第1章　星象与分秒，蒸汽与气缸
公差0.1

一个有教养的人的特点，就是在每种事物中只寻求那种题材的本性所容有的确切性。当只能大致地、粗略地说明真理时，就不要苛求尽善尽美。

——亚里士多德《尼各马可伦理学》（Nicomachean Ethics）

在今天，工程界公认的真正的精密工程之父是约翰·威尔金森，一位18世纪的英国人。因为对铁这种金属极度热爱和痴迷，威尔金森被人们讥讽为“可爱的疯子”。他曾造过一艘铁制的船，喜欢在铁制的书桌前工作，建了一个铁制的讲坛，甚至还要求在铁制的棺材中下葬。威尔金森曾将这具铁制的棺材放在他的工作室，而每当有女性来工作室参观时，他便会事先躲在铁制的棺材中，然后跳出来给访客一个惊喜。在去世之前，威尔金森曾在英国兰开夏郡南部的偏远村庄制造了一根铁制的柱子，直到今天人们仍在这根铁柱子前面纪念他。

不过，人们同样可以说，在“爱铁如痴的威尔金森”之前，也有过几乎可被称为“精密工程之父”的先驱者。来自约克郡的钟表匠约翰·哈里森（John Harrison）就是其中之一。早在威尔金森之前几十年，哈里森就发明了一种可以称得上是精确的计时装置。大多数当代人通常认为，精密制造只有在近现代才能实现，但是令人万万没想到的是，早在哈里森之前的大约2 000多年前，生活在古希腊的无名匠人就已造出精良的器物。19世纪与20世纪之交，一群渔民潜入水底捕捞海绵时，在地中海底部意外发现了精密工程学的遗产。

这些希腊人潜入伯罗奔尼撒半岛南面的温暖海水中，像往常一样，他们在小岛安提基特拉（Antikythera）附近的水域找到了许多海绵，然而这一次他们还有其他的发现：一艘沉船的残骸，这艘沉船很可能是古罗马时期的货船。在支离破碎的木板下，掩藏着大量艺术品与奢侈品，这些是潜水者梦寐以求的宝藏。其中有一个略显神秘的方匣，方匣和电话簿一般大小，由已经锈蚀钙化的黄铜与木料构成。一开始，渔民认为它没有多少考古学价值，差点把它扔掉。

这个方匣就这样在雅典某处的抽屉中静静待了两年，无人问津。期间，匣子逐渐变得干燥，然后分裂成了3份，露出的内部结构令所有人大吃一惊。断面上30多个金属齿轮彼此灵活啮合，其中最大的齿轮直径几乎与整件物体本身相同，其他齿轮的直径则不超过1厘米。所有齿轮上都有手工切割出的三角形锯齿，最小的齿轮只有15个锯齿，最大的齿轮则有223个锯齿，这个数量在当时是难以想象的。此外，所有齿轮似乎都是从同一块铜板上切割下来的。

这一发现带给人们震惊，很快又转变为质疑，然后渐渐转化为某种出于困惑的畏惧。毕竟在这些科学家眼中，即使是希腊化时代(25)最天才的工匠也不可能制造出这样的东西来。在接近半个世纪的时间里，这个令人生畏的机器又被锁了起来，人们像对待致命病原体一样将它隔离保管。安提基特拉岛位于克里特岛和希腊半岛南部之间的海域，由于人们正是在这个岛屿附近的海域发现了这个装置，于是将它命名为安提基特拉装置（Antikythera mechanism）。渐渐地，这个装置在希腊考古学历史上隐匿了踪迹，因为人们总是安于和更传统的花瓶、珠宝、陶罐、钱币、大理石雕塑或更为精美的青铜雕塑打交道。也有人曾经出版过与安提基特拉装置相关的书籍和小册子，声称它是某种星盘或天体仪器。但除此之外，几乎没有人对这一发现产生兴趣。

直到1951年，事情才有了转机。一位年轻的英国学生得到许可，得以进一步研究安提基特拉装置。这位学生名叫德里克·普赖斯（Derek Price），他的研究方向是科学史及科学对社会的影响。在接下来的20年里，普赖斯使用X光和伽马射线检查该遗物的碎片，以探寻其中隐藏了2 000多年的秘密。除了原来就裂成的3个主要部分之外，人们后来又找到了80多块碎片。普赖斯最后断定，这个作品比一般的星盘更复杂，意义也更重大。它有可能是某种神秘的计算装置的核心工作组件，而这一装置的复杂程度超出人们的想象。再加上它明显是在公元前2世纪制造的，所以安提基特拉装置可以说是天才的杰作。在20世纪50年代，普赖斯的工作仍受限于当时的技术，无法更好地观察设备内部。20年之后，磁共振成像技术的诞生改善了这一点。2006年，《自然》杂志刊登了一篇更加详尽精细的分析，此时距那些捕捞海绵的渔民发现沉船已过去一个多世纪了。

这篇文章由世界各地的专业研究者共同完成。文章的结论是，这个经希腊渔民打捞后重见天日的物件是一个小型盒状精密机器的残部，其实质是某种模拟计算机，附有转盘、指针，并在表面刻有基本操作指引。这一设备用于“计算并显示天体信息，以月相或日／月历这类周期为主”。除此之外，在黄铜铸造的机械主体上有以科林斯希腊语刻成的细小字迹，共3 400个字母。其内容显示，只要转动盒子侧面的曲柄，让齿轮之间产生相互作用，就能够预测古希腊人已知的另外五大行星的运动轨迹。(26)

这个惊人的小机器盒吸引了为数不多但十分狂热的爱好者。这些人后来以木材和黄铜为材料，建造出许多模拟安提基特拉装置工作原理的模型。其中一个模型采用了铜制内部结构，其匣子外壳则使用了透明的有机玻璃。黄铜的齿轮在透明的匣子中展开，看上去犹如立体西洋棋。不同齿轮上锯齿的数量则提供了最基本的线索，研究者通过模型理解机器制造者原本的意图。例如，在最大的齿轮上有223个锯齿，研究者据此想起古巴比伦天文学家的研究成果，进而茅塞顿开。因为古巴比伦那些聪明绝顶的星象观察者早已计算过，两次月食之间通常相隔223个朔望月。也就是说，这个齿轮能让使用者预测月食发生的时间。其他齿轮和齿轮的组合能让轮盘上的指针转动，从而显示月相和行星摄动。它还有一个略显平常的功能，即显示以古代奥林匹克运动会为代表的公众运动会的举办日期。

现代研究者的结论是，这一装置做工十分精细，“其中一些部件的精确度达到几十分之一毫米”。仅从这个标准来看，安提基特拉装置似乎完全称得上是一台极为精密的机器。对我们的故事来说，至关重要的是，它也许是史上第一台精密机器。

