现代精细设备在制作中根本不允许有任何差错,但只需人类依然在参加精细设备的制作,人类的失误就免不了会蔓延到这个进程中去。
哈勃望远镜就是一个典型比方。由于微乎其微的、只要人类头发直径1/50大的差错,这个花费20亿美元、耗费很多作业人员20年名贵时刻的空间望远镜,传回来的相片一片含糊,像极了在俄亥俄州某个烟雾弥漫的后院,一个地理爱好者用8英寸地理望远镜拍照出来的水平。
2009年5月18日,“亚特兰蒂斯”号航天飞机的两名宇航员进行第五次太空行走为哈勃太空望远镜进行保护作业。
但哈勃望远镜终究被修好,这源于一名工程师洗澡时的奇思妙想。尔后,哈勃望远镜将很多雄伟绚丽的国际图景传回地球,成为“NASA最巨大的空间望远镜”。
今天,咱们来叙述一下哈勃望远镜离谱的差错,以及它怎么取得重生。
作者| 西蒙·温切斯特
译者 | 曲博文 孙亚南
修改 | 谢芳 眺望智库
本文为眺望智库书摘,摘编自《寻求准确》(湛庐文明2023年5月出品),原标题为《透过明晰的望远镜望向远方》,原文有删减,不代表眺望智库观念。
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一场始料未及的噩梦
1990年4月24日,哈勃望远镜被悄悄地送入了距地球外表约611千米的轨迹。3周后,一场始料未及的噩梦开端了。
5月20日,全部人都坚信它现已逐渐习惯了太空环境的温度,随后NASA使命操控中心宣布了一个指令,要求哈勃望远镜翻开光学体系的顶盖。
哈勃空间望远镜。
哈勃望远镜正式开工了,来自百万颗恒星的光线涌入其镜头之中,后人就拿“榜首束光”这个姓名来留念这一时刻。光线先是涌入望远镜的筒中,从那里,光线先抵达主镜,再反射一个来回,终究这些光学信号进入探测器,通过处理后,被传往地球上坐落巴尔的摩的约翰斯·霍普金斯大学太空望远镜科学研讨所,此刻研讨所里的地理研讨人员正焦急地等待着数据。
传输十分完美,数据像预期的那样源源不断地从深空传递回来。地理学家埃里克·蔡森(Eric Chaisson)仔细调查了这些图画,忽然间,他有了一种很欠好的感觉,用他自己的话说:“吓得我肠子都颤抖了。”
哈勃望远镜必定呈现了十分可怕的问题,它发回来的图片都很含糊。两周后,在约翰斯·霍普金斯大学48千米外的NASA戈达德太空飞行中心担任哈勃方案首席科学家的爱德华·韦勒(Edward Weiler)正沉浸在之前发射成功的高兴中。随后,韦勒接到一个电话,坐落巴尔的摩科学研讨所的搭档告知了他这个耸人听闻的音讯。“虽然他们可能会企图处理这个问题”,这位听起来不知所措的科学家告知韦勒,“可是从哈勃传回来的每一张相片都彻底失焦了”。只要一个破例,榜首张相片看起来十分明晰,这真是命运开了一个严酷的打趣。
研讨所的人连日来一向在尽力处理这个问题,并且不敢对外通报这一信息,他们通过对副镜进行十分纤细的移动来微调图画,艰难地测验从主镜生成的画面中挑选出一幅明晰明快的图片。严酷的事实是,没有一张相片配得上“有价值”这一点评。
6月27日,也就是发射哈勃望远镜两个月后,媒体才获悉这个可怕的音讯。NASA的官员们身着作业服,满脸愁容,在台下飞速地做着笔记的记者,每一个人手里都拿着一张含糊的深空相片。这样一般的地理相片,像极了在俄亥俄州某个烟雾弥漫的后院,一个地理爱好者用8英寸地理望远镜拍照出来的水平。
