第4章 在更完美的世界边缘 公差0.0000001(10-7)
所有美，所有这颗行星的物产，
自群星中悠悠飘落，
从海洋中滚滚而来，
这些原料交融在一起，
正如生命与痛苦交融在一起，
是生命的杰作，亦是战争的杰作。
——阿尔弗雷德·丁尼生(Alfred Tennyson)在国际展览会开幕时唱的颂歌
1860年7月2日，周一，一个温暖而阳光明媚的午后，在当时绿树成荫的伦敦郊区的温布尔登村(Wimbledon)，维多利亚女王做了一件许多臣民都认为不符合她的身份、她的性别，也不符合她的地位的事情。维多利亚女王用一支大威力步枪进行了一次打靶射击的展示，在近400米的距离上，第一次射击就近乎完美地命中靶心。
事情比听上去的情况要复杂得多。女王陛下并没有简单地在没人的地方拉开她的衣领，掀开她的面纱，扑倒在地，向远处的目标开火。这是英国全国步枪协会(British's National Rifle Association)举办的一场国际比赛的开幕式，女王是该协会的赞助人，主办方请求她以适当的方式为比赛揭幕。这样的比赛需要有个人来开第一枪，于是主办方邀请女王亲自开枪，这个邀请显得有些冒昧，但出乎所有人的意料，皇室同意了，不过提出要遵守某些条件，那就是女王陛下不会肚子朝下俯伏在地上。
女王从白金汉宫启程，最终抵达射击场，落座在带棚子的贵宾台上，贵宾台前放置了一张覆盖着深红色丝巾的台桌，桌上摆放着一支闪闪发光的惠特沃思步枪，这在当时是英国最先进的步枪。这支步枪不是简简单单地放在桌子上，而是被一个坚固的铁架牢牢地固定住，枪的扳机上系着一根带流苏的丝带，枪的保险处于解除状态，随时可以击发。这把枪是水平放置的，其高度与女王娇小的身材相称。女王对于臣民来说可能很威武，但其实她的身高只有约1.49米，不过对于站着开枪的人而言，这把枪的高度正合适。枪口指向300多米外温布尔登公地(Wimbledon Common)的另外一端，正对着一排靶子中最左边的一个。
想让女王出席射击比赛这样的大型赛事并顺利打响第一枪，肯定不能只靠运气。约瑟夫·惠特沃思(Joseph Whitworth)（见图4-1）在三年前设计并发明了这种外缘是六边形的枪管，这种火枪使用0.45英寸口径的大威力弹药，后坐力很大，这样大的后坐力令曼彻斯特工程师惠特沃思很是担忧。那天下午，惠特沃思和他的一组助手一起花了两个小时来调试他的演示枪，想方设法使这把枪精确地对准射击目标。惠特沃思的一世英名完全仰仗女王开场时的一击：如果枪打不响，王室对他的荣宠将永远破灭；如果女王没有打中目标，他就会受到社会非议；如果惠特沃思足够倒霉，女王陛下的子弹不小心误杀了在场观众……啊，真是不堪设想。
图4-1 约瑟夫·惠特沃思
注：约瑟夫·惠特沃思的名字成为“英国惠特沃思标准螺纹”(British Standard Whitworth)的由来，这是今天英国螺纹的标准。惠特沃思还设计了美国南北战争时期南方军队装备的通用步枪。
在观众席上静候女王大驾光临的观众们可不觉得紧张，当惠特沃思的试射越来越接近靶心时，观众们越发兴高采烈。《伦敦时报》的记者写道：“贵宾台前的信号员和靶子旁边的信号员之间进行了一系列旗语的交流。”“随后贵宾台上的工作人员对步枪进行了更多调试，紧接着又开了一枪，就这样，在女王陛下大驾光临前不久，惠特沃思才最终把步枪调整好，确保女王能一枪命中靶心。”惠特沃思检查了一下，枪膛里有一颗0.45英寸口径的子弹。最后，他扣上了保险。
维多利亚女王在下午4点前如约抵达现场，她的随行人员自然包括她的丈夫阿尔伯特亲王、一群吵闹的小王子和小公主，还有一小队头戴礼帽的官员、一本正经的宫女以及一支卫队。那些年资很高、衣着庄重的官员向女王行礼，然后护送她和阿尔伯特亲王到贵宾台。贵宾台前的桌子上放着那把绑着流苏丝带并经过反复调试过的步枪。惠特沃思紧张地整理着他的领带，揪心地等待着女王拉枪的那一刻。女王也在那支擦得锃亮的步枪旁边等待着开枪的时刻。
忽然，教堂的钟声从四面八方传来，开始敲响整点报时的序曲。现在是下午4点整，女王陛下甚至看不到靶子在哪里，但她完全知道自己应该做什么。她把手伸过去，抓住流苏，轻轻地拉着这根连着扳机的丝线，结果什么都没发生。也许她拉得太温柔了，所以她又试了一次，感受到了轻微的阻力。之后她按照建议，更加猛烈地拉了一次，这一次，她终于把枪拉响了。
