1912年，瑞典皇家科学院决定将当年的诺贝尔物理奖授予瑞典工程师尼尔斯·古斯塔夫·达伦，消息一出，学界哗然，甚至直到百年后的今天，这年的奖项也颇有微词。

这也难怪，纵观诺贝尔物理学奖的历史，大多数年份的奖项都更青睐于基础研究和理论成果，凭借工程应用成获奖的只有发明彩色照相的李普曼（1908）、发明无线电报的马可尼与布莱恩（1909）、发明集成电路的基尔比（2000）等寥寥几例，而达伦的获奖成就不仅更偏向工程领域，其应用场景也更窄——他制造的气体储存器和自动阀门只是为了实现灯塔的自动控制，这似乎达不到诺奖“对人类作出最大贡献”的标准。更重要的是，一百多年后的今天，由于全球定位系统、船舶自动识别系统和民用雷达的普及应用，灯塔本身的实用功能都基本被替代，只是对灯塔进行了技术革新的达伦，真的配得上诺贝尔物理学奖的殊荣吗？

其实，如果我们对灯塔的演进历史和重要意义深入洞察，就不难找到问题的答案。

灯塔，可不仅仅是简单的“灯+塔”

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在不熟悉灯塔历史的朋友们看来，全世界的灯塔大抵都长的一副模样——只是在海边的塔顶上点亮一盏明灯而已。严格的说，这种认识也并不算错。由于早期的人类航海活动主要依靠近岸开展，此时的灯塔大多都设立在港口城市的海岸带或岛屿上，以被誉为世界七大奇观的亚历山大灯塔为例，它就是一座搭建在亚历山大港法罗斯岛上的百米方塔，在白天，它利用塔顶的巨大金属镜面反射阳光，而当夜幕低垂，金属镜前方的火盆便会被点燃，植物油脂发出的光亮经由镜面反射后，就能实现引导船只的目的。

此后的一千多年里，灯塔的建筑方式和运作原理一直没有发生太大的变化，但人们对海洋的开发利用程度却不断深入，一些船只开始进入远离海岸带的大洋腹地，潜藏在水面下的暗礁便成为航海人挥之不去的梦魇。

在容易引发海难的大洋孤礁上修建一座灯塔作为指引似乎是个解决问题的良方，但要实现这个愿景却并不容易。1698年，英国人在普利茅茨外海的涡石礁上修建了一座纯木质的灯塔，可仅仅过了5年就被巨浪冲毁，1708年，又一座木钢材质的灯塔在原址重建，却也在1755年毁于火灾。直到1759年，英国工程师约翰.史密斯使用石块和混凝土为建材增加灯塔建筑强度，又采用了类似我国广州小蛮腰塔式的外观结构来减少巨浪冲击，至此，世界上第一座真正意义上的远洋离岸灯塔——斯密顿灯塔才终于落成。

更亮、更轻、更稳定，灯塔上的灯才是灵魂

史密斯的创举解决了在远洋孤礁上建塔的难题，但相比于塔身而言，灯塔上的灯才是重中之重。斯密顿灯塔落成的年代，灯塔的发光部分和亚历山大灯塔并没有本质的不同，尽管人们使用鲸脂替代了植物油脂来提高亮度，也把火盆漂浮在水银液面上实现了稳定，用来反射灯光的反射镜也升级为发条驱动确保匀速转动，但灯塔依旧存在光源亮度不够、投射距离不够远的缺陷，尤其在天气条件恶劣的大洋深处，海风肆虐不仅会吹动火光来回闪烁影响亮度，还经常吹灭灯火引发触礁事故。

幸运的是，已经渐入高峰的工业革命发明潮为改进这些不足提供了可能。1782年，发明家艾米.阿尔冈发现，用一根管状玻璃罩住火焰，不仅能消除风的影响，还能让火焰燃的更高更充分，采用阿尔冈管状灯芯的灯具可以比直接燃烧油脂的亮度提升六七倍之多！而如果把火焰后方的反射镜替换成火焰前方的凸透镜，灯光传播的距离也能极大提升。