哈勃望远镜直径8英尺的主镜,虽然现已是其时能制作出的最精细的光学反射镜,但这个反射镜的边际好像磨得太平了。
差错小得微乎其微,只要人类头发直径的1/50那么多,但也足以对光学成像效果形成损坏,使得哈勃望远镜几乎全部的观测都变成了毫无价值的“浆糊”。要知道,这一项目是欧洲航天局和NASA的一次联合风险投资,美国和欧洲以及其他参加方投入近20亿美元,耗费了很多作业人员20年名贵的时刻。
一位愤恨的马里兰州参议员说,NASA好像在以“技能问题”的名义给一群不称职的技能官员骗预算。虽然哈勃望远镜呈现的光学问题不会杀死任何人,但这件作业给国家带来了不可思议的为难和侮辱。
随后,这颗卫星又呈现了其他问题:太阳能电池板的毛病使整个望远镜晃动和摆振,愈加下降了取得严峻科学发现的可能性,这样糟糕的预期使整个NASA处于风险之中。就在4年前,挑战者号由于NASA的无能而爆破,现在哈勃望远镜的问题更是落井下石。25000名NASA的雇员,以及不计其数家承包商和供货商的未来变得危如累卵。
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贱价竞标背面
这全部都归结于一家其时叫作珀金埃尔默的公司,该公司总部设在康涅狄格州丹伯里市,距纽约市90分钟车程。自20世纪60年代末以来,这家公司一向为一系列高度机密的间谍卫星供给地上反射镜和摄像头,作为军工复合体的一部分,在奥秘的暗影之中为满意美国军队的需求进行研讨和制作。这家公司在其专心范畴里,各项作业都以准确著称,但关于详细细节很少发表。
1975年,珀金埃尔默公司赢得了一份价值7000万美元的新合同,这其实是一个通过深思熟虑的贱价竞标,这个竞标的项目是打造和抛光一个新望远镜的巨型主镜。
【注:NASA不确定该公司能否以7000万美元的价格完结这项作业,但赞同该公司以低于柯达3500万美元的价格进行招标,它还向珀金埃尔默公司表明,能够稍后从国会取得一些额定资金。可是,国会对是否拨付额定的资金优柔寡断,珀金埃尔默公司不得不测验用他们已拿到手的那点经费来制作反射镜。】
珀金埃尔默公司行将加工的巨大玻璃坯是1978年秋天从康宁玻璃厂运来的,从加工一开端,就厄运不断。一个质量操控查看员差点儿掉到玻璃上,幸而一个机敏的搭档抓住了他的衬衫。后来,组成镜坯“夹心饼”的3个光学元件,在彼此固守时呈现了严峻疏忽:在加热进程中,3600摄氏度的炉温熔化了元件的内部结构,这可能会导致内部结构在抛光进程中开裂,因而,康宁的工人在三个月的时刻里,不得不必酸性腐蚀剂和牙科东西将其间熔化的部分一点点地处理掉。
康宁公司从来没有做过这么具有挑战性的玻璃,珀金埃尔默公司也从来没有接受过如此严苛的项目。NASA的合同要求由该公司打磨和抛光完结的熔融石英玻璃反光镜,需求在打磨和抛光的进程中磨掉至少200磅的资料,并将巨大的玻璃塑形成准确的凸面,其外表的润滑度是曾经的产品从未达到过的。任何细节的差错都不能超越百万分之一英寸。外表润滑的程度是如此的极致,假如反射镜有大西洋那么大,那么镜子上的任何一点都不会高于海平面3~4英寸,假如反射镜有美国那么大,那么它外表上的任何山丘或山沟都不会超越2.5英寸。
康宁公司一交给玻璃板,珀金埃尔默公司的工厂就开端对其进行粗磨,可是,即便在镜面打磨的这段时刻里,也产生了各式各样的延误,特别是所谓的“茶杯事情”。