然而，这种说法存在致命的缺陷。许多深深为之着迷的现代分析者制作了模型进行测试，然后失望地发现这台机器何止是不准确，简直就完全派不上用场。其中一枚指针本应指向火星的位置，但在多数情况下，偏差却高达38度。美国纽约大学文物学系教授亚历山大·琼斯（Alexander Jones）在安提基特拉装置这一课题上撰写的著作最多。按照他的说法，这台复杂的机器属于当时“尚处于萌芽阶段、正在飞速发展的工艺传统”中的一部分，其制造者的“许多设计思路值得商榷”。总体而言，这一机器的制造者创造了“值得惊叹的作品，但并非完美的奇迹”。

关于安提基特拉装置，还有一个谜团直到今天仍然吸引着科学史学家。那就是安提基特拉装置的内部塞满了复杂的发条装置，可是制造它的人显然从未想过将它作为时钟来使用。

当然，这只有在事后看来才算得上是一个谜团。因为古希腊人忽略了在我们眼中理所当然的东西，我们不禁想要回到过去，摇摇他们的肩膀来提醒他们。在古希腊，人们当时已经在使用各种不同的计时装置了。其中最常用的包括日晷、滴水、沙漏、油灯刻度，还有燃烧速度缓慢的蜡烛柱身上的刻度，其中沙漏的原理与今天的煮蛋计时器的原理相同。尽管安提基特拉装置的存在告诉我们，希腊人已经拥有了利用齿轮制作计时器的能力，但他们从来没有这么做过。无论是希腊人，还是后来的阿拉伯人，又或者是早前更为可敬的东方国家民众，统统未曾得到这个灵感。还要经历许多个世纪，人们才会发明机械时钟，而精确度就是机械钟表最核心的要素。

到了14世纪，世界各地有许多人声称最早发明了时钟。尽管机械时钟演变到最后的功能是显示每一天内不同的时刻，但在早期的这类装置中，时间却只扮演了相对次要的角色，这从现代人的视角来看着实有些奇怪。中世纪最初的发条时钟使用类似安提基特拉装置的复杂齿轮和锁链，附有繁复精致的装饰和表盘，上面显示的天文信息至少与时间信息同样详尽。我们几乎可以说，比起无休无止的时间流逝，又或者牛顿惯于称之为“持续”（duration）的单向前进的时间之流，古代的人们认为，天体在天穹中运行的轨迹有着更重要的意义。

自然界中，黎明、白昼和黄昏已为人们提供了基本时间框架，告诉我们何时起床劳作、何时小憩、何时擦去汗水喝上一杯、何时摄取营养、何时准备入眠。这就是这类观念的来源。既然时间的准确细节只是人为的规定，确立早上6点15分或者夜里11点50分这样的具体时间节点也就显得不那么重要了。相比起来，天体的运行由诸神决定，在人类的精神生活上有着重大意义。所以，天体运行比人工架构起来的时刻分钟更值得注意，也因此更应该用精美繁复的机械展现。

然而最终时分秒仍然获得了至高无上的地位，发条机制在后来主要用作计时用途。也许古人只需仰望天空就能知道大概的时间，但当人类开始使用机械计时之后，许多各种各样的装置将这个使命传承了下去，自那以后情况就未曾改变。

最早使用钟表计时的场所是修道院。修士起床和完成每日功课都必须尽量守时，从凌晨祷到夜祷，期间还需完成午前祷、午后祷和晚祷。社会上则涌现了许多不同的专门职业，包括店主、文员、会议主持人、教师、轮班工人等。于是，对准确计时的需求越来越迫切了。田地里劳作的人们总能看到远处教堂的钟楼或者听见钟声，但开会要迟到的城市居民仍然需要知道在约定时间之前具体还剩下多少分钟。“约定时间”这种说法到了16世纪才广为使用，这时供公众使用的机械钟表已随处可见。

在陆地上，铁路交通最大程度地影响了时间的运用，甚至在一定程度上，正是铁路定义了时间。火车站的大钟总是吸引人们的目光，查看自己怀表的售票员也成了一个经典形象。对于所有图书馆和部分家庭而言，时刻表有着无可比拟的重要性。时区的概念以及它在制图上的应用，全都始于铁路在人类社会中刻下的守时的印记。然而在铁路年代之前，已经有一个行业比其他所有行业都更切实地需要最精确的计时工具，那就是航运业。自从15世纪欧洲人发现了美洲大陆，随后又打通了通往东方的贸易路线，航运业一直如火如荼。

跨洋航行时，在广袤无垠的海洋上辨清方向极其重要。假如人们在海上迷失了方向，好一点的结果是遭受经济损失，差一点则可能会丧命。为了确保船只沿着航线行驶，人们必须确定船只在任何给定时刻的位置，而这又牵涉到确定人们登船时的准确时刻，以及更重要的，确定船只在航海途中抵达其他参照点的准确时刻。因此，航海业的制表匠必须承担起制造最精确的时钟这一重任。(27)

其中，最竭心尽力的当属约克郡一名木匠兼细木工，他后来成了英国乃至全世界最受尊崇的钟表专家，他就是哈里森。哈里森最著名的成就是为领航员提供精确确定船只所在位置经度的方式。他以惊人的耐心制造出了一系列极为准确的钟表，无论这些钟表在操舵室中经历了多么大的风浪，几年的运转之后，表的误差仅为几秒钟。1714年，英国经度委员会在伦敦正式成立了。经度委员会为任何能够在30英里(28)误差范围内确定经度的人提供2万英镑大奖，而最终赢得大奖的人正是哈里森。他经过毕生不懈的努力，总共设计了5个航海计时器，并把奖金收入囊中。

后人十分珍视哈里森的遗赠。格林尼治皇家天文台坐落在伦敦以东高高的山顶上，俯瞰海事博物馆。每天清晨，海事博物馆的管理员都会来到这里调校3座钟表，管理员和下属都将它们称作“哈里森钟”。管理员郑重其事地为哈里森钟上好发条，因为他深知这三座钟以及另一座不上发条的钟有着无与伦比的历史意义，每一座都是现代航海经线仪的雏形。正是这些仪器给出的准确位置，拯救了无数海员的性命。在航海经线仪发明之前，由于船长无法精确确定其所在位置，船只常会在前方岛屿或岬角上意外搁浅。1707年，克劳兹利·肖维尔（Cloudesley Shovell）海军上将率领的舰队在科尼什海岸（Cornish Coast）附近发生触礁搁浅事故，上将本人和他麾下的2 000名士兵葬身海底。事实上，正是这一惨剧，让英国政府下定决心严肃考虑经度问题。设立经度委员会和奖金就是为此而做出的努力，也是格林尼治天文台每天清晨都要调校的这几座钟的由来。