突然传来一声响亮的声音，是碎石敲击似的“啪”的一声，接着“轰”的一声，步枪管里冒出一阵黑烟，但这两声似乎都没有吓到皇家人士。几秒钟过去了，所有人都保持沉默，女王开枪的声音在田野上回荡。这时，远处突然升起了一面红白相间的旗帜，在靶子前面热烈地挥舞着。
女王忠实的观众们随即爆发出一阵热烈的掌声和欢呼声。虽然女王既没尝试也没有追求射中靶子，但是实际上她不仅射中了靶子，而且击中了靶心。她脸上飘过一丝微笑，仿佛是被意外得到的荣誉给逗笑了。就这样，女王的首发射击就命中靶心。作风严谨的司法鉴定官经过测量后发现，在300多米的弹道飞行中，子弹的高程只偏离了1.75英寸，水平方向上也只有0.75英寸的偏差。至此可以说，女王开的这一枪既准确地进行了瞄准，也很精确地命中了目标。
随着那一枪的打响，1860年英国全国步枪协会举办的步枪射击比赛正式开始了，所有为女王的出席而提心吊胆的人，尤其是惠特沃思，终于放心了，并大大地松了一口气。
大概是在9年之前，维多利亚女王、阿尔伯特亲王和惠特沃思曾见过一面。而经过了温布尔登的这次相遇之后，又过了9年，维多利亚和惠特沃思再次见面。在这次见面中，女王授予惠特沃思男爵的荣誉，这是一种世袭的爵位，以表彰惠特沃思在工程方面的卓著贡献。但这次相见时，女王穿着黑衣，因为女王的丈夫阿尔伯特亲王于1861年去世了。
万国工业博览会
在19世纪中叶的英国，人们非常真切地感觉到，西方世界正在发生着飞速的发展与变化。由瓦特和他改良的蒸汽机引发的社会革命，到19世纪中叶已经初见成效，工业化正影响着每个人的生活，这些影响有积极的，也有消极的。城市在膨胀，而村庄在凋敝，工厂在拔地而起，矿山越挖越深，铁路在广袤的土地上蜿蜒前行，码头上进行着繁忙的贸易，烟囱向还未曾受过污染的空气中排放浓烟，工人们从工厂领取工资，工会也正走上历史舞台。与此同时，人们对科学和技术孜孜以求，并把追求进步作为个人的座右铭，而机械实现的壮举与其带来的可能性也让人产生了敬畏和忧惧。
在19世纪中叶，一些人特别是西方那些享受到工业化生活的人，不自觉地抵达了一个关键节点，一个想要停下来进行全面分析的节点。人们当时普遍认为19世纪中叶的伦敦，是西方世界知识、信仰和科学的中心，于是皇室下令决定，西方世界需要名正言顺地享受这一时刻，炫耀迄今为止在世界上所取得的成就，并就下一步可能发生的事情提出一些预见。
就这样，一个伟大的工业展览方案浮出水面，旨在展示所有工业化国家的工业产品，即1851年的“万国工业博览会”（见图4-2）。自18世纪末以来，法国人一直在巴黎举行这种类似的工业展，虽然规模一般，但是布展的周期非常固定；柏林也在几年后举行了一次小型的工业成就展；在伦敦，英国皇家艺术协会于1845年举办了一次工业设计大奖赛。然而计划在1851年举行的展览会是一场奇观，令所有先前的展览会都相形见绌。本来，惠特沃思在他所在的行业之外，并不算是个名人，但他也受邀参加了万国工业博览会。
图4-2 万国工业博览会
注：1851年在伦敦海德公园举行的万国工业博览会，得以让西方世界在水晶宫的巨大屋顶下向流连忘返的游客展示工业革命带来的新产品，这进一步巩固了西方工业世界的地位。
维多利亚女王富有想象力的伴侣，阿尔伯特亲王曾公开表示：一定要举办一个大型的博览会。时过境迁，经历了两个世纪的光阴后，阿尔伯特亲王的远见卓识仍然令人敬仰。阿尔伯特亲王感受到了这个时代的非凡精神，并希望在一个阳光明媚的夏日将这份独特的精神化为永恒的记忆，把时代精神以一种恢宏壮丽的方式展现在帝国的臣民面前。阿尔伯特亲王希望繁荣昌盛的工业化社会为自己举起一面镜子，让所有人好好欣赏一下这个值得记忆的时代。而且，阿尔伯特亲王确信，那些令他着迷的东西，也会吸引大英帝国的普通民众，这样便能确保博览会最终可以收回成本。因此，当阿尔伯特亲王精心挑选组委会的成员来策划展览，并精心选择受邀参展对象及其展品时，他立下了一个规定：展览的经费必须由私人，而不是政府的公共财政来提供。
阿尔伯特亲王在筹款活动的开幕宴会上讲道：“我们生活在一个最美好的时代，一个进步的时代，这个时代的潮流将我们所有人引向某条历史道路的终点，即实现全人类的团结。”“先生们，1851年的展览，就是要给我们一个真正的展示机会，让大家看看人类已经实现了多么伟大的成就，让世界各国都能从这些成就带来的新起点上继续努力！”
