通过回顾现代工业发展史，
告诉你为什么“精度”是人类技术进步的驱动力和衡量标准
开阔视野，增加文化资本。
以“精度”为切入点，重新诠释人类技术的发展历史与推动力。
科普与科学史爱好者。
希望给家人、朋友、同事开阔视野。
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前言
你好，欢迎每天听本书，今天我要为你讲述的书，是英国历史学家西蒙·温切斯特的《追求精确》，副标题是“对精确的极致热爱如何塑造了现代世界”。
在本书一开始，作者就讲了一件自己记忆中，难以忘怀的往事。在圣诞节的晚餐桌上，当作为精密制造工程师的父亲，给自己展示了一个神秘的小盒子，里面放着一些方形的金属块，平整光滑，闪闪发亮，每个金属块的表面，都刻着一个独特的数字。接下来，父亲把两个金属块摞在一起，让小温切斯特把它们分开，然而神奇的事情发生了，它们几乎牢固地粘在了一起，温切斯特用尽力气拉拽，也无法成功。父亲洋洋得意地解释说，这不是魔术，而是因为两个金属块的平面都如此光滑，以至于贴合在一起的时候，空气都无法进入，变成了真空，由此产生了强大的吸附力。
那么，这些神奇的金属块是做什么用的呢？父亲说，它们被称为量块。它们的作用，和尺子，或者砝码差不多，是在工业制造中，测量零件的公差，也就是每个零件尺寸上，和制造标准之间的细微误差。如果误差超过了某个十分细微的标准，就要报废，不能使用。由于这套精密量块，是瑞典一个枪械厂的质检员约翰松在1896年发明的，所以这套量块，也被称为“约翰松规”，规矩的规。
由于这种家庭环境的耳濡目染，作者温切斯特从小就对精密制造深深着迷。在他眼里，精确，对于现代工业社会和人类文明的重要性，如何强调也不为过。用他的话说，精确，是我们现代社会各类文化景观中不可或缺的组成部分，对精确的追求，构成了人类现代科技与制造技术发展的最基本推力。
“精确”这个字，最早来源于拉丁文，意思是“分离、切断、修剪”。相信你听到这个解释，估计就会在脑海中浮现出工匠坐在工作台前，对手中的零件材料进行加工打磨，努力让每个细节都符合设计蓝图标准的景象。从工业制造技术的角度来看，精确，意味着对某种标准的完全契合，同时这些标准的度量，比如我们提到过的公差，又在持续不断地缩小。比如，被作者温切斯特誉为“精确制造”之父，18世纪的英国工程师约翰·威尔金森，曾利用自己发明的镗床，对蒸汽机汽缸进行精密加工，从而让成品与设计图纸尺寸之间的公差只有0.1英寸，也就是0.254厘米，几乎就是当时一枚硬币的厚度。这个精度听起来已经非常了不起了。但是，在今天，一台荷兰阿斯麦公司制造的高精确光刻机，在用紫外光作为“画笔”，把芯片电子线路图“烧”烙在硅晶圆表面时，精度能达到一根头发丝的千分之一。
总之，自从人类迈入工业文明时代，精确就变成了人类永恒追逐的目标，以及衡量一个国家，文明综合科技实力的金线标准。华为管理顾问田涛，就为本书中文版撰写了一篇热情洋溢的序言，他概括说，本书是一部关于人类250年精密制造的演化历史，更是一部关于人类不断逼近精确极限的创新史，是一本在自己阅读中，用心最深，用时最长的著作之一。
接下来，我就分两个部分，带你进入作者温切斯特笔下这场人类追求精确的漫长之旅。首先，我们来看看，18到20世纪上半叶，在最初两场工业革命中，精确这个概念如何诞生，并且引导人类的科技制造进入“厘米与毫米的精确时代”。而在第二部分中，我们再来看看，随着电子工业革命的降临，人类对于精确的追求，如何进入了微米与纳米时代，由此产生的全新技术和工业产品，反过来又如何影响了人类的生活，以及对未知世界的探索。