哈里森的发明也有着其他的重要意义，当海船上的船员可以确定他们的准确位置，并高效准确地规划他们的航向的时候，这些钟表的继承者就能够赚到难以形容的巨量财富。如今我们可以不夸张地说，通过这些财富，哈里森的航海钟表这一属于大英帝国的发明，以及大英帝国对这一技术的继承，使得大英帝国能够持续维护全球各大海洋的霸权。精确的导航对于航海而言，就是对海洋的认知和控制，以及最终的制海权。

海事博物馆的管理员戴上白色的文物保管手套，用一对独特的黄铜钥匙打开高高的玻璃柜，柜中有伟大的哈里森制作的计时钟装置。这3个计时钟都获得了英国国防部近乎永久的资金支持。最早的计时钟完成于1735年，现在被称为H1，管理员可以通过用力下拉一个黄铜环链来给这个钟表上发条。之后的H2和H3于18世纪中叶制成，只需快速转动发条的手柄，就可以给钟表上弦。

最后一个装置是精妙的H4“海事计时器”，哈里森最终就是靠着这一精湛的作品赢得了他的奖金，之后，他依旧保持着轻松和低调的作风。这个计时器被放在一个直径5英寸的银盒子里面，有点像旧时代老人们用的那种跟饼干差不多大小的怀表，但要比那种怀表更大、更厚。海事计时器需要定期润滑，如果润滑油不足，这个计时装置就会变得不那么准确。而且据钟表专家说，如果H4一直在缺乏润滑油的状态下运行，那么这个表很快就会变得只剩下秒针在动了。

因此，当海事计时器处于异常运行的状态时，它将会成为一个无聊的摆设。考虑到内部机械结构的运动将会导致不可避免的磨损，一个只有秒针会动的计时器是没有意义的。因此，这些年来，天文台负责人决定，将这一杰作保存在几乎原始的状态，就像牛津阿什莫林博物馆（Ashmolean Museum）那些未经演奏的斯特拉迪瓦里小提琴(29)一样，以初始状态见证着大师艺术品的成就。(30)

哈里森创造了多么伟大的机械艺术作品！当他决定参加经度奖比赛的时候，就已经打造出了许多做工精密且高度准确的计时器。其中大多数是供陆地上使用的摆钟，不少是大型的立柜式大钟，每一个都比他所做的上一个更精致。哈里森的精巧之处，在于他对时钟设计思路的改进，而不是像18世纪的许多同代人那样，改进钟表的外在装潢。例如，他对摩擦问题很感兴趣，离经叛道地使用木制齿轮制作了所有的早期钟表，这些齿轮在当时不需要上润滑油。因为润滑油会随着时间的推移变得越来越黏稠，而且还会把大部分发条装置拖慢。为了解决这个问题，他首先用坚固而细腻的黄杨木制成了所有传动系统的齿轮装置，后来又用致密的、扔在水里都浮不起来的加勒比愈疮木(31)来制作齿轮，而以上两种齿轮都使用黄铜制成的齿轮枢轴。他还设计了一种特殊的擒纵装置，作为钟表嘀嗒作响的心脏。由于它没有滑动部件，因此也不会产生摩擦。这种装置至今仍然被称为“蚱蜢式擒纵器”，因为其中一个部件与逃逸轮脱离啮合时弹起的样子，就像蚱蜢突然从草地上跳出来一样。

然而，依靠重力维持长杆摆锤运动的钟表，并不适用于行驶在波涛之上的远洋航船，远洋航船上需要便携而精密的时钟。哈里森为经度奖比赛设计的前3个计时器均由重力系统提供动力，这些配重系统看起来与悬挂在传统长表壳时钟上的沉重铅锤大不相同。相反，它们是铜棒天平，看起来像一对哑铃，都垂直放置在机械装置及其齿轮系统的外缘，顶部和底部由成对弹簧连接。哈里森在文章中写道，这一设计为机械装置提供了人工重力的形式。这些弹簧使得两个平衡梁来回摆动，就像两个人不断点头一样。当然，这一机械装置依旧需要每天上发条，过去执行这项任务的是大洋之上的船长，现在是博物馆里那个戴着白手套的管理员。

H1、H2和H3这3个计时器，每一个都在上一代的基础上有了非常精巧的进步，每一个都是在经年累月的实验当中改进出来的，譬如哈里森耗费了19年的心血才构思和制造了H3。这些钟表在本质上都采用了相同的平衡原理，当这些机器运转的时候，它们散发着令人惊奇又使人着迷的美，与此同时，它们又有着简直令人眼花缭乱的复杂性。哈里森这位曾经的木匠、中提琴手、钟声调音师和合唱团指挥依靠广博的学问，改进了许许多多为后世精密机械制造奠基的基础部件。例如，哈里森发明了封闭式滚珠轴承，这成为滚珠轴承的前身，并促使了诸如英国滚珠轴承公司铁姆肯（Timken）和瑞典滚珠轴承公司斯凯孚（SKF）这样的大型现代公司的成立。为了补偿H3计时器的温度变化，哈里森专门发明了双金属片，这种金属片至今仍应用于许多日常必需品中，如恒温器、烤面包机、电热水壶等。

碰巧的是，这3个精妙的装置，无论它们在外表上多么美丽，在内部设计上多么具有革命性，却没有一个是完全成功的。人们将这3个装置带到一艘船上，让航海计时员使用它们计时。尽管在每次测试中，这些装置在推测船只的位置方面都有改进，但船上时钟测得经度的准确程度与经度委员会的要求相差甚远，因此未能获奖。不过哈里森的才华和决心得到了认可，政府继续给予他巨额拨款，希望他能尽快在钟表制造方面取得突破。最后他终于做到了，在1755年到1759年的4年时间里，他并没有制造出一个新的时钟计时装置，而是制造出一块手表式计时装置，一块自20世纪30年代得到清洗和修复后就被称为H4的手表。(32)

从各种意义上来说，H4这只手表都实现了技术突破。经过31年近乎痴迷的工作，哈里森设法把他在大型摆钟设计中几乎所有的技术改进都融入了这个只有5英寸的银色表壳中，同时还添加了一些新的技术，以确保他设计的手表在计时精准度上实现人类所能做到的极致。

在H4中，哈里森采用了一个温控的螺旋主弹簧，配合上一个以史无前例的速度来回旋转的平衡轮作为钟表的动力核心。那个平衡轮能每个小时转18 000次，取代了使大型钟表显得高大壮观的长长的钟摆，以及与之相匹配的摆动式平衡轮。哈里森在表上安装了一个所谓的“自动摆锤平衡装置”，这一装置能在1分钟内将主弹簧拉紧8次，并保持张力不变，进而使得摆锤摆动的频率不变。当然，H4也有缺点，那就是它需要上油。因此，为了在减少摩擦的同时尽量减少润滑油的消耗，哈里森尽可能采用钻石轴承，这是早期宝石擒纵装置的一个经典实例。

