低兩種像差,亦即彗星軌跡般的像差(稱為彗形像差)和透鏡邊緣誤差(稱為球面像差)。哈伯太空望遠鏡五月進入太空之後(亦即「發現號」啟動煞車推進器,然後從軌道上跌落,以螺旋方式朝地球下降,讓望遠鏡獨自安靜地待在太空),似乎便具備強大的探索天文潛力,而科學家也早已充分考慮、預估且避免各種光學失真和像差情況。沒料到六週之後,一場夢魘降臨。這不同於「挑戰者號」遇到的夢魘,知道在寒冷天氣發射太空梭有風險的工程師可急忙取消飛行任務。哈伯看似一切正常,人人皆心滿意足,而且心存傲慢。

萬事起初正常。望遠鏡進入軌道三週之後,亦即五月二十日,所有人都認為它已經從佛羅里達海濱的熱度冷卻到跟新環境周邊同樣的溫度,任務管制中心(Mission Control)便發出訊號,打開連到鏡面的前方鉸鏈蓋。

哈伯即將運轉。來自一百萬顆恆星的第一道光線(這個時刻就是如此命名,稱為「第一道光線」﹝First Light﹞)開始湧入望遠鏡的艙筒。光線朝主鏡前進,然後來回反射,最終進入探測器成為數據。遠在地表巴爾的摩(Baltimore)約翰•霍普金斯大學(Johns Hopkins University in Baltimore)太空望遠鏡科學研究所(Space Telescope Science Institute)的天象觀察者正焦急等待數據。訊號傳輸非常完美。數據如同預期串流而下。名叫埃里克•克遜(Eric Chaisson)的天文學家檢視了傳來的圖像,霎時之間,(根據他所說的話)「整個人就像洩了氣的皮球」。

出現嚴重的錯誤。圖像都模糊不清。

當時,在三十哩外的NASA戈達德太空飛行中心(Goddard Space Flight Center),擔任哈伯計畫首席科學家的愛德華•威勒(Edward Weiler)正因為任務初期進展順利而沉浸於歡樂之中。但隨後接到一通驚人的電話。巴爾的摩科學控制室的一位同事打了這通電話。那裡的科學家非常恐慌,無論如何嘗試改善問題都無效,他們告訴威勒,哈伯傳回的照片,每張都模糊不清(第一張例外,非常清晰,老天似乎在捉弄人)。

他們不敢對外張揚,花了幾天試著稍微移動次鏡微調圖像,希望從主鏡獲取一張清晰圖像。控制室的多數天文學家認為,哈伯拍攝的照片與地表望遠鏡獲取的圖像相比,品質相等,甚至更好。話雖如此,這些照片卻不如預期的好。其實,即便這也是謊話,這是天文學家一廂情願的想法。殘酷的是,沒有一張照片可以調到夠清晰而能使用。人人失望透頂。照片毫無價值,沒有用處。從各方面來看,這項任務突然一敗塗地。

哈伯升空兩個月之後,亦即一九九○年六月二十七日,NASA向全世界公布了這項壞消息。官僚們穿著西裝站成一排,哭喪著臉(胖嘟嘟的金髮威勒也同樣垂頭喪氣),面對一群記者發言。記者感到不可置信,各個忙著寫筆記,腦中出現太空殘骸的畫面。只要看過這個尷尬場面,任誰都會記憶深刻。排排站的官員指出,他們的報告一切屬實,有些人甚至連話都說不出口。哈伯主鏡有八呎的直徑,乃是當年最精密的光學鏡,邊緣似乎被磨得過於扁平。

主鏡稍微多磨平了一些,只有人類頭髮厚度的五十分之一,卻足以引起光學問題。失誤雖小,卻導致彗形像差和球面像差,使得觀測結果毫無價值。遙遠星系猶如棉花糖,厚實而無邊;恆星看似撲了一層粉妝;星雲就像會隨時變色的朵朵雲彩。哈伯拍攝的照片平凡無奇,好像俄亥俄州的某個人在煙霧瀰漫的後院用八吋望遠鏡對準天際看到的景象。如此說來,似乎不必讓美國和歐洲(這是歐洲太空總署﹝European Space Agency﹞和NASA共同推動的計畫)以及其他各國人士忙了二十年且花費將近二十億美元來打造哈伯。

新聞媒體狠毒無情。許多人認為,哈伯望遠鏡比銷售奇慘無比的福特「艾德索」車款好不到哪裡去,或許是由大近視眼的卡通人物脫線先生(Mr. Magoo)所設計。許多報紙漫畫家畫一顆顆檸檬(lemon,表示「廢物」)諷刺,還有人貼天電干擾(static)畫面,亦即電視播放結束之後螢幕出現的雪花,聲稱那是NASA發現的東西,諷刺哈伯觀測到的宇宙充滿毫無意義的雜訊。某位馬里蘭州參議員憤怒指出,NASA似乎忙著飼養「技術火雞」(technological turkey,turkey指「敗筆」,表示太空總署打造的儀器狀況百出)。這次出包沒有害死人,卻讓全國感到尷尬和蒙羞,某些政客幸災樂禍,將它與德國興登堡號飛船(Hindenburg)爆炸墜毀事故以及英國盧西塔尼亞號(Lusitania)於一戰期間被德軍潛艇擊沉慘劇相提並論。

國會議員掌握了NASA的預算,而某些極端的議員認為,這架有史以來造價最昂貴的民用衛星竟然會出錯(還有其他錯誤:太陽能板有缺點,整架望遠鏡因此抖振,無法順利執行更嚴謹的科學計畫),整個太空總署似乎前景堪慮。四年之前,太空總署笨拙無能,「挑戰者號」因此爆炸,如今又出了狀況。突然之間,NASA的兩萬五千名員工以及數以千計的承包商和供應商似乎面臨失業的風險。

