序言
精密制造的历史

科学的目的不是打开无穷智慧的大门，而是在无休止的谬误前面划一道界线。

——贝托尔持·布莱希特（Bertolt Brecht）《伽利略传》（ Life of Galileo ）

当时，我们正要坐下来吃晚餐，父亲突然一脸神秘地说要给我看点东西。他打开公文包，从中抽出一个尺寸不小且明显很重的木盒子。

那是20世纪50年代中期一个令人厌恶的伦敦冬夜，当时整个城市被笼罩在寒冷的淡黄色烟雾之下。那年我大约10岁，不久前刚从寄宿学校回家过圣诞节。父亲也从位于伦敦北部的工厂赶回了家，进门时，他的军大衣肩头落满了工厂的灰尘。父亲拂了拂双肩，之后便叼着烟斗站在烧煤的火炉前取暖，而母亲则在厨房忙碌着，很快便将菜肴端进了餐厅。就在这时，那个盒子第一次出现在了我面前。

即使这已是几十年前的事了，我仍很清楚地记得这个盒子。盒子长和宽约10英寸 ，高3英寸，跟饼干盒差不多大。盒子由橡木制成，周身裹着清漆，虽然饱经沧桑，但由于保养得当，依旧保持着精美的气质。在盒子顶部的黄铜牌子上，刻着父亲的名字首字母和称谓：B. A. W.温切斯特先生。与我用来放置铅笔和蜡笔的那个不起眼的松木铅笔盒一样，这个盒子的顶部也可以滑动打开，开口处有一个小的黄铜搭扣，搭扣处还有一个小洞，只用一根手指就可以打开它。

这个盒子是父亲亲手制作的。盒子有着一层厚厚的天鹅绒衬里，里面分割出一些凹槽，凹槽内牢牢固定着一些高度抛光的金属块，其中一部分是立方体，大多数是长方体，形状就像小型平板电脑、多米诺骨牌或铁锭。每个金属块的表面都刻着一个数字，而几乎每个数字都带有一个小数点，如0.175、0.735或1.300。父亲小心翼翼地放下盒子，随后点燃了他的烟斗，盒子里那100多块神秘的金属映着炉火，闪闪发光。

父亲拿出其中最大的两块，放在亚麻桌布上。就在这时，母亲从厨房狐疑地探出身来看了一眼。在母亲看来，这个东西肯定又像之前父亲从车间带回家给我看的那些玩意儿一样，表面覆盖着一层薄薄的机油。母亲恼怒地叫了一声后，又扭头返回了厨房。母亲来自比利时根特（Ghent），是一位十分挑剔的女士，她生活中的大部分时间都扮演着家庭主妇的角色，因此一尘不染的亚麻桌布和花边对她来说意义重大。

父亲拿出金属块让我细看。他说，这些金属块是由高碳不锈钢或一种添加了铬和钨的坚硬合金制成的，完全不带磁性。为了验证自己的说法，父亲把桌布上的两个金属块推到了一起。结果，桌布上留下了一条明显的油迹，估计这会进一步激怒母亲。父亲说的是真的，金属块既没有相互吸引，也没有相互排斥。这时父亲对我说，把这些金属块拿起来，一手一个。于是我用手托起了金属块，像是在掂量它们有多重一样。这些冰冷的金属块虽然沉甸甸的，但在制作上却颇为精致。

接着，父亲从我手中拿走了金属块，并迅速把它们放回了桌子上，这次是将一个金属块摞在另一个上面。父亲让我把上面的那个金属块拿起来，并强调只拿最上面的那个。于是，我伸出一只手，按照父亲的建议尝试了一下。可没想到，下面的那个金属块紧贴着上面的金属块也一并被我拿了起来。

父亲笑了。他让我把它们分开。我用力拉了拉下面的那块，然而两个金属块纹丝未动。父亲鼓励我再使点儿劲。我又试了一次，但两个金属块依旧严丝合缝地黏在一起，丝毫没有要分开的迹象。这两个长方形的金属块似乎在与我较着劲，它们寸步不让，像是被胶粘住或被焊接在了一起一样，抑或已经成功地合二为一了。现在，在这两个金属块之间，我连条缝隙都看不到了，金属块的边缘甚至都模糊了，好像一块已经完全成了另一块的一部分。即便如此，我还是一次接一次地尝试着。

很快我便汗流浃背，母亲此时也从厨房里出来，她越发不耐烦了。父亲只好把烟斗放在一边，脱下外套，开始帮忙端食物。未被分开的金属块就这样被我摆在父亲的玻璃水杯旁边，它们仿佛在嘲笑着我失败的尝试。晚餐时，我问父亲能否再试一次，父亲回答说不需要。只见他把两个金属块拿起来，手腕轻轻一转，就让一个金属块从另一个金属块的侧面滑了下来。两个金属块就这样被分开了，整个过程轻松而优雅。我惊讶地张大了嘴，毕竟从一个孩子的视角来看，父亲刚刚所做的一切，无异于变魔术。