人们至今不知道，哈里森是如何在没有使用精密机床的条件下，制造出H4的各个精密元件的，而精密机床的发展将是本书故事的核心。当然，所有H4的复制品及其继任者K1(33)无疑都采用了机床来制造手表的精密部件。人们难以相信，这种靠机床才能完成的工作，可能是由66岁的哈里森靠纯手工完成的。航海计时手表一完工，哈里森就把它交给海军部做关键的测试。哈里森的儿子威廉·哈里森（William Harrison）亲自作为保管人，将H4带上皇家海军德普特福德号（HMS Deptford）。这是一艘拥有50门火炮的四级战舰(34)。它从朴次茅斯出发，经历了约8 000千米的航行后抵达牙买加。旅程结束时，人们仔细观测发现，H4的计时误差仅为5.1秒，在经度奖规定的容许范围之内。战舰在返航时，还遭遇了一段剧烈而令人不安的海上暴风雪，当时威廉不得不把计时器裹在毯子里。最终，在整个147天的航程中，手表的误差只有1分54.5秒。相较于其他的航海计时仪器而言，这在当时已经达到了令人不可思议的精确程度。

尽管我们已欣然得知，哈里森后来因为他那非凡的创作而获得了经度奖，但事实上更引人关注的是，他虽然功勋卓著，却没有当即获奖。经度委员会一直对颁发经度奖的事情遮遮掩掩，当时的皇家天文学家宣称，他们有一种更好的测定经度的方法，即月角距(35)，因此对于精确航海表的需求就不复存在了。可怜的哈里森不得不去拜见十分欣赏他的国王乔治三世，请求国王出面为其调解。

然而，哈里森遭受了接连不断的羞辱。H4被迫再次进行测试，接下来H4又参加了为期47天的航行，并再次创造了仅仅39.2秒的误差纪录，这一误差完全在经度委员会规定的范围内。即便如此，随后哈里森依然不得不在一组观察者的面前拆掉手表，并将他珍贵的仪器移交皇家天文台进行为期10个月的复检，以确保其真实性。这对H4来说又是一次考验，只不过这次是在一个平稳的地点，而不是在颠簸的大洋上。对当时已经79岁的哈里森来说，这样反复的测试无疑是痛苦和令人恼火的，他也表现得越来越不耐烦。

最后，很大程度上是由于乔治三世的干预，哈里森才拿到了几乎所有的奖金。然而，大多数人对他的印象是：一个天才凭借他的刻苦努力，而非国王的出手干预，拿到了奖金。时至今日，他那一系列伟大的精密钟表、两个航海表，再加上后来的H4和K1，仍然是他的功勋最有力的见证，其中的3个钟表，时至今日依旧不停敲打着时间的节奏。它们记录了哈里森对精密和精确的热爱，这份热情已经注入了他的匠心之作中，这份匠心最终推动我们的世界发生了深刻的变化。

无论是在制造上还是在外观上，安提基特拉机械装置都是一种非凡而精确的装置，但它本身并不精确，显然这台机器有着不可避免的历史局限性，这使得它的构造显得业余且不可靠，导致在实践中几乎毫无用处。虽然哈里森的计时器既精确又准确，但考虑到它们花费了数年的时间、投入了大量工艺来制造和完善，因此把它们作为“以精密制造改变世界的开始”是毫无意义的。此外，尽管无意冒犯这项不可磨灭的技术成就，但仍需指出的是，哈里森钟表装置的实用价值也只延续了3个世纪。

如今，船上海图室里的铜制天文钟，就像保存在摩洛哥式防水匣里的六分仪一样，都是些装饰性强但并非不可或缺的东西。今天，无线电里传来了准确无误的报时信号，而全球定位系统在与遥远的卫星通信之后，其所在的经纬度坐标的数字读数会传到舰桥的计算机上。就钟表机械而言，无论其齿轮切割得多么精密、包裹齿轮的外壳多么珍贵、上面的雕刻多么复杂，它都是旧日技术的产物，现在被保留下来的主要目的只是为了应对航船失去所有动力的极端情况，或者满足一个想要抛开现代科技、纯粹体验早期航海生活的船长的需要。如果不是这样的话，哈里森的航海钟表会积满灰尘和盐分，或被放在玻璃箱里，哈里森的名字将在人们的记忆中逐渐变得模糊，最终不可避免地消失在历史的迷雾之中。

精密制造要想像在今天以及可预见的未来那样，成为一种彻底改变人类社会的现象，就必须以一种可以复制的形式出现。它必须能以相同的制造方式制造出同样精密程度的加工产品，而且还需要具备加工工序相对容易、生产频率不能太低、制造成本可以接受这几大特点。

任何一个像哈里森一样真正有学识的工匠，如果具有了足够的技能、充足的时间、高质量的工具和材料，都可以制作出一件优雅而精确的产品。他甚至可以将同样的产品复制为3个、4个、5个，而且每一个都是令人倾慕的、精湛的作品。今天，致力于科学史研究的博物馆陈列柜里摆满了这样的物品，最著名的是牛津、剑桥和耶鲁大学的博物馆。这些博物馆里有星盘和太阳系仪、浑仪和星象仪、八分仪和四分仪，以及精美的六分仪。六分仪异常丰富，包括了壁挂式六分仪和外框式六分仪，其中大多数都精美绝伦，由珠宝商匠心制作而成。

这些博物馆里所有的天文仪器都是手工制作的，全部零件都是手工切割的，包括每一个齿轮、母盘、隔网、空腔和照准仪，每一个切线螺丝和折射镜。以上都是部件名称，要知道六分仪与星盘一样，有着数量巨大、属于自己门类的专有词汇。而且，每个部件之间的装配，以及设备整体的微调都必须通过“指尖的精密护理”来完成。毫无疑问，这种精细的生产方式自然打造出了精美绝伦的天文仪器，但考虑到它们的制作方式和组装方式，这些仪器在生产数量如此有限的情况下，只够给一小部分精英客户使用。这些天文仪器或许是精确的，但那时它们的精确度只是为少数人服务的。只有当精确度为大多数人所用的时候，“精密制造”这种概念才开始对整个社会产生深远的影响，直到今天。

而那个成就了这一壮举的人，非常精密地“制造”了一种新的机器，这种机器不是用手而是用机器“制造”出来的，而后者专门被“制造”出来去“制造”前者。我在这里重复使用了“制造”这个词，因为那是一台制造机器的机器，今天我们称其为“机床”。纵使那个18世纪的英国人约翰·威尔金森因为对钢铁的狂热而受到谴责，他也一如既往地保持着那份对钢铁的痴迷，只因为钢铁在当时是唯一适用于制造他那些非凡新装置的金属。无论过去、现在还是未来，威尔金森永远都是精密制造历史的关键一环。

精密制造历史的关键一环

在一生80年的岁月中，威尔金森在1776年，即48岁时赚得了一笔巨大的财富。在后文中展示的他的肖像画由托马斯·盖恩斯伯勒（Thomas Gainsborough）(36)绘制（见图1-1），因此他绝对不是一个无名之辈，但如果对读者而言，威尔金森的事迹需要经过我的宣传才被知道的话，那么他也算不上是一个真正的名人。