通过这样激动人心的演讲，阿尔伯特亲王很快就筹到了所需的资金，然后他请了一位名叫约瑟夫·帕克斯顿(Joseph Paxton)的园艺大师，设计了博览会场馆。随后在海德公园的南边，一座几乎全部由玻璃和钢铁构成的巨大建筑拔地而起。为了纪念展览的年份，这座建筑长1851英尺，最高处高108英尺，并且可以把公园里3棵最受欢迎的榆木古树包裹在玻璃结构中，也就不必为了博览会场的建设而伐掉这些古树了。这座建筑被世人称为“水晶宫”。它只用了6个月就得以建成，由近1000000平方英尺的玻璃面板构成，看起来就像一个充满奇妙发明的温室，同时又像园艺大师帕克斯顿为德文希尔公爵(Duke of Devonshire)建造的百合花苑温室的放大版。
这场博览会的门票价格其实非常低廉，“用一先令了解世界”这句口号吸引了数以万计的参观者，他们从世界各地赶来，欣赏无数的工程奇迹。在水晶宫里展示着一批身形巨大、飞速运转、铿锵轰鸣的钢铁怪兽，其中最新颖、最重要、最受欢迎的展品毋庸置疑是用于制造业的加工机械，尤其是英国制造的那些。这些英国生产的机器睥睨天下，无论美国人多么善于精密制造，多么熟练地掌握了可互换零件的技巧，对于大规模生产多么充满信心，在一段时间过后多么善于运用流水线，至少在此时此刻，英国就是世界工业制造的巅峰。这些机械的澎湃动力和移山填海般的惊人力量，正是英国想要展现给世界的，并借此炫耀自身的实力。对美国人来说，想要举办这样的博览会，还需要再耐心地等一等。就目前而言，这是英国的时代，英国为大规模工业制造投入的努力，在此刻得到了回报。
此时此刻，英国本土人民的爱国主义情绪高涨，社会上普遍存在着好战的舆论，这自然与这些先进机器在国内的风行有很大关系。当时的英国人喜欢欣赏这些既复杂又有趣的东西，而这次展览就有很多这样的展品。但很明显的是，正是通过在博览会上展现这些不朽的发明，以及对这些发明创造的进一步应用，英国才得以维持经济的繁荣、对殖民地的支配权和对世界的霸权，而大英帝国不久将登上国运的巅峰，迎来它最自豪和最强大的时期。
在当时，即使社会上出现了一些微弱的质疑声，英国人也对此充耳不闻。大英帝国的民众被他们的创造迷住了，巨轮、大炮、高耸的铁桥、绵延的运河、通畅的引水渠。蒸汽机车对于大多数英国人而言依旧是新鲜事物，最豪华的火车头上装点着红、黑、绿三色的搪瓷，车上的油漆闪闪发光，配上高度抛光的黄铜外表，在任何一个铁路的终点站上都会吸引涌动的人潮前来围观；在不断涌现的抽水站和印刷机旁边，给它们提供动力的蒸汽机庄严而又稳健地摆动着它们的大梁，让观赏它们的人心生遐想。
然而，很难想象美国和英国的工业发展方向意外地走上了不同的道路。没有人看得出，英国的道路很可能会走进技术的死胡同，而美国的道路至少在一段时间内可以走上一条更加开放的发展和进步之路。1851年，似乎什么也不能阻止英伦三岛前进的步伐，英国在博览会上展出的发明创造，确实证明了人们对英国的普遍认知，那就是英国在此刻拥有无与伦比的力量，科技水平不断进步。
为了方便参观者，展品按照大类划分：第一类，采矿技术和矿物产品；第二类，化工及医药产品；第三类，食品和食品工业产品；第四类，制造业中使用的植物和动物原材料；第五类，直接使用的机器，包括马车车厢、铁路设备和航海用的机械装置；第六类，机床和机械加工工具；第七类，土木工程机械与建筑工具；第八类，船舶工程、军事工程、枪支、兵器等；第九类，农业、园艺机具……以此类推，一共30大类，展品的种类很丰富，技术水平也很高。
深入研究其中任何一个类目，都会证实阿尔伯特亲王的观点，即19世纪中期是一个“最美好的进步时代”。特别是第六大类，机床和机械加工工具，人们会从中发现，工业正朝着精密制造的尖端方向发展，尤其是在涉及研究如何以最精密和精确的方式进行生产的领域。
万国工业博览会上的展品就是引领未来的机器，与这些机器一并参展的还有它们的发明者。其中，沃特洛父子公司发明了一种能自动制作信封的机器，好奇的人们在这台机器前面排起了长队。人们只要插入一张纸，一眨眼的工夫，机器就会将这张纸裁剪、折叠、涂上胶水，并把信封压好再盖上邮票。
位于英国伊普斯威奇(Ipswich)的一家公司发明了一种蒸汽动力挖掘机，用来开掘丘陵，为铁路线打通道路。从未有人见过拥有如此移山倒海之力的机械怪兽，甚至从未有人想象过。一家总部设在兰开夏郡奥尔德姆(Oldham)的公司，带了大约15台棉纺机来参展，每一台棉纺机都跟第六类的其他机械一样，由水晶宫外边一个独立建筑内的锅炉提供动力，通过管道把蒸汽输送到机械里以使其运转。