第一部分
好了，让我们把时间拨回到18世纪中叶的英国，来拜访下被作者誉为“精确制造”之父的威尔金森。在温切斯特看来，威尔金森对工业革命的诞生，作出了至关重要的贡献，只可惜，他的功绩，被他的一位朋友兼客户完全掩盖了。提起威尔金森的这位朋友和客户，那可以说是无人不知，无人不晓，他就是改良了蒸汽机的发明家瓦特。但是，没有威尔金森的技术，瓦特就不可能获得成功。
这是怎么一回事呢？原来啊，在1775年，瓦特和威尔金森两个人，因为商业合作需要，走到了一起。当时，瓦特正在调试自己的第一台改良蒸汽机，结果麻烦来了，瓦特的蒸汽机，设计很合理，但是当蒸汽机正式运转起来的时候，发现运转效率低到不可忍受：大量蒸汽，从汽缸里不断泄漏出来。瓦特一检查，发现了问题的根源：上下运动的活塞，和汽缸内壁并不是很贴合；有的地方有缝隙，导致蒸汽泄漏，而有的地方，活塞又和汽缸内壁贴得太紧，造成了巨大的摩擦，这些缺陷，都浪费了蒸汽机宝贵的动能，导致其输出功率低下。于是，瓦特就找到了外号“铁疯子”的威尔金森，说你能不能想个辙，把这个问题解决了？
当时的威尔金森，已经依靠自己发明的精密镗床，拿到了技术专利。所谓镗床，就像一台水力推动的钻孔机，能够迅速、精确地在金属圆柱上钻出一个笔直、内壁光洁的孔道，让它变成一根中空的金属管。很快，这种新兴的工业加工机器，就被用来批量制造枪炮武器，用镗床制造出来的枪炮管，比用模具铸造出来的，性能更加优良，且经久耐用。
当然，利用水力驱动的镗床，效率比人力要高得多，但威尔金森还不满足，想给镗床寻找一种效率更高的驱动方式。正好，瓦特找上门来了，威尔金森就想，利用蒸汽机来驱动镗床，生产率还能提高。既然瓦特的问题在于蒸汽机汽缸的尺寸有瑕疵，而汽缸的外形和炮筒一样，也是圆筒形，那么说不定自己的镗床就能解决这个问题，所以说，帮助瓦特，也就等于帮了自己。于是，威尔金森欣然答应了这次合作。
正如威尔金森所料，自己的镗床，为瓦特造出了尺寸精确、与图纸参数误差不到0.1英寸的完美汽缸，让瓦特的蒸汽机顺畅地运转了起来。顿时，蒸汽机从实验室里的小玩具，变成了应用广泛的万能生产设备，让经济生产活动彻底摆脱了自然的桎梏。用作者温切斯特的话说，随着蒸汽机的使用，人们创造出了一个新世界，可以用机器快速生产自己所需要的产品，并且还可以用机器来制造机器。从这一刻起，精确就变成了这种全新生产模式里，最重要的品质与衡量标准，只有不断追求精确，复杂的机械装置才能顺畅地持续运行，源源不断地为人类创造财富。
然而，除了对财富的渴求，战争与冲突，是刺激科技急速发展的另一大动力。在威尔金森之后，我们将要介绍的这位技术专家，他的发明之所以能迅速普及，将精密制造推到一个全新的高度，很大程度上都要归因于工业化时代，战争对武器的大规模需求。
首先出场的，是一位名叫莫兹利的技术工匠，他的贡献在于，改良了车床，进一步扩大了精密制造的可能性。首先，莫兹利用金属来制造车床，沉重的重量和坚硬的材质，能让车床不仅能够加工金属产品，也让它的稳定性大大增加，在加工时不会产生振动，保证零件加工时的精密度。
其次，莫兹利发明了一个车床部件，叫滑动支架，支架上可以搭载各种工具，来对金属进行加工，比如切削、钻孔、抛光等等。滑动支架的位置，可以同时在纵向横向进行细致的微调，所以理论上，只要工人在加工时，能够记住滑动支架的精确位置，那么加工出来的金属零件，规格都应该是一模一样的。
有了金属车床和滑动支架，19世纪初的工人可以制造出达到怎样精度的产品呢？作者给我们举例说，比如今天在各种机械设备，或者日常消费产品上常见的螺丝钉，莫兹利的改良车床，可以保证每一枚螺丝钉成品和设计标准之间的公差，缩小到惊人的万分之一英寸。