值得注意的是，几十年来，威尔金森英俊的肖像画并没有在伦敦或坎布里亚（他出生的地方）获得显赫的位置，而是与其他4位由盖恩斯伯勒画就的名人一起悬挂在柏林一个安静的画廊里，其中一位名人只是个研究斗牛犬的行家。从德国画廊到英格兰家乡的距离似乎表明了威尔金森对家乡并无眷恋。而就像《新约》中的先知在故乡并没有得到赞誉，这一境况似乎也适用于威尔金森，因为在今天，几乎没有人记得威尔金森了。他的同事兼客户，苏格兰人詹姆斯·瓦特的赫赫威名使他黯然失色，但是瓦特早期的蒸汽机，基本上是靠威尔金森非凡的技术才得以诞生的。

在那时看来，蒸汽机的发展是下个世纪工业革命的核心，它与大炮的制造有着千丝万缕的联系。这不仅仅是因为两者都使用了由厚重的铁块制成的部件，大炮还使得威尔金森、瓦特还有钟表匠哈里森三者关联到了一起。我们应该还记得，哈里森的钟表为皇家海军而做，在舰船上得到测试和使用，而这些舰船上则装备了大量的火炮。

这些大炮是由英国铁匠制造的，威尔金森正是其中最杰出的一员，而且事实证明，他也是其中最有创造力的。因此，我们所有的故事就从这里开始，从18世纪中叶英国皇家海军舰炮的制造开始，这是个英国水手和海军将士疲于奔命的年代。(37)

威尔金森出生于铁匠家庭。他的父亲艾萨克·威尔金森（Isaac Wilkinson）原本是一个湖区牧羊人，偶然发现他的牧场上既有矿石也有煤炭，因此很快就成了一个铁匠，这项工作占据了其后半生大部分的时光。作为一个靠着熔炉生活的人，艾萨克日常的工作便是冶炼矿石和锻铁，而用于冶铁的原料，除了铁矿石以外，还要用木炭或经过焖烧的煤，我们称这种加工过的煤为焦炭。采用焦炭是出于保护环境的考虑，因为木炭的制造已经使英格兰失去了大片的森林。

据说，约翰在出生那天还经历了一些故事。他的母亲临产时，正在赶往郊野集市的路上，她当时坐在颠簸前行的马车上，沿途观看路边铁匠铺里喷涌而出的白热蒸汽，以及熔化的红热金属。约翰的母亲对猛烈加热的金属及锤打加工金属器皿的过程着了迷，而就在这时分娩突然开始了。后来约翰长大后，在英格兰中部地区以及他父亲定居的威尔士马驰地区（Welsh Marches）(38)习得了铁匠的技术，并于18世纪60年代逐步精通了锻造金属的技艺，最终成为“铁疯子”。

在威尔士与英格兰边境地区的伯沙姆村（Bersham），威尔金森拥有一家相当大的铸造厂。从铸造厂的第一批账本来看，威尔金森自那时起就已经开始认真地组织生产了，工厂的产品包括“挂历用的转轴、装麦芽磨粉的圆筒、装糖果的卷筒、水管、铁皮盒、手榴弹和枪”，而正是上述表单这最后一项，即军火，让威尔金森成为伯沙姆这个小村庄里最富裕的居民和最大的雇主，使这个小村庄在世界历史当中成为一个独特的地方。伯沙姆村位于克利韦多格河（River Clywedog）流域，在工业革命的进程和精密制造的故事中都扮演着无可争辩的角色，尽管这一事实已经几乎被人遗忘了。

正是在这里，威尔金森靠着以煤为原料的炉子，每周生产20吨优质的铁。1774年1月27日，威尔金森发明了一种制造枪炮的技术。虽然他的朋友兼竞争对手亚伯拉罕·达比三世（Abraham Darby Ⅲ）留下的至今仍屹立不倒的考尔布鲁克代尔铁桥（Iron Bridge of Coalbrookdale），吸引着数百万的游客来参观，并被大多数现代英国人视为工业革命最有力且最具辨识度的象征，但是我认为，相比这座铁桥，威尔金森造枪和冶铁的技术产生了更直接的级联效应(39)，其影响远比他想象的要深远得多，而且在长期看来具有更大的意义。

威尔金森申请了一项编号为“1063”的专利，这一编号意味着它在英国专利史上算得上是相当早的专利。这项专利于1617年第一次公开，名称是“一种铸造枪炮并给枪炮打孔的新方法”。虽然以今天的标准来看，他的“新方法”几乎是平庸的，但在大炮制造的工艺上，这一方法却带来了非常明显的进步。1774年，当整个欧洲的海军炮兵部队在科学技术和装备水平上都有了突如其来的进步的时候，威尔金森的新方法更被奉为天赐之物。

在此之前，海军大炮采用空心铸造工艺，尤其是32磅长身管火炮，这是皇家海军一流战舰的标准配置，通常在新船下水时要订购100门。炮膛，即点燃火药以及弹丸在大炮内部被推进和发射的地方，制造于铁在模具中冷却的过程。然后人们将大炮固定在砖块上，将一把锋利的切削工具绑在一根长杆的末端伸进炮管里面，这样做的目的是消除炮管内表面的任何缺陷。

这项铸造工艺的问题在于，切割工具会自然地沿着炮管内部现成的空腔运动，而炮管内的空腔很可能从一开始就不完全平直。这将导致抛光后的炮膛偏心，当加工偏离预期时，大炮内壁局部就会变得过薄。这会成为这门大炮的缺陷，而有缺陷的大炮是危险的，因为这意味着大炮可能会发生意外爆炸和炮管炸膛，这种情况不但会摧毁大炮，还会伤害在炮台甲板操纵大炮的水兵，这也是战舰炮台因危险而声名狼藉的原因。18世纪早期，海军火炮质量低劣，导致火炮开火时出现故障的概率高得惊人，这无疑使伦敦海军总部的负责人感到担忧。

这时威尔金森带着他的新想法登上了舞台。他决定把铁质的大炮铸造成实心而非空心的，这样做能保证铁锭本身的完整性。例如，如果人们在铸炮时安装了一个内嵌的铸模来制造内管，那么在冷却的过程中，先冷却的铁就会收缩变小、形成空腔、出现气泡甚至形成海绵状的部分。而一块坚固实心的圆柱体铁块，虽然可能很重，但如果人们小心制作，正如在伯沙姆村的熔炉中进行的那样，其内部就不会产生气泡或海绵状部分。上述问题在当时被人们称之为铸件的“蜂窝状问题”，这类问题使得空心铸造的大炮在当时臭名昭著。