父亲向我解释说，这并不是魔术。两个金属块的六个面都是无可挑剔的平面，它们如此平滑，几乎没有任何凹凸不平的地方。因此，当两个面合在一起时，空气根本无法进入，而两个面上的分子也会彼此合在一起，直至密不可分的程度。尽管还没有人知道这种现象产生的确切原因，但使两个面分开的唯一办法却很简单：一拧就开了。

父亲的兴致越来越高昂，其中所蕴含的激情是我一直都欣赏的。他极为自豪地说，像这样的金属块，可能是有史以来最精密的物件了，它们被称为量块或“约翰松规”。自瑞典科学家卡尔·爱德华·约翰松（Carl Edvard Johansson）发明量块以来，量块一直用于测量，甚至用来测量最微小的公差，而生产量块的人，更是机械工程领域的巨擘。父亲告诉我，这些量块都是珍贵的东西，他之所以展示给我看，是因为它们在他的生命中扮演着不可小觑的角色。

说完，父亲渐渐平静下来，小心地把量块放回带天鹅绒衬里的木箱里。晚饭后，他又点燃了烟斗，随后便在火炉旁睡着了。

齿轮的制造

父亲一生都从事精密机械工程师的工作。在他职业生涯的最后几年里，他还设计并制造了应用于鱼雷制导系统的微型发动机。父亲参与的这些工作大部分都是保密的，但偶尔他也会偷偷地把我带到他的工厂里。我半是钦佩半是困惑地观察着那些精密的仪器，有的仪器是为微小的黄铜齿轮切割齿槽的，有的是用来抛光跟头发丝一般粗细的钢轴的，还有的是一些只有普通火柴头那么大、缠绕着铜线圈的电磁铁。

我记得自己曾经特别享受和父亲最欣赏的一位工匠待在一起。他是一位穿着棕色实验服的长者，和父亲一样总是含着烟斗，不过在工作的时候，他从来不会把烟斗点燃。每当这位工匠坐在一台昂贵的、有着特别用处的德国生产的车床前，他都会紧皱着眉头，死死地盯着眼前飞速运转着的精密仪器。与此同时，奶油质地的润滑油正源源不断地流向车床。

我看见仪器如同敏捷的猎鹰一般，叼起一个小小的黄铜销钉，然后带着它旋转着掠过细小的铜线圈的边缘。这些仪器如同被施了咒语一般独自工作着，不一会儿，面前金属盘的边缘便出现了一排新切割出来的轮齿 。

接着，机器停转了一会儿。这时候，我从一大堆相互连接的运转工件中，发现了一些精致的碳化钨工具。很快，这些工具便与别的工件一起，继续引导车床主轴进行旋转和切削的工作。被切割出来的轮齿现在正在被打磨、弯曲、开槽和倒角 ，机器的放大镜显示了铣刀是如何改变轮齿边缘的。

不一会儿，伴随着轻微的响声，飞速旋转的机器停止了，黄铜柱像火腿肠一样被切成无数小薄片；接着，夹具松开了，过滤器带着一组20多个闪闪发光的齿轮从润滑油中升了起来，每个齿轮的厚度不超过1毫米，而直径最多也只有1厘米，真是不可思议！

接着，一个隐藏的杠杆将这些齿轮从车床抛掷出来，放到一个托盘上。在这里，齿轮与主轴衔接，从而能够悄无声息地转动鱼雷上的方向舵，或是改变鱼雷马达上螺丝的螺距，使鱼雷这种高爆的水下兵器在陀螺仪的帮助下，得以克服大洋深处不可预测的海水波动，最终能平稳地直奔敌人的舰艇。

这时，这位老工匠慷慨地决定，皇家海军可以从这批新的齿轮中选择一个赠送给我。只见他拿起一双钢制的针鼻钳，从奶油质地的润滑油中取出了一个样品，用清水冲洗了一下后，自豪地把齿轮递给了我。随后他惬意地坐下来，大功告成似的微笑着，心满意足地点燃了一直含在嘴里的烟斗。对我而言，小齿轮是一件特别的礼物。如果送我齿轮的人是父亲，他一定会说，小齿轮会提醒我曾造访过这里，只要看到这个齿轮，这份记忆便会像齿轮的轮齿一样清晰。

为什么不写一本关于精密制造历史的书

就像那位老工匠一样，父亲也为这份工作感到非常自豪。他之所以认为这份工作很重要，是因为把一大块不规则的金属变成美丽而实用的物体确实是一份非常值得投入时间和精力的工作。当每一个金属工件都经过精心地加工，并被安装在所有你能想到的地方时，父亲和他的同事们都会乐在其中。父亲所在的工厂生产了各种各样的装置，从装配武器开始，到后来生产民用汽车的配件。父亲制造的工件上过风扇，下过矿井；驱动过切割钻石的利刃，也带动过碾碎咖啡豆的重锤；还曾被镶嵌在显微镜、气压计、照相机和时钟里。可父亲懊恼地对我说，他没做过手表，只做过台式时钟、精密航海表以及立式大摆钟。在这些器具里，父亲生产的齿轮守望着时光，耐心地与月相保持着同步，并在数不清的走廊的高处，引导着指针指向其应指的数字。