所有過錯都得歸咎於一家公司,也就是當時的珀金埃爾默公司(Perkin-Elmer Corporation)。它的總部位於康乃狄克州的丹柏立(Danbury),在紐約市北部,距離為九十分鐘的車程。從一九六○年代末期,珀金埃爾默一直替高度機密的間諜衛星磨平鏡面和製造相機。這家公司經驗豐富,乃是「黑暗界」(替美國軍方研發武器的神祕機構)的要角。「黑暗界」在精密領域扮演的角色眾人皆知,但鮮少有人詳細討論。在丹柏立郊區的一座山丘上有一間無窗水泥建築,裡頭有拋光和磨平設備。多年以來,美國陸軍、海軍和各種偵察機構利用該公司磨平的透鏡,從高空窺探世界各地的森林、田野、基地和房舍,暗中竊取資訊卻無人知曉。

到了一九七五年,珀金埃爾默獲得一份價值七千萬美元的新合約,要塑造、磨平和拋光一面新的巨型望遠鏡主鏡,但該公司是故意低報價格才搶到合約。一九七八年秋天,康寧(Corning)的玻璃工廠交付一面巨大的空白玻璃盤。從一開始,噩兆便頻傳。一名品質控制檢查員曾經摔跤,幸好同事機警,捉住他的襯衫衣角,他才沒摔到玻璃上面。這面空白玻璃盤猶如光學「三明治」,三個組成部分卻出現嚴重錯誤:利用三千六百度熔爐來熔合的內部結構不結實,鏡面在拋光時可能會破裂。康寧員工被迫花了三個月,用酸液和牙科工具切開熔合部分。

康寧公司從未製造過這般具有挑戰性的玻璃。珀金埃爾默也未曾承擔這麼嚴苛的重責大任:根據NASA合約,這家公司必須磨平和拋光完成的熔融石英(fused-quartz)鏡面,過程中至少要移除兩百磅的材料,並且將巨大的玻璃塊形塑成精確凸面,表面要光滑至極,而以前從未取得這種成果或有這種要求。鏡面要光滑如綢緞,任何部位的偏差都不能超過百萬分之一吋。如果將鏡面比擬為大西洋,其上任何一點都不能高於海平面三到四吋。假使鏡面大小等同於美國國土,表面的山丘或山谷都不能高於或低於水平面二點五吋以上。

康寧剛交付玻璃塊時,珀金埃爾默的威爾頓(Wilton)工廠便開始粗磨。即便在這個階段,處理工序都一再延宕,尤其發生所謂的「茶杯事件」(teacup affair),亦即玻璃內部深處被發現有茶杯大小的網狀裂縫,必須用鑽子擴孔、切除與重新熔化,過程猶如動腦部手術。到了一九八○年五月,當時己經延宕了九個月,鏡面的基本樣貌終於成形。這塊巨大的玻璃體被小心翼翼地運到丹柏立之外的祕密設施,開始進行嚴格的拋光工序。

鏡子被仔細安置於一張有一百三十四個鈦釘的床板上,概略模擬哈伯望遠鏡最終將運作的無重力環境,一個由電腦控制的旋轉臂移到了鏡子上方。旋轉臂末端有一塊旋轉布,塗抹各種磨料(包括鑽石液﹝diamond slurry﹞、磨光用紅鐵粉﹝jeweler's rouge﹞和二氧化鈰﹝cerium oxide﹞拋光粉),降到玻璃表面後開始拋光,拋光愈久,磨料愈少。透過電腦控制,旋轉臂穩定運轉,長達三天,日夜不停工作,移除雜粒、清洗和拋光玻璃表面,使其光滑無比。拋光者經常得接替輪班十小時。拋光三天之後,玻璃被送到測試室。然後,測試人員根據測量結果,對電腦輸入新的指令,以某種壓力來拋光某個區塊,以及使用哪種磨粉去拋光幾小時,接著用另一種壓力拋光另一塊區域,這時是使用迥異的磨料去拋光,時程或多或少類似。這道工序會花三天,然後重新測試,又再執行這道工序,一週又一週地反覆進行。測試通常在晚上進行,以便盡量減少白天卡車路經七號公路時引起的震動;基於同樣理由,管理人員會關掉空調。全公司的人都會非常謹慎,要留意最小的細節。

然而,他們偶爾會犯小錯。說得更準確一點,他們沒有正確指導機器,然後機器便根據指令,犯了微小的錯誤。昔日熟練的鏡面製造商會用拇指感覺鏡面是否平整,以此獲取某種程度的精密度,但這種日子早已一去不復返。人們如今使用機器測量鏡面是否平整。有一天,丹柏立的工程師犯了錯誤,沒對終端機輸入○•一,而是輸入一•○的數字,只能驚恐地看著研磨工具開始在玻璃表面磨出一道溝痕。幸運的是,有一位檢查技師站在旁邊,手拿一個「斷電」開關(Kill switch)。他注意到初期磨溝不對勁,便立即終止拋光工序。這個玻璃表面的小缺口從未完全消失。它雖被磨平,卻依舊遺留痕跡,不過天文學家可以解決這個問題。

致命的錯誤就發生在這間測試室,而且這個錯誤並非微不足道。鏡面雖然被磨得極為平滑,亦即表面精密度極高,但測量方式卻錯到離譜。丹柏立的工程師使用了出錯的測量工具:他們使用一種儀器,這種儀器很像標尺,使用它的人都認為它正好長一呎,其實它的長度是十三吋,但沒有人發現。工程師不知道這點,只顧忙著測量,然後製造完美卻完全錯誤的東西。他們在「精密」製造「不精密」的望遠鏡鏡面。



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