然而，真正的秘密是镗孔的制造过程。加工的两端，即需要掏空的炮身和负责打孔的刀具，这两者都必须进行适当的固定，不能有丝毫松动，这一点是毋庸置疑的。无论是对于今天的精密制造来说，还是对于18世纪的加工来说，这一点都是不变的真理。因为要将某物切割或抛光成完全精确的尺寸，工具和工件就都必须尽可能地卡死和夹紧，以确保其不会晃动。此外，在加工炮管的过程中，镗孔时更不能容许镗刀晃动。因此威尔金森改进后的大炮必须铸成实心的而不是空心的，否则就有可能发生灾难性的炸膛事故。

在威尔金森专利工艺第一次迭代时，他将这个坚固的炮筒设置为旋转状态，即把一根链条缠绕在圆柱形炮筒上，并用一个水车来提供使其旋转的动力，同时，他将一把如剃刀般锋利的铁镗刀直接推进到旋转的圆柱体工件里面。这样就镗出一个全新的孔，笔直且精确。最近一位为威尔金森写传记的作家略带诗意地写道：“有了一根坚硬的镗杆和轴承，准确度必然会随之到来。”而在后来的版本中，人们将大炮保持固定，把镗刀连接到水车上转动。从理论上讲，只要控制镗刀的转向杆本身是刚性的，且炮筒两端都有支撑、保持刚性，当镗刀推进炮筒中时，圆柱炮筒就不会以任何方式弯曲、转动、松动或摇摆，镗刀就可以在它上面镗出一个非常精确的孔。

事实上，正是这家工厂生产出了符合要求且没有缺陷的大炮。一门又一门大炮从磨坊里滚落下来，每一门大炮都精确符合海军要求的尺寸，并且每一门大炮一旦出厂，就和它的前一门、后一门大炮一模一样。新的生产线从一开始就完美无瑕地工作，这样的成功激励着威尔金森拿下了著名的炮筒镗床专利。

很快，英国皇家海军收到的不再是带有缺陷的空心大炮，也不再是蹩脚的偏心炮膛火炮。如果海军用带有偏心炮膛的大炮开火，那么大炮即使不炸膛，射出去的球弹和链弹也很可能会失控乱飞。皇家海军现在从伯沙姆工场的货车上收到了大量的火炮，这些火炮的使用寿命要比原先工艺铸造的大炮长得多，而且即使射出的是葡萄弹、霰弹或爆炸性榴弹这样更难命中的炮弹，这门大炮依旧能使炮弹更加精确地飞向目标。这些强化火力的改进措施都要归功于铁匠威尔金森的努力。至此，威尔金森成了一个富有的人，他获得了巨大的成功：声誉飙升，新订单成批涌入。很快，仅他的铁器厂就加工了全国1/8的铁矿石，而伯沙姆村也在一段时间内稳步发展。

然而，是什么将威尔金森的新方法提升成为一项改变世界的发明，并让伯沙姆村由地方舞台逐步成为世界舞台的呢？这件大事出现在威尔金森的工厂大量生产火炮的第二年，即1775年。这一年，他正式开始与瓦特做生意。威尔金森将他的新的火炮制造技术与瓦特的蒸汽机结合了起来，这项发明不但直接引领了工业革命，还使得许多其他的新机械都巧妙地用上了蒸汽动力。

蒸汽机与工业革命

蒸汽机的原理大家都很熟悉，它基于一个简单的物理事实：当液态水被加热到沸点时，它就变成了气体。因为水蒸气的体积比液态水大1 700倍，所以它可以用来做功，许多早期的实验者都意识到了这一点。康沃尔郡一位名叫托马斯·纽科门（Thomas Newcomen）的铁匠是第一个将这一原理转化为产品的人，他把一个锅炉通过一个带阀门的管子连接到一个带活塞的气缸上，并把活塞连接到摇臂的横梁上。这样一来，每次当来自锅炉的蒸汽进入汽缸时，活塞就被向上推，带动横梁的前端上抬，使之倾斜。通过这种方式，横梁远端的所有东西可以少量做功，但是做功的转化率很低，做的功很少。

纽科门随后意识到他可以通过向充满蒸汽的气缸内注入冷水的方式，来提高气缸的工作效率。这种方法可将蒸汽冷凝，并使其体积恢复到其气体体积的1/1 700。这样一来，在活塞下的气缸中便出现了一个真空环境，与此同时，大气的压力使得活塞再次下降，这种向下的冲程可以加速抬升横梁的远端，这就可以完成真正的往复做功循环。这样，横梁就可以真正发挥一定的作用，比如用来排出锡矿矿井中大量的地下水。

就这样，一台非常简陋的蒸汽机诞生了，除了抽水以外，几乎没有任何用途。但鉴于18世纪早期，英国到处是被地下水淹没的浅层矿井，事实证明，这一机械对煤矿行业还是有用的，而且广受欢迎。纽科门蒸汽机及其类似产品在后来的生产中一直沿用了70多年，直到18世纪60年代中期其热度才逐渐降低。在这一时期，瓦特受雇于960千米外的格拉斯哥大学，负责制造和修理科学仪器。在研究了纽科门蒸汽机的工作模式后，瓦特产生了一系列灵感，他相信，纽科门蒸汽机是可以提高效率的，只要加以改进，蒸汽机就可能会变成一个非常强大的机器。

这次改进正是威尔金森促成的，同时这也离不开瓦特的天才构想。一连几周，瓦特独自一人待在格拉斯哥的房间里，坐在纽科门蒸汽机的模型面前冥思苦想。这台机器存在着尽人皆知的缺点，它效率低下，浪费了很多的热能和机械能。瓦特耐心地尝试了各种方法来改进纽科门的发明，据记录，他曾疲倦地自我安慰道：“大自然是有弱点的，只要我们能找到它，便能对其加以利用。”

终于，他找到了“大自然的弱点”。据传说，在1765年的一个周日，当瓦特在格拉斯哥市中心的一个公园里散步的时候，他终于想到了改进纽科门蒸汽机的方法。瓦特意识到了导致纽科门蒸汽机低效的主要原因在于：注入汽缸的冷却水使蒸汽凝结并产生真空，但这也会导致汽缸本身冷却。与之相矛盾的是，为了维持发动机的高效运转，气缸需要始终保持尽可能高的温度，因此冷却水不应该出现在气缸中，而是应该放置在单独的容器中来冷凝蒸汽，从而在主气缸创造真空的同时，保持气缸的热量，并使其再次吸收蒸汽。此外，为了提高效率，可以从活塞顶部而不是底部引入新鲜蒸汽，并在活塞杆周围放置某种填充料，以防蒸汽在做功过程中泄漏（见图1-2）。

瓦特的这两个改进措施非常简单明了：第一，加装一个独立的蒸汽冷凝器；第二，把进气入口从气缸底部改为气缸上部。对于1765年的瓦特而言，这两个改进措施产生的效果似乎很明显。现在，瓦特从根本上把纽科门所谓的“火力引擎”蒸汽机变成了一台正常运转的蒸汽动力机器，改良后的蒸汽机瞬间变成了一种在理论上可以产生无限能量的装置。