父亲带回家的器具中，有的甚至比量块更精密，但没有量块那么神奇，不过它们都带有超平滑的加工表面。父亲拿这些东西主要是为了逗我开心，可在餐桌上展示它们总会激怒母亲。因为这些器具包裹在油性的棕色蜡纸里，上面的油点子会落在桌布上。“你能把它放在报纸上吗？”母亲大喊。但这通常是徒劳的，因为往往在那时，那件器具已经被父亲放在餐桌上，正在餐厅灯光的照耀下闪闪发光。也许这是一件小型光学测距仪，它的旋转测距钮已经调试好了，它那准备转动的曲柄已经连接好了，它的玻璃透镜也已经准备好演示了。

父亲对装配精良的汽车有着极大的迷恋和崇敬，尤其是那些由劳斯莱斯公司制造的汽车。这些高贵奢华的机器与其说是代表了车主的社会地位，不如说是代表了制造者的精湛技艺和匠心。父亲曾被允许参观汽车装配线，并拜访车间的工作人员。他专门花了一段时间与发动机曲轴的生产团队交流。其中使我父亲感到最惊讶的是，那些好几十斤重的曲轴，竟然都是手工打造的，而且平衡性非常好。一旦这些曲轴在实验台上旋转起来，它们就丝毫没有要停下来的意思，这是因为曲轴每一部分的重量都分毫不差地保持着均衡。

父亲对我说，如果没有摩擦，一个劳斯莱斯第五代幻影的曲轴一旦开始转动，就可以永远地旋转下去。这次谈话后，父亲让我试着设计一台属于我自己的永动机。后来证实，这是一个我浪费了许多个小时和数百张草稿纸却永远无法实现的白日梦。那时的我只对热力学前两个定律有很模糊的理解，因此并没有意识到这是一个永远无法完成的挑战。

就这样，我与这些有趣的机器一起度过了许多幸福的时光。时过境迁，我的童年时代已经过去半个多世纪了，但是那些美好的记忆依旧让我对精密制造保持着憧憬。2011年春天的一个下午，我出乎意料地收到了来自佛罗里达州清水镇的一封陌生的电子邮件，它的主题是“一个建议”，在邮件的第一段开头，发件人就直截了当地问我：“为什么不写一本关于精密制造历史的书呢？”

给我写信的人叫科林·波维（Colin Povey），是一个玻璃工程师，他工作的主要任务是制作玻璃材质的科学仪器。 ^[1] 波维先生在信中表示，虽然很多时候人们都不会关注到这个事实，但精密制造是现代社会必不可少的一部分。人们都知道，机器的各项参数必须是精确的，那些对人们而言重要的物品，如相机、手机、电脑、自行车、汽车、洗碗机、圆珠笔等，里面的零件都需要互相匹配，才可能完美运转。我们可能都认为，细节越是精密的产品，越是好东西。在人们看来，精确度就像氧气或语言一样是理所当然存在的，但在很大程度上，人们却注意不到这种精确度，因为人们无法想象它，也很少能恰当地讨论它，至少对于普通人来说是这样。然而，机械精密而精确的特性是其客观存在的特质，这种特质是现代性的一个基本方面，这种现代性使现代社会成为可能。

当然，精密制造也是有开端的，它有一个明确的诞生日期。精密制造是随着时间的推移而发展起来的，它经历了成长、改良和进化的过程。一些人认为精密制造的未来是十分清晰的，但也有一些人对此并不赞同。要想把精密制造本身，或者说精密制造的发展轨迹讲清楚的话，那么可以这样说：精密制造的发展轨迹更可能是一条抛物线，而不是一条无限延伸的直线。然而，无论精密制造是以何种模式发展起来的，讲述其故事都不难，究其原因，可以借用影视制作行业常说的一句话：“有一条贯穿始终的剧情主线。”

波维先生说，以上便是他对精密制造的理解。此外，在波维先生提出这些想法的背后，也有一个他个人的原因。为了说明这一点，波维先生告诉了我下面的故事。

老波维先生的故事

老波维先生，也就是波维先生的父亲，年轻时是一名英国士兵。周围的人都觉得老波维先生算得上是个古怪的人。比如，他为了逃避英国圣公会每周日的义务服务，宁可在表格中把自己勾选为印度教徒。老波维先生可不想蹲在战壕里战斗，于是他加入了英国皇家陆军军需部队（Royal Army Ordnance Corps），该部队负责向前线提供所需的武器、弹药和装甲车辆。

在部队培训期间，老波维先生学习了拆弹技术和相关知识，并逐渐在机械工程与工艺方面崭露头角。因此上级决定，于1940年将老波维先生派往英国驻美国大使馆。当然，这是秘密进行的，老波维先生只能穿着便衣低调行事。毕竟在1940年，美国还没有正式参加第二次世界大战。老波维先生的职责主要是与美国弹药制造商联系，以采购适合英国部队在前线使用的武器和弹药。

