只是改造了燈塔，這年的諾獎憑什么頒給了他?

1912年，瑞典皇家科學(xué)院決定將當(dāng)年的諾貝爾物理獎授予瑞典工程師尼爾斯·古斯塔夫·達倫，消息一出，學(xué)界嘩然，甚至直到百年后的今天，這年的獎項也頗有微詞。

這也難怪，縱觀諾貝爾物理學(xué)獎的歷史，大多數(shù)年份的獎項都更青睞于基礎(chǔ)研究和理論成果，憑借工程應(yīng)用成獲獎的只有發(fā)明彩色照相的李普曼（1908）、發(fā)明無線電報的馬可尼與布萊恩（1909）、發(fā)明集成電路的基爾比（2000）等寥寥幾例，而達倫的獲獎成就不僅更偏向工程領(lǐng)域，其應(yīng)用場景也更窄——他制造的氣體儲存器和自動閥門只是為了實現(xiàn)燈塔的自動控制，這似乎達不到諾獎“對人類作出最大貢獻”的標(biāo)準(zhǔn)。更重要的是，一百多年后的今天，由于全球定位系統(tǒng)、船舶自動識別系統(tǒng)和民用雷達的普及應(yīng)用，燈塔本身的實用功能都基本被替代，只是對燈塔進行了技術(shù)革新的達倫，真的配得上諾貝爾物理學(xué)獎的殊榮嗎？

其實，如果我們對燈塔的演進歷史和重要意義深入洞察，就不難找到問題的答案。

燈塔，可不僅僅是簡單的“燈+塔”

圖片來源：圖蟲創(chuàng)意

在不熟悉燈塔歷史的朋友們看來，全世界的燈塔大抵都長的一副模樣——只是在海邊的塔頂上點亮一盞明燈而已。嚴格的說，這種認識也并不算錯。由于早期的人類航海活動主要依靠近岸開展，此時的燈塔大多都設(shè)立在港口城市的海岸帶或島嶼上，以被譽為世界七大奇觀的亞歷山大燈塔為例，它就是一座搭建在亞歷山大港法羅斯島上的百米方塔，在白天，它利用塔頂?shù)木薮蠼饘夔R面反射陽光，而當(dāng)夜幕低垂，金屬鏡前方的火盆便會被點燃，植物油脂發(fā)出的光亮經(jīng)由鏡面反射后，就能實現(xiàn)引導(dǎo)船只的目的。

此后的一千多年里，燈塔的建筑方式和運作原理一直沒有發(fā)生太大的變化，但人們對海洋的開發(fā)利用程度卻不斷深入，一些船只開始進入遠離海岸帶的大洋腹地，潛藏在水面下的暗礁便成為航海人揮之不去的夢魘。

在容易引發(fā)海難的大洋孤礁上修建一座燈塔作為指引似乎是個解決問題的良方，但要實現(xiàn)這個愿景卻并不容易。1698年，英國人在普利茅茨外海的渦石礁上修建了一座純木質(zhì)的燈塔，可僅僅過了5年就被巨浪沖毀，1708年，又一座木鋼材質(zhì)的燈塔在原址重建，卻也在1755年毀于火災(zāi)。直到1759年，英國工程師約翰.史密斯使用石塊和混凝土為建材增加燈塔建筑強度，又采用了類似我國廣州小蠻腰塔式的外觀結(jié)構(gòu)來減少巨浪沖擊，至此，世界上第一座真正意義上的遠洋離岸燈塔——斯密頓燈塔才終于落成。

更亮、更輕、更穩(wěn)定，燈塔上的燈才是靈魂

史密斯的創(chuàng)舉解決了在遠洋孤礁上建塔的難題，但相比于塔身而言，燈塔上的燈才是重中之重。斯密頓燈塔落成的年代，燈塔的發(fā)光部分和亞歷山大燈塔并沒有本質(zhì)的不同，盡管人們使用鯨脂替代了植物油脂來提高亮度，也把火盆漂浮在水銀液面上實現(xiàn)了穩(wěn)定，用來反射燈光的反射鏡也升級為發(fā)條驅(qū)動確保勻速轉(zhuǎn)動，但燈塔依舊存在光源亮度不夠、投射距離不夠遠的缺陷，尤其在天氣條件惡劣的大洋深處，海風(fēng)肆虐不僅會吹動火光來回閃爍影響亮度，還經(jīng)常吹滅燈火引發(fā)觸礁事故。

幸運的是，已經(jīng)漸入高峰的工業(yè)革命發(fā)明潮為改進這些不足提供了可能。1782年，發(fā)明家艾米.阿爾岡發(fā)現(xiàn)，用一根管狀玻璃罩住火焰，不僅能消除風(fēng)的影響，還能讓火焰燃的更高更充分，采用阿爾岡管狀燈芯的燈具可以比直接燃燒油脂的亮度提升六七倍之多！而如果把火焰后方的反射鏡替換成火焰前方的凸透鏡，燈光傳播的距離也能極大提升。