其时在玻璃内部发现了一处茶杯巨细的杂乱裂纹,为了去除这些裂纹,工人们有必要将对应的玻璃部分切除、扩孔,再熔化,这一杂乱的进程堪比开颅手术。终究,在1980年5月工厂才总算完结这一工序,而完结这一工序本身,现已导致交给日期比预期晚了9个月。跟着镜子的形状根本完结定型,工人们小心肠用货车将这个巨大的玻璃物体运到丹伯里市城外的一个隐秘地址,而用来对其加工的设备时至今天仍是保密的,在这里,工厂开端对反射镜进行抛光。
工人们将这件反光镜小心肠放在一个由134枚钛钉组成的钉床上,以大略模仿哈勃望远镜终究作业的无重力环境,然后一个由计算机操控的旋转机械臂移到了反光镜上需求抛光的方位。机械臂上设备了一块抛光布垫,并在抛光时一点一点地在玻璃外表上涂改研磨剂。
哈勃望远镜的主反射镜。图源:《寻求准确》
可是,工人们偶然也会犯过错,更切当地说,他们给机器下达了过错指令,机器依照指令把这些过错变成了更大的问题。
一天,丹伯里市加工设备里的一位工程师本来应在体系中录入0.1,成果却把数字1.0输入了终端,接到指令的机器毫不犹豫地凿了下去,而工程师只得惊慌地看着磨具开端在玻璃周围面凿出一个沟槽来。走运的是,有一个查看技师站在周围,手里握着一个紧迫中止开关。他榜首时刻留意到了刚刚呈现的凿痕,并当即中止了打磨加工,可是玻璃上凿下的残缺从未被彻底批改。这个残缺现已被打磨到了必定的程度,并留下了适度的标识,只需让地理学家知晓这个残缺,那么操作望远镜时便能够针对性地采纳应对方法。
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最丧命的过错
最丧命的过错是在试验室里犯下的。镜面的平坦程度和外表的弧度是严厉依照要求一丝不苟地打磨出来的,惋惜对镜面进行丈量的参照物是过错的。丹伯里市加工设备的作业人员运用的丈量东西是一种类似于直尺的仪器,它被认为只要1英尺(12英寸)长,但实践上有13英寸长。
工程师用来丈量反射镜镜面的东西是造价上百万美元的专业丈量设备——零校对器。它本质上是一种干涉仪,假如设置妥当,能够帮忙镜面进行准确的丈量,检测出回射光线弱小的差异。
零校对器。图源:《寻求准确》
详细来说,零校对器内的两个反射镜中,靠下的那个反射镜与其底部透镜之间的间隔是需求进行准确丈量的,这是保证零校对器本身准确的要害,但在丹伯里市设备中的那台校对器中,这段间隔却恰恰不准确,而不准确的产生,源于一个清楚明了的过错。
为了设置零校对器下反射镜和底部透镜之间的间隔,需求1根长度准确的金属棒,因而要先制作、丈量并切开3根这样的金属棒(2根作为备件),这些金属棒由热膨胀系数十分低的殷瓦合金制成。然后将其间一根金属棒设备在零校对器内,并且用激光来校验间隔。一名技能人员运用特制的显微镜和激光干涉仪,把透镜调整到适宜的间隔上,使之终究能够正常地发挥成效。为了让这项作业更具有可操作性,技能人员在金属棒的顶部设备了一个特别的导向盖,盖上有一个与激光束巨细相同的孔,便于指示激光器应该瞄准的方位,辅佐技能人员用激光准确射中金属棒的一端。
为了防止误导技能人员,导向盖上覆盖了一层阻挠激光反射聚集的涂层,以保证激光无法聚集在导向盖上。成果,导向盖上的涂层现已磨损了,虽然仅仅一小部分,但仍是成功导致了激光聚集,并反射了回来,所以技能人员丈量的长度不仅仅是金属棒的长度,还涵盖了导向盖这一部分的长度,而导向盖的外表,正比方金属棒的顶端高出1.3毫米,激光干涉仪丈量出来的间隔就此毫无准确度可言了。