从此，瓦特开始了整整10年有关蒸汽机的工作，包括改进试验、原型构建、展示路演和项目融资。在此期间，他也从苏格兰南部迁到了英格兰中部工业蓬勃发展的地带。很快，1769年1月，瓦特申请到了专利，并以“913号专利”登记在册。只不过瓦特的专利有一个看似波澜不惊的标题“一种新型的、减少火力引擎机器中蒸汽浪费以及燃料消耗的方法”。这一谦虚的措辞掩盖了这项发明的重要性：这项发明一旦完善，将在下个世纪甚至更长的时间里，成为英国乃至全世界几乎所有工厂、铸造厂和运输系统的动力来源。

特别值得一提的是，一件历史性的巧合也正在发生。威尔金森也在英格兰中心地区附近工作和生活，他在1774年1月也拿下了一系列专利，编号是1063号，确切地说是150项专利，但这一事件比瓦特拿下专利晚了整整5年。铁匠大师威尔金森也是一位发明家。

与此同时，威尔金森对于钢铁痴狂的热爱在整个行业可谓尽人皆知，除了喜欢自己制造各种铁制品外，他还成功吸引了许多女性，即使是在78岁的时候，他还跟一个女仆生了一个孩子。

尽管如此，威尔金森还是可以把自己从生活琐事的烦恼中解脱出来。到了1775年，尽管他和瓦特性情迥异，但他们已经很熟并成为临时的朋友，虽然这是一种基于商业利益，而非趣味相投的友谊。很快，瓦特和威尔金森两人的发明结合在一起，双方都收获了巨大的商业利润。威尔金森的“一种铸造枪炮并给枪炮打孔的新方法”与瓦特的“一种新型的、减少火力引擎机器中蒸汽浪费以及燃料消耗的方法”相结合，结果证明，这是一种合乎时宜且必不可少的技术联姻。

瓦特是一个苏格兰人，带着悲观的气质和迂腐的作风。他总是压抑着自身的情绪，还怀有加尔文主义的热忱(40)，他痴迷于把自己的机器调校得尽可能完善。当他在格拉斯哥的车间里制造、修理和改进科学仪器时，他几乎被自己对精确的热忱所感染，这一点与哈里森在林肯郡的钟表制造车间里展现出来的情感差不多。

瓦特对早期的分度机、螺纹刀具、车床和其他仪器都非常熟悉，这些仪器当时正帮助工程师们走出迈向完美机器的第一步。瓦特习惯于精心制作并妥善维护仪器，使它们能按预期发挥作用。当事情出了问题，比如当机器做功的效率变得很低时，瓦特感觉自己仿佛受到了巨大的侮辱。尤其是当瓦特在他的家庭工厂里调试他在此打造的巨型铁制发动机时，发现发动机的性能参数，远不如苏格兰试验室那台由黄铜和玻璃构成的蒸汽机模型。

瓦特的第一台大型蒸汽机的原型机是一个壮观的庞然大物：它高达30英尺，长达6英尺，主蒸汽缸直径达4英尺，其中含有一台燃煤锅炉和一台独立的蒸汽冷凝器，这两者的尺寸都算得上是巨大的。

所有的工作部件都通过黄铜管、润滑良好的阀门和操纵杆连接在一起，组成了一个错综复杂的蒸汽网络，整个系统还配有一个旋转的双球调速器，用以防止器械转速失控。整个蒸汽机输出动力的核心是一根沉重的木梁，它有节奏地来回摆动，通过曲柄把往复的机械运动变成旋转的运动。木梁又带动着一个巨大的铁质飞轮，而这个飞轮又能驱动一台泵来做功。蒸汽机每分钟都在喷射冷凝水、压缩空气并执行后续的机械冲程15次。发动机持续工作时，一旦达到最大功率，就会产生强烈的噪声和大量的热气。机器剧烈地震颤和轰鸣，强烈到让人胃肠搅动。难以想象，仅仅是将水加热到它天然的沸点，就能产生如此摄人心魄的能量。

然而正是这四处滚滚涌过的蒸汽云团，让瓦特的实验工坊一直笼罩在潮湿、炎热、晦暗的雾气中。本应令瓦特欣慰的灼热水汽，却激怒了这位谨慎而迂腐的大发明家：不管他怎么努力改进蒸汽机，蒸汽似乎总是在泄漏，而且不是偷偷地从缝隙中泄漏，而是大股大股地冒出来。最让他倍感羞辱的是，蒸汽居然是从发动机巨大的主缸中一股一股地泄漏出来的。

他试图用各种装置、物件和材料阻止蒸汽泄漏。从理论上讲，活塞外表面和气缸内壁的间隙应该是最小的，也就是说无论从任何位置测量，气缸内壁与活塞之间的距离应该大致是一样的。但是由于气缸是用铁皮锤成的圆柱体，并不规则，因此当瓦特尝试把活塞的边缘与气缸内壁密封在一起时，就发现活塞边缘和气缸内壁的间隙在每一处都不一样。在某些地方，活塞和气缸接触，造成摩擦和磨损；在另一些地方，它们之间的间隙达0.5英寸，这使得蒸汽每次注入其中后，都会立即从缝隙中喷发出来，这就是瓦特蒸汽机未能进一步完善的原因。为了解决这一问题，瓦特试着在气缸中用各种材料来填充缝隙：浸过亚麻油的皮革、浸过油的纸、面粉做成的糊状物、软木塞、橡胶片，甚至一团半干的马粪。最后，当他尝试用一根绳子包住活塞，并在可压缩的绳子周围拉紧一个他称之为“垃圾环”的东西时，一种新的解决漏气的方法应运而生。

后来纯属巧合的是，在伯沙姆的威尔金森要求瓦特为他制造一台蒸汽机，威尔金森打算用蒸汽机来给自己工厂的一台铁炉风箱提供动力。威尔金森拿到蒸汽机后，立刻发觉瓦特的蒸汽机有蒸汽泄漏的问题，同时，威尔金森也知道自己有办法解决这个问题：他将用他的炮筒镗床技术来制造蒸汽机汽缸。

那时，想要在蒸汽机中采用新的镗削工艺的威尔金森，并没有预防性地申请专利，而是直接在瓦特蒸汽机的气缸中使用了他在海军大炮上所采用的相同工艺。要知道作为瓦特蒸汽机的顾客，威尔金森这一次想要用镗床打造的不再是大炮，而是蒸汽机的汽缸，汽缸长6英尺，直径38英寸。威尔金森让瓦特的工人们把一个实心的铁圆筒拉到距离瓦特工坊110千米外的伯沙姆，然后把实心铁筒绑在一个固定台上，并用重型铁链固定住它，以确保它不会移动哪怕1厘米。