维多利亚时代的科学作家罗伯特·亨特(Robert Hunt)对奥德汉姆的展览印象特别深刻，他出版了两卷共948页的著作《亨特的官方目录手册》(Hunt’s Hand-Book to the Official Catalogues)，在书中他描述并评论了水晶宫里的每一件物品。他写道：“纺纱者的双手在这个精致仪器的帮助下得以解放，家用的手摇纺车终将永远地被这种机器取代……在一个区域里，几千锭丝线在机器上以不可思议的速度旋转着，没有人督促它们工作，也没有人指导它们的手法，机器只是以永不懈怠的力量和速度，精确地抽出、旋转和盘绕数千根丝线。这样的景象对不了解机械的人来说是十分神奇的，而且这台机器在增长帝国的财富和人口数量方面产生了惊人的影响。”
“公平”的工程师
尽管如此，亨特还有一些忧虑。在一段描写新发明的蒸汽动力织布机的段落结尾，他特别抒情地写道：“从机械发明的角度来看，这是个美妙的成果！但这会为我们增添怎样的道德之果呢？”在这本著作的其他位置，他以类似的方式反复阐述了他的担忧。但几乎没有其他观众或评论家发表与他类似的想法，或担心机械发明的社会影响，至少在英国没有更多人这样做。法国人也许最清楚地意识到，所有这些对于精密制造和工业化大生产的追求，有可能导致一些不利的社会影响：被法国政府封为贵族的数学家和政治家查尔斯·杜宾(Charles Dupin)警告说：“如果机械取代了劳动力，那么这个国家的人口将会减少，机器将会取而代之。”而后世的人们将会判别这到底算不算是真正的进步。
显然，这位善良的贵族认为这根本不是进步。大约20年后，他的同胞古斯塔夫·多雷(Gustave Doré)出版了一本刻画伦敦贫民窟景象的书，许多人认为这本书表达了对工业化新世界的控诉。这本书尽力地提醒世人，在某种程度上，正是精密制造与工业化大生产，凸显了社会进步的局限性。
对于大多数前来参观展览会的人来说，他们都只是高兴地看到了蒸汽时代的完美机械典范。在他们眼中，机器就是美好而神奇的东西：织布机、印刷机、铁路机车、有轨电车、舰用蒸汽机、早期改进版的瓦特蒸汽机。其中最令人印象深刻的舰用蒸汽机是由莫兹利、桑斯和菲尔德公司制造的，这家公司正是40年前为皇家海军设计和制造滑车的公司，现在它的实力依旧很强。其他一些能源机械也出现在展览中，尤其是水车和风车，还有早期的马拉公交车，这种公交车有两层，尾部有螺旋楼梯，它是伦敦双层巴士的前身。
然而，在展览会上最令人难以忘怀的主角仍然是蒸汽机，它们发出耀眼的火焰和雷鸣般的声音，散发着热机油的气味。毋庸置疑，蒸汽机给围观者带来的视觉冲击力，源自纯粹力量的那种令人生畏的压迫感。
这些轰隆作响的引擎看起来十分危险，观众们不得不站在护栏后面。飞速旋转、高度抛光的铁梁和2吨重的齿轮在空中旋转飞舞，在观众眼中，这些钢铁巨兽能够轻易地砸碎孩童的头骨、抓住他们的四肢，把整个人都吞进它们的肚子里。这些机器是令人兴奋的，但同时也是令人生畏的，因此人们与它们保持了一定的安全距离。除了那些激动人心、轰隆作响的重型机械，第六类展区也展示了机械“静”的一面：这里展示了英国生产的各种关键的机械配件，它们对于精密制造的长期价值，远高于博览会上最吸引人的旋转木马。
本次博览会的201号摊位，设在第六类展区的一条较安静的走廊上，是一家总部位于曼彻斯特的公司。这家公司的创始人在当时已经是家喻户晓的工程师，时至今日，他仍然享有“世界上最伟大的机械工程师”的赞誉。9年后，当他看着维多利亚女王用他的公司生产的步枪打靶时，他紧张到咬住自己的指甲。
“约瑟夫·惠特沃思公司”(Joseph Whitworth & Co)展位的产品目录上写着：“我公司生产自动化车床、刨床、开槽机、钻镗床、旋拧机、切分机、冲床和剪切机。我公司持有：针织机专利、螺丝坯料生产专利，含模具和螺母生产技术。我公司还销售测量设备和标准码量器。”
可惜惠特沃思在外表上相当不讨喜。当他亲自从曼彻斯特来到水晶宫布展的时候，他的形象也依旧很糟糕。他虎背熊腰，蓄着胡子，长着牡蛎型的眼睛（眼角下垂），看起来很吓人。苏格兰社会评论员托马斯·卡莱尔(Thomas Carlyle)的妻子简·卡莱尔(Jane Carlyle)说他的脸“像只狒狒”。除了可怕的相貌外，惠特沃思还以暴躁、不愿跟能力差的人相处、作风专横、私生活不检点且对人冷漠无情而著称。但是在伦敦参展的6个月里，惠特沃思成功地展出了23台设备和工具，尽管他参展的展品可能不如大型蒸汽机、能同时纺织上千锭丝线的大型织机那么光鲜和气派，却为机械工程的未来提供了一张路线图，也为惠特沃思公司在这次展览会上赢得了最多的奖牌。惠特沃思是精密制造绝对忠实的拥护者，他发明了一种史无前例的仪器，其最小的测量尺度可以达到难以想象的百万分之一英寸。在惠特沃思之前只有精确，后来才有了“惠特沃思标准精确”这一说法。