本来透镜应该设备在与激光器相对应的方位上,而现在固定镜头用的支架忽然多出了1.3毫米。为了让干涉仪正常作业就需求把这个支架下降1.3毫米,而由于工期的原因,没有时刻再定制一个新的支架了。
技能人员很快就有了处理问题的方法。他们找来3个家用垫圈,用锤子把它们砸平,做成一个1.3毫米高的小夹层,垫在镜头的上方,这样就把透镜相对下降了1.3毫米,组件之间的相对方位康复了正常。
技能人员把这台零校对器放在望远镜镜子上方的方位,并运用这台电子设备精细的特性,让工程师对反射镜进行了屡次丈量,终究使哈勃望远镜的主镜在尺度、形状和装备上,彻底符合了NASA的要求。但事实上,他们参照的是一个有严峻缺点的零校对器。
NASA之所以能在查询中发现这个问题并查明原因,正是由于珀金埃尔默公司把这台失准的零校对器原封不动地留在了试验室里,并且试验室也在后续的近10年中没有产生什么改变,坚持了当年对镜子进行终究丈量时的姿态。
这台失准了的校对器天然也导致了严峻的结果:由于校按时金属杆顶部的细小差错,零校对器在后续运用中,在校准主反射镜形状的时分产生了差错,使得主反射镜的边际部分比抱负情况中愈加平滑了一点,虽然这一点只要2.2微米那么多,这就是广为流传的“导致哈勃望远镜失准的,是一个只要人头发丝直径1/50的差错”这个说法的来历。
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当工程师洗澡时,他在想什么
仅仅是由于纠正用的金属棒的盖子上少了一块油漆,加上一群饱尝精细加工的摧残却又粗枝大叶的技能人员,再加上因预算窘迫而想方设法省钱的管理人员……这一系列要素终究导致了后果。
哈勃望远镜有必要修补,从理论上讲,通过加装起到纠正效果的附加光学体系,应该能处理首要问题,但怎么把纠正设备放进去呢?即便NASA最修长的宇航员,也无法进入主反射镜的管道中。
一名叫吉姆·克罗克(Jim Grocker)的工程师在洗澡时,想到了方法。其时,克罗克是哈勃望远镜项目中的一名高档光学工程师。当得知哈勃望远镜呈现严峻问题时,他赶赴德国,参加欧洲航天局主办的研讨会。
会议完毕后,克罗克洗了个澡,他掉以轻心肠盯着一个常见的淋浴器上的部件看,那个部件由于镀了铬,在热气升腾的澡堂中闪闪发光。随后,他又洗了一次澡,这次是为了调查部件的结构和原理。
淋浴喷头被固定在一根1英寸厚的笔直方向的金属杆上,金属杆上有一个能够滑动的夹钳,夹钳是用来固定喷头的,喷头本身能够跟着夹钳升降并固定在特定方位上,以满意不同身高和需求的客人。此外,跟着夹钳上下移动,淋浴头本身也能够上下左右进行旋转视点的调整,这样淋浴者就能够冲刷头部、膀子以及身体其他当地。
“为什么咱们不能在修补哈勃望远镜的时分也选用这样一个能够滑动和翻开的支架呢?”克罗克设想把望远镜的校对光学元件装到这样一根杆子上,然后把这些元件折叠起来,当这些元件伸到正确的方位时,元件就会主动翻开并发挥效果,就像淋浴头相同,然后完结批改作业。