1942年，老波维先生被赋予了一项特殊的任务。美国制造的反坦克炮的炮弹，在用于英国自己生产的火炮时，部分炮弹会出现卡弹现象，而老波维先生的任务，就是查明原因。接到任务后，老波维先生迅速乘火车前往美国底特律，考察了那里的弹药制造商，在那里他花了几周的时间费力地测量了一批又一批炮弹。可令他懊恼的是，这里生产的每一批炮弹，都可以完美地装填在对应口径的火炮炮膛中，可以说做到了绝对精确。老波维先生告诉他在伦敦的上级，炮弹的生产过程并不存在任何纰漏。因此，上级命令老波维先生一路跟随弹药运输队，直到炮弹被移交到北非的前线指挥官手里，在此期间继续调查北非战场上那令人恼火的炮弹哑火问题。

老波维先生拖着他那装着测量设备的大皮箱，迅速奔赴美国东海岸。在那里，他乘坐满载弹药的运输列车，缓缓地穿过美国东部的山川河流，直到抵达弹药运输的中转站费城。每天，老波维先生都会测量炮弹，可他发现无论是炮弹的弹体还是外壳，都完美地符合它们设计时的参数，每个铁路仓库中的炮弹，都像刚下生产线时那样，能与火炮的炮膛完美契合。随后，老波维先生登上了运送弹药的货轮。

在货轮上的经历是老波维先生的一次历练之旅。这艘船在航行途中抛锚了，而护卫这艘货轮一同驶向前线的驱逐舰只得抛下了它。缺乏护航使得这艘货轮非常容易遭到德国潜艇的袭击，与此同时，这艘货轮又陷入了一场海洋风暴，翻滚的海面使所有船员都出现了严重的晕船症状。但正是这种极端的测试环境，帮助老波维先生最终找到了炮弹哑火的原因。

事实证明，运输船的严重颠簸确实导致一些炮弹受损。炮弹通常被堆放在货舱深处的板条箱里，当货轮在风暴中颠簸时，那些堆叠在边缘的板条箱就会撞到货舱两侧的墙壁。在一次又一次的撞击中，就可能出现炮弹尖端，也就是弹头，撞上货舱舱壁的情况。那些倒霉的弹头可能会被向后推入炮弹后部的黄铜装药筒里，虽然这也许只会带来几毫米的形变，但是这种碰撞如果重复多次，就会导致装药筒外壳变形、炮弹边缘膨胀。虽然这种改变非常轻微，肉眼几乎难以察觉，但这依然逃不过量具的“眼睛”，比如老波维先生行李中的千分尺（或者我们可以叫它螺旋测微器）和量块就能检测到这样的变化。

一旦船只靠岸，装卸工人就会卸下板条箱，拆散开成箱的炮弹，并配发给前线的各个团，没有人知道炮弹之前的摆放顺序，也没人清楚哪个炮弹来自哪个板条箱，在颠簸中变形了的炮弹会被随机分配至前线，随后就会出现前线炮弹无法精确装填的问题。这样一来，也就解释了为什么前线的火炮会随机出现卡弹的现象。

这是一个非常准确的判断，而且老波维先生还不忘提供一个简单的解决方案：只要底特律的工厂加固一下弹药箱的纸板和木料，那么由于运输船颠簸导致的炮弹外壳变形和反坦克火炮的卡弹问题就会全部得以解决。

老波维先生用电报把他的见闻和建议发往了伦敦。很快，老波维先生就被政府视为英雄，但也没过多久，他的英雄事迹就被淹没在前线炮火纷飞的战况中。此后老波维先生没有接到过什么新的命令，他离开了位于华盛顿的办公驻地，在外派这段漫长的时期，他也得到了相当可观的津贴。

老波维先生在撒哈拉沙漠中工作时想必是热火朝天的。然而，此时故事有了点小小的转折。老波维先生似乎受够了长时间的“沙漠狂欢”，在享受了几周的灼热阳光后，老波维先生觉得他确实需要回到美国了。老波维先生用11瓶苏格兰威士忌帮助自己成功从埃及的开罗转移到了美国的迈阿密。在开罗，老波维先生从一个临时机场出发。他在那里见识到的异域风情，不亚于之前他在廷巴克图 古代遗迹短途停留时的所见所闻。接下来，从迈阿密到华盛顿就是一段十分轻松的旅途了。

没想到回到华盛顿后，老波维先生又得知了一个令人沮丧的消息。由于他已经离开美国很长一段时间，并且与上级没有任何通信，当局已经宣布他失踪，并推定他已经死亡。属于老波维先生的那些特权被取消了，他办公室的衣柜换了新主人，衣柜里原本属于他的衣服，尺寸也变了，看样子衣柜的新主人是一个小个子。

老波维先生花了一段时间才把这个尴尬的烂摊子收拾好。最终一切基本恢复正常时，老波维先生又发现，他曾经隶属的负责军械的部门，现在已经全部转移到费城去了。老波维先生没有犹豫，很快也跟着去了费城。