然后威尔金森制作了一个特别坚硬的3英尺宽的大号铁质镗刀，并用螺栓把镗刀牢牢地固定在一根8英尺长的硬质铁棒的末端。理论上，这个镗刀应该能切割出一个直径38英寸，壁厚1英寸的汽缸。随后，威尔金森将铁棒两头支撑住，把它放置在一个沉重的铁制雪橇上，从而确保整个镗刀和支撑系统可以缓慢而平稳地靠近有待加工的实心铁筒坯。

威尔金森做好加工工件的准备后，他命令他的工人用软管把水和植物油的混合物浇到待加工的金属表面上，这种油水混合物既可以冷却金属，又可以冲走切削下来的铁屑。随后威尔金森打开水轮的水阀，使水轮带动镗刀转动，接下来镗刀缓慢且平稳地向着实心铁筒坯靠近，直到它的刃口开始啃蚀铁坯的表面。

加工工件时，金属之间的摩擦带来了灼烧的热浪。在嘈杂的叮当声里，汽缸被镗削了出来，整个过程持续了大约半个小时。这把镗刀虽然在切削中变得很烫，但几乎没有变钝，它在加工完成后被取了下来。

镗削出来的铁筒有一个直径约3英尺的内壁，内壁看上去光滑而干净，笔直而准确。威尔金森用一组铁链和木块把沉重的铁筒竖了起来，铁筒现在已经不那么重了，因为铁已经被削掉很多，现在它是汽缸了。

就这样，人们把直径不到3英尺的活塞，放入沾满了润滑油的、刚刚加工完毕的汽缸里，小心翼翼地让它上下滑动。活塞先向上运动，并越过汽缸口，之后又向下运动，落入汽缸的底部。我能想象，那时大家一定都在欢呼，因为活塞正无声无息地在气缸里抽动，可以顺利地上下升降。显而易见，在真正运转时，新的汽缸不会漏气、不会漏油、不会有任何泄漏的问题，堪称完美。

然后，瓦特花了几天时间把威尔金森加工过的气缸部件带回自己的家庭工坊。一到家，瓦特就自豪地把新的汽缸安装在属于他自己的，同时也是世界上第一台全尺寸单动蒸汽机上。然后他和他的工程师们把所有的辅助部件，包括管道、冷凝器、锅炉、摇臂、调速器、水箱、飞轮等，都安装并连接好，在燃烧室里装上煤，加上一点引火物，点燃火，当水的沸腾程度足以让蒸汽从安全管路喷出时，瓦特打开了主阀。

伴随着蒸汽机发出的巨大喘息声，活塞开始上下往复地运动，活塞不断在气缸中进进出出，推动摇臂，摇臂也开始像跷跷板一样上下摆动，这样一来，摇臂远端的连杆也被带动着开始上下运动，从而带动了飞轮上的一组偏心日月齿轮运动，然后巨大的飞轮本身也转动了起来。实际上大型飞轮正是用于传递蒸汽机输出的能量，它是由几吨的实心铁制成的。

不一会儿，飞轮达到了设计速度的上限，此时调速器那对闪亮的小球自顾自地旋转了起来，它们的作用是节流蒸汽，以免蒸汽机运转过速。此时蒸汽机正在全速运转，整个屋子笼罩在“砰砰”“簌簌”“轰轰”“噗噗”的机械交响乐当中，一切都运行得十分顺利。这是瓦特开始制造全尺寸模型机的实验以来，第一次没有遇到蒸汽泄漏的情况。现在这台蒸汽机发挥了自身最大的效能，它运转飞速，动能澎湃，与瓦特设计时所期待的样子别无二致，瓦特高兴地笑了。威尔金森已经解决了瓦特的难题，这时我们可以说，这两个从来没有思考过工业革命的人，揭开了工业革命的序幕。

此时我们要提起“0.1英寸”这个关键的数字了，这个数字是整本书的主线。它出现在本章的开头，而在这本书其他章节的标题中，这个数字以及它的倍数也会被精确地提炼出来。为什么是这个数字呢？因为正如瓦特后来告诉别人的：“威尔金森先生给我们镗削了几个直径50英寸的圆筒，几乎精密得没有误差。其公差还不及过去1先令硬币的厚度。”那时，一枚英国1先令硬币的厚度只有0.1英寸。这就是威尔金森镗削出他的第一个圆筒形汽缸时，所能接受的公差。

事实上，威尔金森的镗孔加工可能做得比这更好。瓦特写的另一封信中的内容表明，威尔金森已经为瓦特的蒸汽机镗了不下500个汽缸。当时，全国各地的工厂、磨坊和矿山都在抢购瓦特的蒸汽机，瓦特这个苏格兰人夸口说威尔金森已经“改进了气缸的镗孔技术”，所以他保证，“一个72英寸的汽缸圆筒与理想中标准圆筒之间的差距不会大于一个旧时代的六便士硬币的厚度”。旧时代的六便士硬币甚至更轻薄，其厚度只有0.05英寸。

然而，无论是1先令硬币的厚度还是六便士硬币的厚度，其实都无关紧要。真正有价值的事情是：人们创造出了一个新世界，在这个新世界中，人们已经制造出了可以制造其他机器的机器，而且制造得还很精确。突然之间，人们对公差产生了兴趣，即一个零件与另一个零件啮合或贴合的间隙。这是一个相当新鲜的事情，实际上，它是从1776年5月4日第一台蒸汽机的交付开始的。蒸汽机的核心功能部件具备了以前未曾设想过或实现过的机械公差，即0.1英寸，甚至更小。

就在这些精密制造的系列事件达到高潮的两个月后，即1776年7月4日，在大西洋彼岸，一个全新的政治实体应运而生：美利坚合众国宣告成立，其影响是当时的人们无法想象的。

就在美国建国后不久，美国驻欧洲的重要代表——托马斯·杰斐逊（Thomas Jefferson）得知了这个机械进步创造的奇迹。他开始思考，自己远在北美洲的祖国如何才能充分利用蒸汽机，并发挥其最大的潜力。

杰斐逊宣称，也许蒸汽机和精密制造可以为新生美国的新型外贸奠定基础。美国的工程师们回答说：“也许我们可以做得比前人更好。”他们用晦涩的数字来表达雄心壮志：“也许我们可以在美国制造、加工和生产金属工件，且产品公差远小于威尔金森的0.1英寸。”

也许我们能熟练地把公差控制到0.01英寸，也许还能更小，比如0.001英寸，谁知道呢？这些富有远见的工程师们思索着、考虑着，也许就像这个新国家的建立一样，新的机器也会相应地诞生。

事实上，工程师们会做得比他们预想的好得多，一开始的弄潮儿主要是英国工程师，但在本书后面的故事中，主要是法国工程师。至此，精密制造的精灵已经从瓶子中钻出来了，真正的精确度已经开始起步，而且飞速发展起来。