当时的英国，正在全力投入反拿破仑的欧洲大陆战争。英国的一项重大战略就是，利用英国皇家海军的绝对优势，对拿破仑统治下的法国与欧洲大陆进行封锁，打击法国的海上贸易与运输，同时防御法国可能对英国发动的登陆入侵。为了达到这一系列目的，英国的造船厂就要开足马力，制造出一支数量庞大的舰队。
由于当时的军舰，还是木质风帆动力，所以每一艘船都离不开一种重要部件，滑车，说白了就是由滑轮、滑轮框架和缆绳所组成的复杂升降系统，用来控制为数众多的风帆。根据统计，要操控一艘大型军舰，就要1400多个滑轮组，而要维持庞大的英国皇家海军正常运转，每年就需要工厂制造超过13万个滑轮。在改良车床诞生之前，这些滑轮必须依靠熟练的技工手工制造，效率非常低下，于是莫兹利就被英国海军部聘用，设计了一组由不同车床组成的生产线，由瓦特改良过的蒸汽机驱动。这条车床生产线，最少只要10个工人操纵，就可以轻松完成每年13万个滑轮的产量，并且品质优良，让最为熟练的木匠技工都自叹不如。
大家可以想象一下，随着这些形形色色的新式技术和制造设备投入使用，产品的精度越来越高，产品之间，以及产品和图纸标准之间的差距，都变得越来越小，这不仅仅提高了产品的耐用度和通用替换性，还为下一场更伟大的工业制造革命，打下了基础。
这场工业制造革命的核心，就是流水线装配生产。说到它，就不得不提到一件经典产品和两个人。这件产品，就是福特的T型汽车，而两个主人公，分别是福特汽车的创始人亨利·福特，以及我们在一开头提到过的瑞典人约翰松。
说到福特，他的野心和远见在于，要把汽车从一款专属于上层阶级的奢侈商品，变成普通美国大众都消费得起的基础交通工具。于是，在1907年，他就召集手下的工程师，要设计出一款拳头产品。对于这款新车，福特的要求很苛刻，要求它空间大，能装五个人，还要皮实，便于驾驶，适应各种路况，而且价格还要足够低。于是，1908年10月1日，第一辆T型车正式在福特工厂里问世，并由于其优越的性能和低廉的价格，在随后的19年里，卖出了1600万辆。
说到这里，相信很多听书用户都知道，T型车的成功，原因就是亨利·福特在自己的工厂里，采用了流水线式生产法：在生产线上，每个岗位上的工人只需要对面前的零部件进行一项很基础，不需要太复杂技能的加工工序就可以；最终，在生产线末端，一辆完成的汽车就宣告完工。
然而，流水线式生产法要想落地，必须有一个重要的前提条件：那就是，所有的汽车结构件和零件，尺寸和参数都必须足够精确，误差应该在一个非常严格的公差限定之内，不同汽车上的同一种零件，可以轻松实现互换。这样，才能让流水线上那些没有受过复杂训练的工人，完全不用费心检查，只要机械地完成简单的装配动作就可以迅速造出一辆又一辆性能稳定的整车。换句话说，如果有相当数量的结构件或者零件有瑕疵，规格超出了预设的公差，那么整条生产线就会出现频繁的卡壳，效率骤然下降。
虽然为了实现流水线规模生产，一辆福特T型车的部件总数只有一百多个，但是在生产初期，这种全新的生产模式还是遇到了一些困难。比如，由于市场对T型车的需求不断扩大，所以很多部件的生产，必须外包给其他制造公司。结果，有一家瑞典滚珠轴承制造厂，叫斯凯孚，它的部件一上福特汽车流水线，就经常导致流水线停工，卡壳。亨利·福特很生气，就找斯凯孚的管理层来理论，结果仔细一调查发现，原来斯凯孚的滚珠轴承，产品精度比福特自己生产的还要高，这才导致了组装中频繁的卡顿，所以说，需要改良技术标准的，反而是福特。