在那里，老波维先生遇见了他们部门的美国秘书，并很快坠入爱河，随后结婚。老波维先生似乎从未遵守过他印在胸牌上的印度教教义，后来，他一直生活在美国。

最后，给我写信的人笔锋一转写道：“故事里的那位秘书是我的母亲，我之所以存在，完全是因为精确度对武器而言至关重要。”这就是为什么他希望我一定要写这本书。

什么是精确

在我们深入研究精密制造的历史之前，首先需要提及有关精确 的两个特定方面。第一，精确在人们的现代交谈中无处不在。 事实上，精确是我们现代社会、商业、科学、机械和文化景观中不可或缺的组成部分，已经彻底地渗透到我们的生活中。 然而，具有讽刺意味的是我要说的第二点，我们大多数人在生活中对精确的理解，并不适用于精密制造中的这一概念。我们未必完全理解什么是精确的意涵，以及其他与“精确”听起来类似的概念，比如“准确”等近义词，或是口语中的“恰到好处”“完全正确”这些概念的分量，与“精确”有什么不同。

精确在日常生活中是无处不在的，只要稍稍环顾四周，你就能找到有说服力的答案。例如，当你翻看咖啡桌上的杂志，特别是广告页时，在短短几分钟内，你就可以从广告页的产品中构建一个粗略的时间表，以享受充满“精确”的每一天。

你的一天从使用高露洁精确净白牙刷开始。如果你能对洗护产品做出明智的选择，那么你会始终关注吉列产品线上的最新产品，这样你只需轻松推动你的剃须刀，就能依靠吉列五刀头剃须刀和博朗精确毛发清理套装，把你的山羊胡和髭胡清理干净。当然，在与新对象第一次约会前，如果你的肱二头肌上有任何与前任相关的文身，一定要确保已经用广告里推荐的那台精确激光文身清除仪清除干净了。

一旦你消除了往日的痕迹，以焕然一新的面貌展示自己，那么你就可以用芬达精确低音吉他为你的新对象演奏一首小夜曲；在给你的车安装了一套新的带有辐射沟槽状纹理的、有白纸黑字投保的火石牌精确雪地轮胎后，你便可以带她在高速公路上来一场安全的冬季兜风，这样你就可以凭借对大众汽车的精确泊车辅助系统的熟练运用，给她留下成熟稳重的深刻印象；最后你带她上楼，打开斯科特精确收录机，这台设备将为总部位于芝加哥的斯科特变压器公司（Scott Transformer Company）取得的创世界纪录的成就增添庄严的色彩。当然，这则有关收录机的广告也许是很多年以前的，毕竟随便一个咖啡桌上的杂志未必都是最新的一期。

随后，如果你家庭院里的雪已经提前铲好了，你便可以启用你家后院里的“大绿蛋”精确控温户外烤炉来制备晚餐；而当你加工食材时，被精确技术解放出来的意识可以神游远方，或许当你神游到家附近的田地时，会看到那里刚刚播种了约翰逊精确农业技术出品的“精确玉米”；最后，无论今天晚上你要经历宿醉、彻夜笙歌抑或是一些生理上的不适，都会有纽约长老会医院（NewYork-Presbyterian Hospital）新推出的精确医疗服务来应对你的后顾之忧。

从咖啡桌上随便一张报纸里，找出这些把“精确”当噱头的例子根本用不了多长时间。例如，我看到英国小说家希拉里·曼特尔（Hilary Mantel）曾经把当时还未成为英国王妃的尼·凯特·米德尔顿（née Kate Middleton）的外表描述得非常完美，说她似乎是由“精密制造的机器加工而成的”。这样的描述既没有得到拥护英国王室的人们的欢迎，也没有得到工程师的欣赏，因为剑桥公爵夫人 的完美容颜与精密制造无关。实际上，任何一个人的外表都是由先天基因和后天教养所赋予的，完全没有精确可言。

在上述所有例子中，“精确”相对于“准确”是一个更好的词。在特定的商业广告语境下，“精确”一词往往是更好的选择，比如“准确的激光文身去除技术”听起来似乎不那么令人放心；一辆拥有“准确停车技术”的汽车，很可能被理解成这辆车偶尔会与另一辆车的挡泥板发生剐蹭；“准确玉米”的说法听起来有点傻。此外，如果你说你把领带系得很“准确”，那肯定会让人感到奇怪，而且有辱斯文。正确的说法是“精确地把领带打一个结”，因为这更能暗示一个人的情调与干练。

精确与准确

“精确”是一个有吸引力的，甚至带有一定魅力的词语。英语中，“precision”一词起源于拉丁语，早期曾在法语中广泛使用，于16世纪初首次被纳入英语词汇。它的最初含义是“分离或切断的行为”，如另一个词précis最初的含义“修剪的行为”一样在今天很少使用 ^[2] ，但是这个单词现在所表达的含义却经常使用，甚至它已经成为一种陈词滥调，就像《牛津英语词典》所解释的那样，即“精确和准确”。

在下面的叙述中，“精确”和“准确”这两个词常常是可以互换的，但是又不能完全互换，因为它们的意思相近但并不完全相同。

考虑到这本书的特定主题，解释清楚“精确”和“准确”的区别很重要。因为对于一线的工程人员而言，这两个词有着很大的差异。这同时也提醒我们，在英语中实际上没有同义词，所有的英语单词都有其特定的含义和适用范围。对一些使用者而言，“精确”和“准确”的确在意义上有很大的不同。

这两个词的拉丁文溯源暗示了这一基本差异。accuracy的词源与拉丁语中的“关心和注意”（care and attention）有很大的关系，而precision的词源涉及一系列有关“分离”的古老意义。

