1912年，瑞典皇家科學院決定將當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，學界譁然，甚至直到百年後的今天，這年的獎項也頗有微詞。
這也難怪，縱觀諾貝爾物理學獎的歷史，大多數年份的獎項都更青睞於基礎研究和理論成果，憑藉工程應用成獲獎的只有發明彩色照相的李普曼（1908）、發明無線電報的馬可尼與布萊恩（1909）、發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域，其應用場景也更窄——他製造的氣體儲存器和自動閥門只是為了實現燈塔的自動控制，這似乎達不到諾獎「對人類作出最大貢獻」的標準。更重要的是，一百多年後的今天，由於全球定位系統、船舶自動識別系統和民用雷達的普及應用，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革新的達倫，真的配得上諾貝爾物理學獎的殊榮嗎？
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」
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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，這種認識也並不算錯。由於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，它利用塔頂的巨大金屬鏡面反射陽光，而當夜幕低垂，金屬鏡前方的火盆便會被點燃，植物油脂發出的光亮經由鏡面反射後，就能實現引導船隻的目的。
此後的一千多年裡，燈塔的建築方式和運作原理一直沒有發生太大的變化，但人們對海洋的開發利用程度卻不斷深入，一些船隻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，但要實現這個願景卻並不容易。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，又一座木鋼材質的燈塔在原址重建，卻也在1755年毀於火災。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築強度，又採用了類似我國廣州小蠻腰塔式的外觀結構來減少巨浪衝擊，至此，世界上第一座真正意義上的遠洋離岸燈塔——斯密頓燈塔才終於落成。
更亮、更輕、更穩定，燈塔上的燈才是靈魂
史密斯的創舉解決了在遠洋孤礁上建塔的難題，但相比於塔身而言，燈塔上的燈才是重中之重。斯密頓燈塔落成的年代，燈塔的發光部分和亞歷山大燈塔並沒有本質的不同，儘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了穩定，用來反射燈光的反射鏡也升級為發條驅動確保勻速轉動，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，海風肆虐不僅會吹動火光來回閃爍影響亮度，還經常吹滅燈火引發觸礁事故。
幸運的是，已經漸入高峰的工業革命發明潮為改進這些不足提供了可能。1782年，發明家艾米.阿爾岡發現，用一根管狀玻璃罩住火焰，不僅能消除風的影響，還能讓火焰燃的更高更充分，採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！而如果把火焰後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。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後發現，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。
燈塔的技術革新日新月異，但此時的燈塔數量實在太少了。看守燈塔離不開人的參與，那些孤懸大洋的燈塔必須修建的足夠大才能維持守燈人長期生活，再加上巨大的燃料消耗，燈塔建築和維護成本非常驚人。在整個19世紀，即便是航海最發達的海洋強國，也只能在重點海域設置少量燈塔，而對於水手們來說，航海依舊充滿風險，想要安全平穩的遨遊四海，水手們還需靜待那場由達倫主導的決定性革新。
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，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生了交集。此時的達倫醉心於乙炔儲運領域的技術攻關，在此之前，人們已經發現乙炔可以發出白亮的光，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部呈微孔狀的儲氣罐里。這項實用技術很快被應用到燈塔上，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了一種自動氣閥，他發現，燈塔其實並不需要一直點燃，乙炔燈只需持續燃燒1/10—1/30秒，瞬時閃光就足以讓遠處的航船就發現們，以幾秒間隔閃亮一次，1升乙炔就能發出上千次的閃光，如果每一座燈塔發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年發明了日光開關，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，最下的一根則被塗黑，當日光照射時，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，燈火熄滅，而當日光衰弱時，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。
藉助這3項發明，燈塔的發光裝置可以完全擺脫人的干預自動運行，整體的燃料消耗量也急劇減少了97%！在1907年投入使用後，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！此後幾年裡，全球範圍內掀起了一場燈塔革新的狂潮，數不清的無人值守燈塔和自動航標出現在原本孤僻危險的海域，日光開關還被廣泛運用在城市照明燈的自動化控制領域，乙炔的儲藏技術在金屬切割和焊接領域的應用更是延續至今。
隨著新技術的發展，燈塔、以及達倫等研究者為燈塔所做的諸多技術革新已經漸入沉寂，但在當時的時代背景下，這些工程創舉的確創造了非凡的社會經濟效益，束束燈光掃向海面，不知挽救了多少船舶於危難，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——科學探索讓我們以新的視角認知世界，而建立在科學基礎上的技術應用則幫助我們不斷重塑世界，從這個角度看，發生在燈塔上的故事，本身不就是一盞指引前路的科學精神明燈嗎？
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作者：流浪 科普作者
審核：王揚宗 中國科學院院史研究中心 主任
來源: 星空計劃