可新的問題又隨之而來，巨大的凸透鏡不僅成本高昂，自身的重量也很大，再加上配合它轉(zhuǎn)動的機械部件，整套燈塔光源部件的總重越來越臃腫，一些小型燈塔根本無法承載這樣的光源系統(tǒng)。這個問題直到1823年才被法國工程師奧古斯汀·讓·涅菲爾解決，他使用一種更輕薄的螺紋透鏡來維持凸透鏡折射平行光的性能，又極大的降低了透鏡的重量和成本，在吉倫特河口的哥杜昂燈塔試用這種透鏡后發(fā)現(xiàn)，燈塔燈光在32公里之外也清晰可見。這種透鏡直到今天還在廣泛使用，在汽車車燈、手機閃光燈上，我們都能看到它的身影。

燈塔的技術(shù)革新日新月異，但此時的燈塔數(shù)量實在太少了?？词?zé)羲x不開人的參與，那些孤懸大洋的燈塔必須修建的足夠大才能維持守?zé)羧碎L期生活，再加上巨大的燃料消耗，燈塔建筑和維護成本非常驚人。在整個19世紀(jì)，即便是航海最發(fā)達的海洋強國，也只能在重點海域設(shè)置少量燈塔，而對于水手們來說，航海依舊充滿風(fēng)險，想要安全平穩(wěn)的遨游四海，水手們還需靜待那場由達倫主導(dǎo)的決定性革新。

水手的“恩人與明燈”

達倫的祖國瑞典擁有綿長的海岸線和諸多島嶼，一直都迫切需求更低廉可靠的燈塔技術(shù)，也正是在這樣的時代背景下，正在瑞典儲氣罐公司就職的達倫和燈塔產(chǎn)生了交集。此時的達倫醉心于乙炔儲運領(lǐng)域的技術(shù)攻關(guān)，在此之前，人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)乙炔可以發(fā)出白亮的光，燃燒效率也遠比油脂高，但乙炔儲運非常困難，尤其是容器磕碰時極易發(fā)生爆炸，針對這一問題，達倫先是把乙炔溶解到丙酮里，再以10倍大氣壓灌注到一種內(nèi)部呈微孔狀的儲氣罐里。這項實用技術(shù)很快被應(yīng)用到燈塔上，而為了進一步降低乙炔的消耗量，達倫再次針對燈塔的實際需求研發(fā)了一種自動氣閥，他發(fā)現(xiàn)，燈塔其實并不需要一直點燃，乙炔燈只需持續(xù)燃燒1/10—1/30秒，瞬時閃光就足以讓遠處的航船就發(fā)現(xiàn)們，以幾秒間隔閃亮一次，1升乙炔就能發(fā)出上千次的閃光，如果每一座燈塔發(fā)出閃光的頻率有所差別，水手們只需觀測頻閃的不同就能知道自己觀測的是哪一座燈塔。

而為了進一步提升燈塔的自動化程度，達倫又在1907年發(fā)明了日光開關(guān)，這一裝置由4根密封在真空玻璃管中的金屬棒組成，其中3根被高精度的拋光出金屬原色，最下的一根則被涂黑，當(dāng)日光照射時，黑色金屬棒比其他3根更快吸熱膨脹，進而阻斷氣體閥門開關(guān)，燈火熄滅，而當(dāng)日光衰弱時，黑色金屬棒的又收縮到和其他金屬棒相同的長度，氣體閥門貫通，燈火重燃。

借助這3項發(fā)明，燈塔的發(fā)光裝置可以完全擺脫人的干預(yù)自動運行，整體的燃料消耗量也急劇減少了97%！在1907年投入使用后，這套裝置讓一座原本造價高達20萬克朗的燈塔成本下降至9000克朗，年運營成本也從2.5萬克朗下降到60克朗！此后幾年里，全球范圍內(nèi)掀起了一場燈塔革新的狂潮，數(shù)不清的無人值守?zé)羲妥詣雍綐?biāo)出現(xiàn)在原本孤僻危險的海域，日光開關(guān)還被廣泛運用在城市照明燈的自動化控制領(lǐng)域，乙炔的儲藏技術(shù)在金屬切割和焊接領(lǐng)域的應(yīng)用更是延續(xù)至今。

隨著新技術(shù)的發(fā)展，燈塔、以及達倫等研究者為燈塔所做的諸多技術(shù)革新已經(jīng)漸入沉寂，但在當(dāng)時的時代背景下，這些工程創(chuàng)舉的確創(chuàng)造了非凡的社會經(jīng)濟效益，束束燈光掃向海面，不知挽救了多少船舶于危難，不知給多少海員心中燃起了歸家的希望，這也是水手們親切的稱呼達倫 “恩人與明燈”的原因。即便站在今天回望，這則故事依舊很有意義——科學(xué)探索讓我們以新的視角認知世界，而建立在科學(xué)基礎(chǔ)上的技術(shù)應(yīng)用則幫助我們不斷重塑世界，從這個角度看，發(fā)生在燈塔上的故事，本身不就是一盞指引前路的科學(xué)精神明燈嗎？

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作者：流浪 科普作者

審核：王揚宗 中國科學(xué)院院史研究中心 主任