在英语中，“关心和注意”起初似乎与“切削加工”有那么一丁点儿关联，但是它们与“精确”的关联却很小。而“精确”不仅与“切削加工”有着相当密切的联系，还与“细微和细节”相关。如果你“非常准确”地描述某件事，你就会尽可能地展现它是什么，以及它的真正价值是什么；如果你“非常精确”地去描述某件事，你就会尽可能多地描述它的细节，尽管这些细节可能不一定是所描述事物的真正价值。

你不仅可以非常“精确”地描述圆的直径与周长之间的常数比，比如3.141 592 653 589 793 238 46……也可以将圆周率“准确”地保留到小数点后七位 ，记为3.141 592 7。在这里，我们用数学的方法，对圆周率的小数点后第八位“5”进行了四舍五入，这补充说明了之前我没解释清楚的内容。

我们举一个更简单的例子来解释上面的问题，这是用手枪射击后的三环靶（见图0-1）。比如，你朝着靶子射击了6次，所有的6发子弹都脱了靶，那么可以说你的射击既不准确，也不精确。

也许你的弹着点都在内环中，但均匀地散布在了靶心周围。在这种情况下，你的准确度不错，因为每一发射击都接近靶心，但不怎么精确，因为你的子弹都落在了内环的不同地方。

也许你的弹着点都落在内外环之间，而且弹着点都非常接近。那么可以说，你有很高的精确度，但没有足够的准确度。

最后，让我们来说说最理想的情况，一个令人兴奋的结果：你所有的弹着点都聚集在靶心。这时你就打出了极佳的精确度和准确度。

在上述的例子中，无论是写圆周率小数点后的数字，还是对着靶子射击，当所有结果都接近理想状态时，你便可以说自己实现了高准确度。对于圆周率而言，高准确度是指取值接近这个常数的实值，而对于射击而言，高准确度则是指弹着点接近靶心。对比而言，即使结果并不一定都接近真实数值或者理想状态，只要一系列结果接近或近似，我们就可以说它是精确的。总而言之，准确度描述的是接近目标的程度，而精确度指的就是精确本身。

公差的概念

在这一大堆令人发蒙的概念中，还需要补充最后一个定义，那就是公差的概念。无论是基于这本书所蕴含的中心思想，抑或是基于这本书的组织架构，公差都是一个特别核心的概念，因为它是这本书各章节得以组织起来的简单依据。 对精确度越来越高的要求，似乎是现代社会发展的一条主线 ，所以我按照人们对于控制公差技术的不断追求，来排列本书后续的每个章节，从公差0.1开始讲述本书的故事。令人震惊的是，一些科学家目前对外宣称，他们的工作领域处在几乎不可能实现的极高的公差控制之中，测量的误差只有10 ^-29 克到10 ^-28 克，这个数值接近本书最后一章所描述的公差。

在古埃及，人们在确定一个长度单位前，往往会测量法老前臂的长度，并以此为依据测量其他物品。后来人们逐渐接受了用法老的前臂作为测量距离的单位。

渐渐地，其他的人类文明也开始使用这个方法，即利用人们生活中常见的物件或人类自身的部分作为度量单位，比如大拇指的长度、脚的长度、1 000步的距离，或一日行进的距离等，这些长度或距离构成人们日常衡量其他长度或距离的单位。无论是英尺还是磅 ，无论是grave（法国大革命时定义的一种单位，是1升0摄氏度的冰的重量）还是catty（专指中国以500克定义的1斤），通常都是固定单位。

接下来，法国人创立了以十进制为基础的度量衡。在经历了精心设计和国际商定后，现如今这个系统成了众所周知的国际单位制，除缅甸、利比里亚和美国以外的几乎所有国家都采用了这一度量衡。它定义了长度、质量、时间、电流、温度、物质的量和发光强度的基本单位，分别是米、千克、秒、安培、开尔文、摩尔和坎德拉。为了不扰乱这段历史的叙述节奏，我将在本书的结尾作一个后记，对人类在测量中遇到的种种迷思做出更详细的介绍。

控制公差这一原则也引发了一个更普遍的哲学问题：为什么人们要在生产实践的过程中逐步缩小公差？ 这些测量结果揭示了人类社会正处于越发激烈地追求精确度的竞争中。 而这种竞争，是否真的给人类社会带来了好处？还是仅仅因为我们在某种程度上盲目崇拜更高的精确度，而又可以实现或相信我们应该可以实现更高的精确度，就将这种追求付诸了实践？这些问题，都是本书后面章节要讨论的，但为了更好地讨论这些问题，我们需要在这里定义公差，以便使我们对公差这一限制精确度的要素的了解，与我们对精确度本身的了解保持同步。

就像前文提到的，一个人对于语言的使用可能是精确的，一幅图片在印制方面可能是准确的。本书的大部分内容也将研究精确和准确的属性，其中包括各种适用于精密制造的对象，尤其是适用于需要机械加工的硬质材料，诸如金属、玻璃、陶瓷等。不过这些材料并不包含木料。尽管乍一看，精美的木制家具或寺庙木结构建筑可能很具吸引力，并且木材在经过刨平之后，木料之间的接口也能达到相当精密的程度，但精确与准确的概念永远不能严格地应用于木料制作的产品。木材是易变形的材料，它会以难以预测的方式膨胀或收缩，很难有真正的固定尺寸。并且从其本质上讲，木料是自然界中固有的一种物质。无论是刨光还是接缝，搭接还是铣削，或者为木制品上光上漆，木料都保留了其内在的不确定性。