在世纪之交出生的一代杰出工程师们似乎都互相认识，也互相交流和分享经验，有着师徒般的传承关系。惠特沃思的故事就是这种传承的一部分。惠特沃思对制造完美机械的兴趣始于很年轻的时候，在他年纪还很小时母亲就去世了，父亲又外出接受牧师修行和培训，他实际上成了孤儿，后来拜师于亨利·莫兹利。惠特沃思是在给莫兹利当学徒工时，第一次对“表面平整度”这一概念有了非常特殊的感情。正如莫兹利后来证明的那样，完美的平整面是机械制造中最重要的事情，它的基本意义很简单，但却是精确理念的核心之一。
一个完美的平整表面，它自身的完美并不需要任何其他东西来证明。完美的表面是不需要用其他任何量具来衡量的，它的尺寸并不重要，形状也不重要，平整表面要么是平的，要么不是。一个完美的平整表面可以精确地衡量其他贴近它的东西：一把直尺、一个拐尺、一个量块——所有的量器都可以放在这个平面上，然后我们判断这个量器是平的，或者不是，是做工精密的，或者不是，没有中间地带。
因此，关于在莫兹利和惠特沃思两人中，谁首先提出了“表面平整度”这一概念，谁首先提出了加工平整表面的方法，还引发了一场小小的争论，毕竟在这两个人物之间，发生这样的争论很正常，但现在时间已经解决了这一争论。莫兹利作为这一概念的创立者和原理的发明者，被赋予了他应有的地位，惠特沃思所做的是阐述和改进这一概念，并使之更具有实践意义。惠特沃思毫不谦虚地给世人留下了这样一种印象：一切测量的基础，一切精确的起点，都源于他创制的精密金属工具和仪器。但实际情况是，莫兹利制造了第一批伟大的机器，然后惠特沃思制造了专用的测量工具和仪器，并使工程师们能在前人的基础上制造出更伟大的机器。完全平整的平面是其中伟大的发明之一，甚至可以说是必不可少的一个。
惠特沃思对后世产生重大影响的发明，主要是接下来要讲的两个：一个是标准化的螺丝（见图4-3）；另一个是量具测量机。这两项创造无论在理论上，还是在工程实践中都是紧密关联的，而且都与在世界各地突然产生的（不仅仅是上文提到的英国和美国）对计量学这一新学科（即对精确测量的科学研究）的热情有关。在惠特沃思做出这些发明之后的几年里，大量精密制造所需的宝贵技术将传播到世界各地。直到今天，这些技术仍然在践行追求精密制造的使命，即确保我们身边一切工业产品的测量都是精确的，都是按照公认的标准来测量的。
图4-3 标准化的螺丝
注：图片中展示的是各种各样采用标准化螺距和螺纹的螺丝，有了这些螺丝，工人们就可以依靠它们来调控车床的松紧、进行螺旋测距，并控制机床切削刀头的进退。
惠特沃思亲手发明的测量装置在当时是个了不起的物件，甚至是当时最优雅和最美丽的物件。它的设计如此精妙，以至于连一个不懂机械的人都会像对待艺术品那样希望占有它、欣赏它、偶尔抚摸它。
在曼彻斯特的惠特沃思艺术画廊里，我们从悬挂着的惠特沃思肖像中，可以看到他本人的形象。在这幅肖像中，惠特沃思身着正装大衣站立着，脸上似乎融合了庄重、自豪和略带惊讶的神情。他左手手指刮擦着黄铜齿轮，好像正在谦逊地展示它。在画的下方是一个带着黑曜石光彩的铁制仪器底座，而黄铜齿轮在煤气灯下闪烁着铜黄色的光泽。
测量工具的基本原理并不复杂，甚至可以说简单，一讲便能明白。大多数早期的测量机器使用直线来测量物体的加工偏差，比如用直尺测量物体边缘的直线。人们把物件靠在直尺上，根据边线来判断物件两端的误差大小。但是这种技术需要依靠视线来做出判断，这样就产生了一些新的问题：这个物件的一端距直线左侧或右侧有多长？直线本身有多粗？为了解答上述这些问题，需要有多少倍放大效果的放大镜？
其实一个游标尺就能解决这些问题。16世纪法国发明家皮埃尔·韦尼耶(Pierre Vernier)制作了游标尺(Vernier scale)，推动了测量精度的提高。有了标尺两端的内外径、量爪等结构的辅助，人们通过观察主尺的刻度就能对物件尺寸进行更准确的测量，但测量的结果仍然带有很强的主观性，有赖于测量者从合适的角度进行观察，并对测量结果做出准确的判断。