那么，为什么斯凯孚的产品精度能够更胜一筹呢？原来，斯凯孚工厂在产品检测中，首先使用了我们之前提到过的“约翰松规”。刚才我们说过，约翰松是瑞典一个枪械厂的质检员，有一次，他出差乘火车的时候就开始琢磨，如果要制造一套工厂里测量产品尺寸的量块，每一块的尺寸该是多少？这一套量块总共需要多少块。还别说，等他最终到站下车的时候，答案就已经有了：103块，任取其中三块进行排列组合，就能让产品尺寸的公差，达到千分之一毫米的精度。
听到这个消息之后，亨利·福特就发动自己财大气粗的“钞能力”，解决了自己家汽车零件的测量精度问题：方法就是直接把约翰松的小公司买了下来，整体从瑞典搬迁到了底特律，变成了福特汽车公司下属的一个部门。可以说，T型车，乃至整个福特汽车在20世纪初的胜利，在很大程度上，是精密制造标准的胜利。
第二部分
好了，我们刚刚通过几个案例，简单了解了工业革命以来，精密制造技术是如何诞生，如何逐步发展的。在接下来的将近一个世纪中，制造的精密标准，和人类工业产品的复杂度，以及性能，可以说是互为助推、螺旋上升的：精密度的提高，能让各类高科技产品，拥有越来越复杂的内部结构，各类功能指标不断飞跃。而高科技产品结构的日趋复杂，反过来又对自身各个部件的精度，提出了更高的要求。所以，在这一部分中，作者温切斯特，就带领我们，进入了一个精度以微米、纳米计算的全新时代。
为了给我们一个关于在高科技时代，“精密度究竟有多重要”的直观印象，温切斯特不惜耗费笔墨，用相当长的篇幅，给我们讲述了一场由于精密度偏差，而导致的科研重大事故：主角就是大家熟悉的哈勃太空望远镜。
如果用一句话来简单粗暴地描写这场灾难，那就是：一个2.2微米的尺寸偏差，让价格20亿美元的哈勃太空望远镜差点成了废物。
1微米，相当于万分之一厘米，而一根细细的人类头发，直径也能达到60到90微米。说到这里有人可能就要疑惑了，为什么这样小的一个误差，就导致如此严重的后果？
为了回答这个问题，温切斯特首先带领我们简单地回顾了一下，光学与镜头的发展历史。简单来说，为了获得更清晰、真实、距离更远的物体的图像。作为摄影设备核心的镜头，它的结构、材料，以及加工的精度，也在不断进步。作者告诉我们，如今，光学工程设计师，如同管弦乐队的指挥，把不同成分和光学特性的玻璃拼合在一起，努力达到预想中最佳的光学效果。为了达到理想水平，透镜里会加入各种各样的稀土元素，甚至镶嵌非玻璃材料，镜头内部的透镜数量也在不断增加。
同时，为了达到最佳成像效果，透镜本身的加工精度也在不断上升；温切斯特举例说，像徕卡这样的知名相机品牌，它的透镜表面加工公差到了什么级别呢？是惊人的500纳米，也就是0.0005毫米。也就是说，为了让普通使用者拍到满意的旅游纪念照，相机透镜的表面加工，都要达到这样的精确度，那么对于一台在太空中，要精确拍摄遥远星球影像的天文望远镜，它对透镜精确度的要求，就可想而知了。温切斯特说，哈勃望远镜的主透镜，直径大约是2.4米，对它表面外形的精确度要求有多高呢？百万分之一英寸。也就是说，哪怕把透镜的表面积放大到整个大西洋那么大，那么，表面任何地方的公差，都不会超过10厘米。
1990年5月20日，在进入太空一个月之后，哈勃望远镜在轨道上开始工作，结果期盼已久的天文学家们一收到照片，肠子都吓得哆嗦了：除了第一张，其他传回来的照片无一例外，都是一片模糊，从科研角度来说毫无价值。之所以会出现这样的情况，就是因为哈勃望远镜的主镜边缘上，有一处2.2微米的加工误差。