可新的问题又随之而来，巨大的凸透镜不仅成本高昂，自身的重量也很大，再加上配合它转动的机械部件，整套灯塔光源部件的总重越来越臃肿，一些小型灯塔根本无法承载这样的光源系统。这个问题直到1823年才被法国工程师奥古斯汀·让·涅菲尔解决，他使用一种更轻薄的螺纹透镜来维持凸透镜折射平行光的性能，又极大的降低了透镜的重量和成本，在吉伦特河口的哥杜昂灯塔试用这种透镜后发现，灯塔灯光在32公里之外也清晰可见。这种透镜直到今天还在广泛使用，在汽车车灯、手机闪光灯上，我们都能看到它的身影。

灯塔的技术革新日新月异，但此时的灯塔数量实在太少了。看守灯塔离不开人的参与，那些孤悬大洋的灯塔必须修建的足够大才能维持守灯人长期生活，再加上巨大的燃料消耗，灯塔建筑和维护成本非常惊人。在整个19世纪，即便是航海最发达的海洋强国，也只能在重点海域设置少量灯塔，而对于水手们来说，航海依旧充满风险，想要安全平稳的遨游四海，水手们还需静待那场由达伦主导的决定性革新。

水手的“恩人与明灯”

达伦的祖国瑞典拥有绵长的海岸线和诸多岛屿，一直都迫切需求更低廉可靠的灯塔技术，也正是在这样的时代背景下，正在瑞典储气罐公司就职的达伦和灯塔产生了交集。此时的达伦醉心于乙炔储运领域的技术攻关，在此之前，人们已经发现乙炔可以发出白亮的光，燃烧效率也远比油脂高，但乙炔储运非常困难，尤其是容器磕碰时极易发生爆炸，针对这一问题，达伦先是把乙炔溶解到丙酮里，再以10倍大气压灌注到一种内部呈微孔状的储气罐里。这项实用技术很快被应用到灯塔上，而为了进一步降低乙炔的消耗量，达伦再次针对灯塔的实际需求研发了一种自动气阀，他发现，灯塔其实并不需要一直点燃，乙炔灯只需持续燃烧1/10—1/30秒，瞬时闪光就足以让远处的航船就发现们，以几秒间隔闪亮一次，1升乙炔就能发出上千次的闪光，如果每一座灯塔发出闪光的频率有所差别，水手们只需观测频闪的不同就能知道自己观测的是哪一座灯塔。

而为了进一步提升灯塔的自动化程度，达伦又在1907年发明了日光开关，这一装置由4根密封在真空玻璃管中的金属棒组成，其中3根被高精度的抛光出金属原色，最下的一根则被涂黑，当日光照射时，黑色金属棒比其他3根更快吸热膨胀，进而阻断气体阀门开关，灯火熄灭，而当日光衰弱时，黑色金属棒的又收缩到和其他金属棒相同的长度，气体阀门贯通，灯火重燃。

借助这3项发明，灯塔的发光装置可以完全摆脱人的干预自动运行，整体的燃料消耗量也急剧减少了97%！在1907年投入使用后，这套装置让一座原本造价高达20万克朗的灯塔成本下降至9000克朗，年运营成本也从2.5万克朗下降到60克朗！此后几年里，全球范围内掀起了一场灯塔革新的狂潮，数不清的无人值守灯塔和自动航标出现在原本孤僻危险的海域，日光开关还被广泛运用在城市照明灯的自动化控制领域，乙炔的储藏技术在金属切割和焊接领域的应用更是延续至今。

随着新技术的发展，灯塔、以及达伦等研究者为灯塔所做的诸多技术革新已经渐入沉寂，但在当时的时代背景下，这些工程创举的确创造了非凡的社会经济效益，束束灯光扫向海面，不知挽救了多少船舶于危难，不知给多少海员心中燃起了归家的希望，这也是水手们亲切的称呼达伦 “恩人与明灯”的原因。即便站在今天回望，这则故事依旧很有意义——科学探索让我们以新的视角认知世界，而建立在科学基础上的技术应用则帮助我们不断重塑世界，从这个角度看，发生在灯塔上的故事，本身不就是一盏指引前路的科学精神明灯吗？

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作者：流浪 科普作者

审核：王扬宗 中国科学院院史研究中心 主任

来源: 星空计划

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