但惠特沃思却认为依靠游标尺测量并不可靠，这种方法既笨拙又容易出现误差。相比之下，他更倾向于采取“末端测量”，这种测量方法不依赖于视觉，而只需将测量仪器夹到待测物品的两个平坦表面上，通过这种“简单的接触”来进行测量。惠特沃思发明的装置采用了两块平面钢板作为夹具，通过转动一根长的黄铜螺杆，使两块作为夹具的钢板可以相互接近或远离，随后就可以在夹具当中放置一个测量对象，并拧紧两个与测量对象接触的金属夹具，直到这两个夹具牢牢地固定住物体。然后，再让夹具把测量对象慢慢地松开，直到这件物品无法再被夹住，并在重力作用下自然地掉落下来，那么此时，两个夹具之间的距离即为测量对象的尺寸。
这样一来，只需转动测距螺杆的旋钮，再配以简单的算法，就能在测量物件尺寸上取得突破性的进展。如一个螺杆，每英寸有20圈螺纹，再配备一个能将圆周均分为500个刻度的旋钮。如果将旋钮完整地转动1圈，螺杆及固定在螺杆上的夹具就会沿水平方向伸缩1/20英寸。如果将旋钮轻微转动1个刻度，那么螺杆就会伸缩1/20英寸的1/500，即1/10000英寸（万分之一英寸）。就这样，千分尺（或者称其为螺旋测微器）就此诞生了。
千分尺的原理就是这么简单。惠特沃思利用其高超的机械技术手段，于1859年发明了一种改进型的千分尺，这种千分尺也遵循着同样的原理，但是螺杆旋转1圈的螺距不是1/20英寸，而是1/4000英寸，这是一个非常微小的数值。随后，惠特沃思在旋钮的圆周上切割了250个刻度，这意味着机器的操作员只需将旋钮旋转1个刻度，就可以将螺杆及其连接的平板推进或缩退1/250的1/4000英寸，也就是说微调了1/1000000英寸（百万分之一英寸）。
如果被测量物体的外表面与千分尺上的夹具钢板一样平整，那么夹紧或放松1/1000000英寸的微小调整，就足以让被测量的物体从牢牢被固定在夹具上，转化为在重力的影响下从夹具上掉落。几年后，惠特沃思在一篇标题简练的论文《铁》(Iron)当中，描述了这种螺旋测微器的原理，这篇论文在纽约发表后，给相关领域的读者留下了深刻的印象。
在论文发表的同时，千分尺这种能够如此精巧优雅地实现精密测量的精密仪器也被逐步推向市场，很快，这件发明震惊了工程界。要知道，仅仅在不到80年前，约翰·威尔金森才靠着炮筒镗床这样一个钻孔机器，把公差控制在0.1英寸而促成了精密制造这一概念的诞生。而现在金属工件可以被制造、被测量、被控制到百万分之一英寸的公差，如此神速的发展令人难以置信。虽然在当时的环境下，人们还没能具体准确地意识到精密制造的潜能，但从这一刻起，精密制造似乎突然变得前途无量。
上述惠特沃思的发明创造都诞生于英国，其中大部分在曼彻斯特市。然而，一旦美国机床制造商吸收了惠特沃思的所有理念、原则和标准，美国在工业的发展上便会展现出弯道超车的潜力，而这几乎是注定的。惠特沃思曾于1853年前往纽约进行了一次考察，他发现美国的工程师们非常清楚地认识到，他们的国家在工业方面将会处于世界领导地位。至于其原因，惠特沃思在回国后发表的报告中是这样解释的：“（美国）工人阶级的数量相对较少，但这从另一方面来看也有所裨益。正因为劳工的缺乏，才迫使美国在工业发展中，迫切需要在各个工业领域当中大规模使用机器。无论在哪个工业领域，机器的使用都被当作人工劳动的有效补充，采用机器进行生产是普遍现象，更是美国人主动追求的……这就是美国基于当前劳动力市场的状况而形成的结果，现在无论哪里都迫切需要使用机器来生产。这多少是因为，美国相比英国拥有更加普及的高等教育和智力资源，这也是美国即将快速发展的原因。”
现在，标准化、高精度的螺丝不仅能用来微调测量仪器，也能用来微调显微镜或望远镜，还能用来微调海军巨炮的角度，当然，它也将当时人们制造出来的各种工业产品更牢靠地固定在一起。
在惠特沃思之前，每一个螺丝、螺母和螺栓都是独一无二的。比如说，任何1英寸长、有10圈螺纹的螺丝，与随机选择的一个1英寸长、有10圈螺纹的螺母，能够相互适配的可能性很小。因此惠特沃思支持将所有螺丝进行标准化的想法，即所有螺丝的螺纹应具有相同的角度（55度），螺距也应与螺丝半径和螺纹深度保持固定关系。在当时，螺丝的制造商们花了很长一段时间才就上述标准达成一致。但到了18世纪中叶，由惠特沃思提倡的标准已经在整个英国本土及其帝国范围内成为官方标准，其螺丝的标志符号为BSW，即“英国惠特沃思标准”。这个标志至今仍然是从英国卡莱尔市(Carlisle)到印度加尔各答市(Calcutta)范围内所有工程车间的关键生产标准。