这一处细微的误差之所以出现，原因简直匪夷所思：本来，为了精确校准透镜的尺寸，技术人员采用了一件价值数百万美元的设备，叫“零校正器”，利用激光反射来对镜面进行精确测量，按说肯定是万无一失。不过，为了衡量校正器内部零件之间的距离，工作人员必须使用一根金属棒，没想到这根金属棒由于表面涂层磨损，尺寸上出现了一个1.3毫米的误差，直接导致打磨出来的望远镜主镜，尺寸不符。这就好比说，你费尽心机想让自己画一根长度精确的直线，没想到尺子本身的长度就不对。由于这个加工失误，导致哈勃太空望远镜，如同得了近视眼。为了弥补这个失误，技术人员不得不再次进入太空，在望远镜里安插了一套光学矫正套件。而这套光学矫正套件，就如同给近视眼戴上了一副隐形眼镜，才算矫正了它的视力。
温切斯特说，从宏观历史来看，哈勃太空望远镜升空的这个时间，非常有意思，制造它所需要的技术，以及复杂程度，意味着精密制造已经在利用传统机械设备，肉眼可见这个层面上，到了一个极限。而随着计算机，以及配套电子设备工程的发展，精密制造的下一步，就迈入了肉眼难以观察的微观世界，也就是原子和电子的世界，而精密制造在这个微观时代的代表，就是计算机芯片和制造芯片的光刻机。
关于这两种人类信息时代革命性技术的故事，我们听书已经分别解读了两本相关主题的权威著作，分别是 《芯片战争》 和 《光刻巨人》，在这里由于篇幅所限，我们就从精密制造的角度来简单回顾下它们的发展。
芯片，说白了就是一种集成电路，由一小块半导体材料制成，通常是硅，然后上面集成了一定数量的晶体管，通过把电流转换成开关信号，实现数字计算。由于第二次世界大战的推动，导弹、自动控制与航天技术迅猛发展，导致了对数据计算和处理的需求急剧增加，电子计算机随即诞生。在随后的岁月里，由于计算机应用领域越来越广，对算力的需求越来越高，所以芯片表面必须放置越来越多的晶体管，来完成这些繁复的任务。在芯片面积和电子设备体积不能大幅度增加的情况下，唯一的解决方案就是把晶体管越做越小。关注计算机行业的人，可能会熟悉一个词，摩尔定律，意思是，每隔两年，同样大小的一块芯片上，晶体管数量就会增加一倍，芯片的运算性能也会增长一倍。
温切斯特在书中举了个例子，1971年，芯片巨头英特尔推出了著名的4004芯片，在宽度12微米的芯片上，放置着2300多个晶体管，这些晶体管之间的距离是几微米；但仅仅在半个世纪后，苹果iPhone12手机所采用的A14芯片，就能在88平方毫米的表面积上，容纳118亿个微型晶体管，这些晶体管之间的间隙，已经达到了几纳米；一纳米，也就是1米的十亿分之一，甚至比单个新冠病毒的直径还要小。和这种精度相比，无论是早期瓦特蒸汽机上的汽缸，还是福特T型车的零件，甚至哈勃望远镜的透镜，都是小巫见大巫了。
如此细微，依靠人眼和传统机械设备都无法把握的精度，到底要靠什么来实现呢？任何物理材质的加工刀具都不能指望了，于是大家就想到了神奇的光。
1958年9月，一个叫莱思罗普的美国物理学家，他正在为自己研制的芯片尺寸过大，无法装进设备而烦恼。有一天，他在用显微镜观察芯片上的晶体管时，突发奇想：既然显微镜的原本功能是把东西放大，如果把显微镜倒过来，那么某个很大的东西，肯定就会被缩小。按照这个原理，如果把一个芯片电路图放在显微镜的物镜那一端，肯定会在另一端，呈现出一个大大缩小的版本。
有了这个点子，莱思罗普就非常兴奋，但他还不满足，他又想到，摄影器材公司柯达，发明了一种制造胶卷的材料，叫感光树脂，遇到光之后，树脂就会发生化学反应，变硬，容易去除。那么，如果用一束光先穿过显微镜头上覆盖的芯片电路图，再打到覆盖着感光树脂的半导体材料表面，然后把这块半导体放到特殊的化学液体中洗一洗，那么半导体表面，被光照射过的感光树脂就会变硬脱落，下面的部分就被腐蚀，于是芯片电路图就这样，被精确地“刻”在了半导体表面，如同一个小型迷宫。接下来，再把磷、硼等材料注入这个小型迷宫，那么就会自动在每个节点，自然形成晶体管。