但是，一块高度加工的金属、一块抛光的玻璃镜片或一块烧制的陶瓷片可以用于精密制造，因为它们可以真正持久地保持精加工后的精确状态，并且如果制造工艺无可挑剔，人们就可以批量生产它们。每一个精密制造的产品都一模一样，而每一个工件都具有相互替换的潜力。

任何一块制成的金属、玻璃或陶瓷，都必然有其化学和物理参数：它一定有质量、密度、膨胀系数、硬度、比热容等；它也必然有自己的尺寸，如长度、高度和宽度；它还必然有几何参数，如有可测量的直线度、平面度、圆度、圆柱度、垂直度、对称性、平行度和相对位置等，其中还包括许多令人着迷的其他参数，有的参数甚至更加晦涩难懂。

因此，被加工的金属、玻璃或陶瓷必然有一定程度的公差 ，这个公差必须有一个参数范围，这样才能适应不同的仪器，这个仪器可能是钟表、喷气式发动机、望远镜，或鱼雷的导航系统。如果工件只是简单地独自矗立在沙漠中，那么公差就没有什么意义了。但是，若工件要与另一块同样经过精密加工的配件准确契合，那么所涉及的零件必须在其尺寸或几何形状的精度上，与预先设定的可接受变量一致，以使它们能够正常地组合在一起。

这个预先设定的可接受变量便是公差，并且制造的零件在参数上越精确，其公差要求就越高。例如，鞋子总是具有极低的公差。一方面，制作不当的拖鞋可能会“允许或标注出有限的、可接受的尺寸变化”是0.5英寸，引号中的描述正是工程师对公差的正式定义。这表明在鞋的内侧和脚之间有很大的摆动空间，甚至几乎谈不上精确度。另一方面，伦敦的约翰·洛布（John Lobb） 制作的手工布洛克鞋似乎可以与脚背紧密贴合，但其仍具有大约1/8英寸的公差。对于一双鞋来说，这一公差不但是可以接受的，而且的确配得上其引以为傲的名气。不过，就工程意义上的精确而言，鞋类绝对算不上是精密制造的产物，甚至连准确都谈不上。

精密制造的诞生

人类有史以来制造的两种最精确的测量仪器，其中一件目前位于美国西北太平洋地区，地处华盛顿州干旱的中部，远离一切人群。它在绝密的核设施外制成，而正是这些核设施为炸毁日本长崎的原子弹制造了第一批钚元素。数十年来，钚元素都是美国大部分原子武器库的核心材料。

多年来，在那里进行的核活动产生了巨量核废料，在当地留下了难以想象的危险辐射地带，其中的核废料包括旧的燃料棒、被放射物沾染的衣物等。直到现在，在公众的强烈抗议之下，核辐射的隐患才得以清除，或者用环保主义者更喜欢的方式来说，核废料被“处置”了。今天，众所周知的汉福德场区（Hanford site）是美国官方承认的、世界上最大的核废料处置基地，处置核废料的预算高达数百亿美元，而对于核污染的补救工作可能会一直持续到21世纪中期。

在一个深夜里，我第一次从西雅图开车到汉福德场区。在向南疾驰的汽车里，我可以看到远处微弱的灯光。在持枪守卫的保护下，安全铁丝网和警告标志后面是大约11 000名工人夜以继日工作的场地。这些工人负责清理充斥着危险、有毒放射性物质的土壤和水体。有些人甚至认为，这项任务的工程量太大了，可能永远无法妥善地完成。

在主要清理场区南面的铁丝网之外，仍能看到残存的原子反应堆的高塔。当今科学界最引人注目的实验正在此地进行。这项实验根本不是秘密，也不可能留下任何有害的残留物，该实验需要制造并使用一系列人类有史以来制造的最精密的仪器。

这是一个不起眼的地方，很容易被忽视。经过漫长而令人疲惫的夜间行车，我天亮时才到达赴约地点。这条路空旷而冷清，而且主要的岔路口都没有标识。在马路左手边100米开外，有一系列低矮的白色建筑物，旁边的一个小标牌上写着“LIGO”（激光干涉引力波天文台）和“WELCOME（欢迎）”的字样。这个地方的景观差不多就是这些。也许标牌想表达的是：欢迎来到“极致精密”信徒的殿堂。

核科学实验场的科学仪器是花了几十年的时间设计的，这些仪器隐藏在干燥而多沙尘的地方。“我们通过隐姓埋名来维护自己的安全”，这是那些醉心于核武器，并从事昂贵实验的科学家们的座右铭。毕竟在激光干涉引力波天文台实验场，并没有带刺的铁丝网或围篱来保护这些科学家。在实验场中，机器的公差控制严格到了不可思议的程度，这些实验仪器部件的精确度是地球上任何其他仪器都无法企及的。