在随后的几年里，惠特沃思将注意力从高精度的精密金属工件，转移到了野蛮世界中的战争武器。可惜的是，在温布尔登主持活动时由维多利亚女王在那年夏天发射的六角筒惠特沃思步枪从未被英国军队配发，这令惠特沃思感到恼火，因为惠特沃思步枪的0.45英寸口径在当时被认为太小、威力不足。
不过，大洋彼岸传来了佳音：他的步枪在美国被称为“惠特沃思神枪手步枪”，在美国内战期间被南方邦联军队大量装配，还发生了一些轶事（北方联邦军队也发现他的高弹速步枪是非常理想的武器，但由于太昂贵，所以难以大量配发）。在1864年的斯波特西瓦尼亚战役中，他的步枪就因其致命的狙击准确率而名声大噪。北方联邦将军约翰·塞奇威克(John Sedgwick)向来以身先士卒著称，他在很远的地方看到了叛军，因而当着手下士兵的面，大声宣称“在这个距离上，他们甚至不能杀死一头大象”。随后，随着惠特沃思步枪的一声枪响，这位将军在全体北方联邦士兵面前被当场击毙了。
惠特沃思可能觉得他涉足军火生意有辱斯文，但事实证明，军火买卖是非常有利可图的。他设计了装甲板和开花炮弹，并研究出了很多完美地适用于枪支、富有延展性的钢合金，被业内人士称为“惠特沃思钢”(Whitworth steel)，这种钢材后来在美国的武器铸造厂中很受欢迎。如今，惠特沃思拥有很多套豪宅，还建立了以自己名字命名的奖学金和捐赠计划，这些基金会和各种项目使他的名字在今天仍为人们所熟知。在他生命的最后几年里，他还设计了一个台球桌，专供他在曼彻斯特郊外的豪宅里使用。
这个台球桌是由坚固的铁制成的，虽然历史上没有记载惠特沃思有什么独特的能力，或者他在操作测量仪器时，有哪些不为人知的细节，但人们记得的是，惠特沃思公司出产的加工桌以其表面独特的平整度而闻名，这一点是千真万确的。当今天几乎所有人都在抱怨这个社会缺乏“公平的竞争环境”时，值得记住的是，惠特沃思很可能是第一个给我们带来“公平”的工程师。
打开布拉马锁
在水晶宫万国工业博览会的最后几周，在为美国预留的展室里，有一件意想不到的新展品摆在大家眼前：展厅的地板上放置着一个玻璃保险箱，里面铺着一块黑天鹅绒布，上面整齐地摆放着200枚新铸造的一几尼纯金硬币。它的出乎意料的出现，讲述了20世纪中叶精密工程的最后一个故事，以及这个故事在60年前的结局。
一个人设法撬开了约瑟夫·布拉马的锁（见图4-4），这把锁从1790年起就一直放在皮卡迪利124号公司陈列室的橱窗中。这个人也是万国展览会的参展商，他是一个锁匠，也是一个竞争者，同时是一个美国人。他跨过大西洋来到这里，目的就是要把英国工程师放在他面前的每一把“不可撬开”的锁都撬开。
图4-4 布拉马锁的结构
注：在前文中提到过，布拉马用于开锁挑战的那把锁，自1790年首次在伦敦皮卡迪利大街的橱窗中展出以来，长达60年没有被撬开。在1851举行的万国工业博览会上，霍布斯经过51个小时的细心尝试，最终才把锁撬开。如此的撬锁难度使得布拉马的制锁公司宣布，他们公司发明的锁基本上是防盗的。
他的台字叫阿尔弗雷德·C.霍布斯(Alfred C. Hobbs)，1812年出生于波士顿，父母是英国人。也许是出于爱国热情，他想证明美国制造的锁比英国制造的锁质量好得多。他一到万国工业博览会，就在大厅东端的298号摊位上坐了下来，成为纽约的戴和纽厄尔公司(New York Firm of Day and Newell)的代表。这家公司制造的锁称为“半自动重置锁”，霍布斯深信人们永远无法撬开这把锁，而布拉马的锁则一定可以被撬开。霍布斯在水晶宫布展后，给布拉马公司写了一封正式的信，要求在皮卡迪利“响应贵公司的挑战，我来打开贵公司的锁”。布拉马本人在40年前就去世了，也许在去世之前，他还沾沾自喜，因为从来没有人成功撬开过他的锁。现在是他的儿子们在经营着这家公司，他们收到了那封意义重大的信。由于霍布斯名声在外，他们有些战战兢兢，然而别无选择，只好同意会面，并迅速成立了一个专家委员会，以确保对这把锁的任何撬锁操作都是符合约定规则的，完全不依靠破坏锁的内部机构来开锁，毕竟这把锁是18世纪英国所能制造的最精密的设备。
就这样，霍布斯开始了撬锁挑战。他先后投入了16天的时间，总共花了整整51个小时，才把锁的锁扣打开，最终挑战成功。他使用了各种特别设计的微型工具来撬动锁芯的内部：其中有千分尺和微距螺丝。霍布斯把微距螺丝固定在布拉马锁的木制底座上，如果布拉马锁装在一个无法穿透的铁制底座上，这个工具就不能起到固定作用了。螺丝拧进木头里之后，能把锁内的18个簧片压住，这样霍布斯就可以用双手在2英寸长的锁芯里进行各种操作。霍布斯还使用了放大镜，用特殊的镜子在锁内反射微小的光束，发出明亮的光，以协助他观察锁的内部。他用微小的测量天平观察每一个弹子的高低位置，并用小钩子把位置太深的弹子拉回来。总之，霍布斯在身旁放置了一系列的工具，就像外科医生的手术托盘里的各种工具一样，当然，霍布斯的托盘里没有手术刀。霍布斯这样努力，就是为了要确保撬开布拉马锁，并借此宣扬美国人在精确方面的优越性。