莱思罗普的这个制造微型芯片的天才想法，就被称为光刻，而曾经被用于制造胶卷的感光树脂，也有了一个新名字，光刻胶。用光刻法能够便捷、精确地大量生产芯片，芯片尺寸在大大缩减的同时，还能容纳更多的晶体管。可以说，莱思罗普发明的光刻制造法，为计算机效能的持续提升迭代打下了坚实的基础。没有光刻制造，人类近十年来的各项科技成就，从登月、互联网，到人工智能技术，都不可能实现。
在今天，利用光刻法制造芯片，就需要用到结构超级复杂的光刻机。行业巨头荷兰阿斯麦公司制造的高端光刻机，配件多达10万个，单台造价超过1亿美元。如果把光想象成一把刻刀的话，那么光波越短，这把刻刀就越锋利。在新闻报道里，我们经常听到，说先进的计算芯片，到达了多少纳米标准。那么这是什么意思呢？比如，7纳米芯片意味着，它的每个晶体管之间，只允许有几纳米的间隔距离，相当于一根头发丝粗细的万分之一。要制造这样的芯片，就必须采用一种特殊的光，也就是极紫外光，它的波长只有13.5纳米，是可见光波长的几十分之一。
要有效控制极紫外光并非易事，因为它只能在真空中传播，也不能够和普通光线一样被透镜聚焦反射，只能借助一种昂贵的设备，叫布拉格反射器获得，方法听起来有点疯狂，就是通过向高温气态金属发射强力激光才能获得。这些神奇的光线，沿着光刻机中多个反射器向下移动，最终达到硅晶片，进行刻印，公差能够保持在惊人的十亿分之几米这样的范围内。人类对于精确的追求，和实现的手段，在这一刻，达到了一个空前绝后的水平。
结语
好了，这本《追求精确》的主要内容，到这里，就大致为你介绍完了。作者温切斯特替我们总结说，在大约250年前，人类步入工业时代的同时，也开启了自己对精确的不懈追求。从最初的蒸汽机，到汽车与航空飞行器，再到计算机与各类消费电子设备。这些技术奇迹在提升人类探索自然和经济生产效率的同时，结构越来越复杂，精细程度也不断攀升，工艺标准从第一次工业革命时期的厘米、毫米，直到今天信息革命时代的微米与纳米。
在本书结尾，温切斯特说，按照这种发展趋势，人类在科技进步中，对于精密的追求，可能会进入量子时代，一切物理尺度的概念，哪怕是微米、纳米都将失去意义，唯一可靠的，是时间，还有一些理论物理上的常量，比如量子力学中的普朗克长度，也就是理论上人类能够想象的空间最小尺度。它无法测量，只能用数学推导。如果非要用传统物理长度概念来界定，那么一个普朗克长度就是1.6乘以10的负35次方米。
当然，这种精度的物质，人类暂时既无法想象，也无法制造，它的应用场景，还仅仅局限于人类对于宏大宇宙的探索和测量，例如激光引力波天文台，目的就在于捕捉宇宙间一种极其微弱的能量扰动“引力波”，如果它被证明存在，那么爱因斯坦等科学家所预言的宇宙大爆炸和宇宙膨胀理论，就能得到有力的支持证据。
负责感知引力波的，是两道巨大的激光，来自太空的引力波如果穿越地球，就会对激光产生极其细微的扰动。而为了捕捉着极其细微的扰动，科学家在天文台中央配置了号称“人类有史以来最精密的测量仪器”，一个由纯石英制成，形制完美的圆柱体，它能通过持续反射激光，来帮助科学家探测激光运动距离的细微变化，从而判断引力波是否袭来。这个装置能精确到什么程度呢？如果用它来计算地球和最邻近的恒星，半人马座阿尔法A星之间的距离，那么这段41万亿多公里路程的长度，将可以精确到60到90微米，也就是一根人类头发的直径。可以肯定的是，人类对于精确的追求，将和人类对于自然世界的探索一样，永无止境。
撰稿：朱步冲
转述：徐惟杰
脑图：刘艳思维导图工坊