激光干涉引力波天文台这里有几台复杂且昂贵的机器是用来检测敏感变化的。它们探测的对象是在那些稍纵即逝的、出现在跨越时空结构当中的、造成破坏和扭曲的涟漪：一种被称为“引力波”的现象。1916年，爱因斯坦预测了这一现象，将它作为其广义相对论预言的一部分，即引力波这一现象应该会在宇宙中出现。

如果爱因斯坦是对的，那么一旦在遥远的太空中发生了一个并不算罕见的重大天文事件，诸如一对黑洞发生碰撞，那么引力波的星际涟漪就会以扇形传播开来，且以光速移动，最终到达并穿过地球。在这一过程中，整个地球的形状都将发生改变。当然这种改变的程度是无限小的，小到几乎任何有知觉的生物都无法感受到这种变化。这种轻微的挤压对于器械而言也是极其微小、短暂且无害的，甚至几乎任何已知的机器或设备都无法记录这种现象的踪迹，但是，从理论上来讲，激光干涉引力波天文台除外。经过几十年的实验和调试，现在这个仪器拥有更高的精确度和灵敏性，此时此刻正在华盛顿州西北沙漠的高地上运行。在路易斯安那州的海湾区，第二个激光干涉引力波天文台也已经建成，并且已小有成就。

终于，2015年9月，在爱因斯坦的相对论面世一个多世纪以后，激光干涉引力波天文台的研究人员第一次侦测到了引力波。在同年的平安夜以及2016年，激光干涉引力波天文台的仪器又多次显示其确凿无疑地侦测到了一系列引力波数据。这些引力波经过数十亿年的旅行，自宇宙太空的外缘，跨过茫茫时空，掠过地球，并在一瞬间短暂且轻微地改变了地球的形状。

为了探测到这些，激光干涉引力波天文台的机器必须按照完美的工程标准建造。要知道这在几年前几乎是不可想象的，甚至是难以实现的。因为这种考究、敏感且极端精密的工程，并不是绝大部分工程的做派。更加精密的制造加工技艺并不是现成的，更高的标准在黑暗中等待着人们去发现，而精密制造的早期推崇者，会为了公众利益逐步去发掘并实现它。

很多时候，与激光干涉引力波天文台工程仰望星空的特性相反， 精密制造是一个出于某个特定且公认的历史需求而特别创造出来的概念 。精密制造的产生源于非常实际的需求，这些需求与21世纪的我们想要验证遥远星球发生碰撞之后，是否会产生引力波这种物理现象的实证科学精神相去甚远。

实际上，精密制造所要讲述的是18世纪时，应用物理学所要面对的一个紧迫且现实的问题。这个问题与高温状态下的水这一拥有惊人潜力的载体，即蒸汽有关。steam（蒸汽）一词产生于17世纪，同时又定义了17世纪。精密制造的出现关乎我们能否存储、驾驭和疏导机器中的蒸汽，关乎能否驯服这无形的、气态的水。精密制造的实现使我们得以获取蒸汽的磅礴动力，让蒸汽在我们需要的地方做功，并且如果幸运的话，能够增进全人类的福祉。

而这样伟大的力量却源自工程史上一次独一无二的灵光乍现，它发生在英国的北威尔士。那是1776年5月中一个凉爽的日子，颇为巧合的是，这件事发生在美国建国的6周前。这之后不久，在美国的土地上，精密制造的技术恰逢其时地蓬勃发展起来。时至今日，大部分人都认为，5月的那一天正是精密制造诞生的日子。虽然这对一些人而言依旧有些争议，但是在这一天，精密制造终于做到了切实可行，而且具有可复制性。不仅如此，这种精密制造的程度是可以记录和衡量的。这次精密制造把公差控制在了0.1英寸，这只相当于英国1先令硬币的厚度。

[1] 玻璃工程师专门负责生产结构精细、复杂的玻璃仪器，主要用于化学实验。在这一领域有一本杂志叫《融合》（ Fusion ），这个领域的工程师还会定期举办论坛。其中有一位值得一提的杰出人物，名叫大野贡（Mitsugi Ohno），是一位日籍美国移民，生前主要在美国堪萨斯州立大学工作（已于1999年去世，享年73岁）。大野先生收集了大量精致的玻璃船只模型和标志性的美国建筑遗址模型，这些模型目前藏于堪萨斯州立大学位于曼哈顿镇的主校区。大野先生最著名的事迹之一是，他找到了一种吹制克莱因瓶的方法。克莱因瓶是一种向内侧弯曲的容器，就像一个三维版本的莫比乌斯带，它的神奇之处在于，整个瓶子只有一个表面。

[2] 尽管英国诗人T. S.艾略特（T. S. Eliot）在他1917年的诗歌《风之夜狂想曲》（ Rhapsody on a Windy Night ）中确实用到了precision一词的最初含义：“月光在低语中吟唱，消融了层层的回忆，连同它那清晰的脉络，还有它的分界线（Its divisions and precisions）……” 10EU7Z/yEWueHL2PTFVxDmYInv1LLRUYfD51SHIxYwrHqyMupvjGqIEsDJrTRH94