布拉马的儿子小布拉马付清了钱，但布拉马公司的人一边付钱，一边抱怨美国人靠着那一大箱工具和51个小时的挑战时长才把锁打开，根本胜之不武。霍布斯没有遵守潜在的游戏规则，即这个挑战的目的是验证锁的防盗特性，而霍布斯花在这把倒霉的锁上的时间和精力，是任何一个窃贼都负担不起的。
仲裁小组对小布拉马的抱怨表示支持，他们指出霍布斯的做法是不公平的，并且得出了掷地有声的结论：“仲裁小组清楚地知道那200几尼已经颇有体育精神地付给了霍布斯先生，霍布斯先生也没有刻意损害布拉马锁的声誉。但霍布斯先生费尽全力打开布拉马锁产生了与破坏声誉相反的效果，它在很大程度上证实了，就日常生活的实际情况而言，布拉马锁的确是绝对防盗的。”
霍布斯坚持要把这200几尼金币展示在水晶宫里，以此来炫耀他的胜利。就这样，伴随着霍布斯开锁成功的喜悦，200个几尼在水晶宫的灯光下闪耀了好几周。虽然霍布斯陶醉在胜利的喜悦中，但这个胜利也是短暂的，消费者的选择证明了最终的结果。正如仲裁小组所指出的那样，霍布斯撬开了布拉马锁，这对布拉马的公司没有任何损害：顾客们排着队来购买一把连开锁专家都要花费16天才撬开的锁。该公司至今仍在伦敦保持运营状态，并在世界各地销售它生产的锁，而所有这些锁都是基于1797年布拉马最初设计的改良产品。
与此同时，纽约的戴和纽厄尔公司在万国工业博览会后不久就倒闭了。在霍布斯布展之后不久，就有人成功地撬开了他的半自动重置锁，而且据说撬开这种锁的人只用了一根木棍。他是一个新生的精密制锁公司创始人的后裔，那个公司也是现在世界上最大的制锁公司——耶尔公司，这个公司的创始人就是老莱纳斯·耶尔。
第5章 没有人能抵挡在高速路上飞驰的诱惑 公差0.0000000001(10-10)
福特T型车对美国的影响十分深远，它几乎在很大程度上改变了这个国家的特质。福特T型车改变了美国的艺术、音乐、社会结构，也影响了美国人的体质、财富、傲慢与偏见，而造就这一切的人，亨利·福特，对美国而言，可以说是个高效的革命家。
——L. J. K.西赖特(L. J. K. Setright)《继续向前开！》(Drive On!)
1998年年初，正值隆冬时节，我在关闭一辆借来的劳斯莱斯银天使的后备箱时，突然右手食指感到一阵刺痛。我低头一看，一滴血从我手指的伤口处冒出来，伤口并不大，都不用贴创可贴。然而，一辆全新的劳斯莱斯汽车的某些部分，居然已经锋利到能把我的手指扎破的程度，这才是令人惊讶的地方。要知道，劳斯莱斯银天使不仅要重新确立或者强化“劳斯莱斯汽车是世界上最好的汽车”这一认知，更重要的是，这一产品还立志要帮助劳斯莱斯品牌在市场竞争激烈的1998年再现辉煌。
我和我的副驾驶检查了一下车辆，轻轻地抚摸着汽车后部那如镜面般光滑的车身。毫无疑问，这是一辆精致的豪车：深蓝色的外壳，后备箱内侧衬着厚厚的羊毛地毯，后备箱里还专门备有装雨伞的特殊容器，车上的所有镀铬部件都结实坚固且经过细腻抛光。这辆车的车灯又大又稳固，甚至连车牌架都是经过加固、能防水雾的，这样的车牌架简直就是装在军舰上的铭牌。但我还是发现了问题，我把手放在车牌架的下面，发现了两个小螺丝，其中右手边的那个似乎偏离了正常的角度，导致它锋利的钢边在如镜面般平滑的镀铬表面上，突出了大约几分之一毫米，而我的指头正好划过了它。
毫无疑问，这就是把我的手划破的罪魁祸首：一个简单的螺丝钉。某个学徒在试图打孔时，加工的角度不对，才产生了这个有些偏差的孔，并导致了这个瑕疵。
对于一款自诩“精密机械工程的典范”“世界上最优秀的汽车”，以及“贵到让绝大多数人惊愕的汽车”来说，这似乎是一个不可思议、不可原谅的错误，是劳斯莱斯产品一个难以抹去的污点。几周后，我的不安得到了证实，当时一位供职于伦敦一家报社的汽车评论员，描述了他开着一辆劳斯莱斯银天使出去试驾的经历。他在停车后，发现自己不能正常启用手刹，甚至直接把手刹给掰下来了。出现这种情况，可能是因为这辆车的手刹所连接的电缆在车内部的某个地方完全断开了。很明显，工厂里有人并没有认真按要求装配。