哈勃望远镜带着了5个首要的仪器包,因而需求5个修补设备。每一个修补设备的功用都相同:远方的星光先入射到主反射镜上,然后反射到副反射镜上,此刻光束将会穿过主反射镜的镜孔,并在主反射镜后边成像,但由于主反射镜存在瑕疵,主反射镜后边接受星光的科学仪器的方位便不再抱负,呈现了类似于近视眼的情况,此刻纠正设备会干涉从副反射镜反射回来的光线,使科学仪器接受的星光从头变得明晰,就像佩戴了一副隐形眼镜。通过这样的调整,再从头装备驱动程序、更新科学仪器算法,从头聚集,进入哈勃探测器的各种来自远方的星光成的像,就会像反射镜从来没有出过问题相同,完美而明晰。
克罗克的方案好像简略有用,咱们敏捷投入修补设备的规划制作作业之中,这个设备被命名为COSTAR,全称“空间望远镜轴向光学矫偿套件”。之所以称之为“轴向”,是由于这个部件正好安置在主反射镜后边,效果于在望远镜轴线方向上传达的光束。从根本特点的视点来讲,这个光学套件的标准与哈勃望远镜上现已装备的部分仪器彻底相同,因而,原有的4个轴向探测器中最不重要的一个——高速光度计就有必要被卸下来,给纠正套件腾方位。
这套补偿体系一共有10面纠正镜——只要10美分硬币到25美分硬币的巨细,不过镜子的翻开方法不像淋浴头那样单向向外旋转。真实投入修补运用的支架是一个塔形的设备,而纠正镜就在“塔”尖上,从塔尖向外辐射,水平方向相对方位的差错有必要操控到至少百万分之一米的程度,以便能够正确接受哈勃望远镜从现有的两个反射镜传导而来的光线。
还有一个问题,哈勃望远镜带着的部分科学仪器正被方案更新的设备替代,这些仪器要么是由于本身问题呈现了毛病,要么是被主反射镜相关的问题拖累了,比方一台耗资巨大的广域行星相机,它在哈勃望远镜的弯曲面以开槽的方法刺进望远镜主体之内。在方案中的5次用航天飞船进行的修补作业中,地理学家一向在考虑用一个改进过的广域相机来替换上一代。机遇来了,哈勃望远镜的工程师团队能够凭借这次使命一起履行两个至关重要的部件替换:用空间望远镜轴线光学矫偿套件替换高速光度计,并设备替换新的广域相机内置光学纠正设备,以补偿主镜中的差错。
现在所需求做的全部,就是让宇航员到太空中对哈勃望远镜进行修补。假如修补使命按方案进行,全部问题都将方便的解决,假如修补期间有人不小心碰到了不应碰到的设备,哪怕仅仅悄悄的一触,无论是碰到了光学矫偿套件,仍是替换后的广域相机上的光学镜片,都会使哈勃望远镜再次失焦。
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极限“太空行走”
猛进号航天飞机担任履行这次要害的修补使命,航天飞机小组将这次使命命名为STS-61,哈勃小组则将其命名为HSM-1,这是哈勃望远镜榜首次保护使命的缩写。
1993年12月2日,猛进号带着处理方案和专业设备(其间包含大约200个为这次使命特别定制的东西),在佛罗里达州黎明前温暖的黑夜中顺畅升空。通过足够的预备,这次修补之旅注定要把这台“在太空的永夜中瑟瑟发抖的、两眼昏花的”望远镜从噩梦中解救出来,为其在地球邻近的轨迹上持续44个月毫无意义的流浪画上句号。
广域相机和光学矫偿套件就在航天飞机的货舱里,为了进行必要的批改,修补方案把“太空行走”的时刻长度加到了极限。获准进行出舱修补的宇航员很清楚地知道,哈勃望远镜上设备了31个脚限位器和60米长的舱外扶手,航天员也带来了自己的固定锁扣,以及很多的系绳,以保证没有作业人员或是设备落入无尽的太空之中。
【注:“太空行走”指的是太空舱外活动,NASA至今仍用“太空行走”来称号舱外活动。】
在猛进号履行使命的第三天,宇航员们用功能强壮的双筒望远镜发现了哈勃望远镜,并在间隔其18米远的时分,伸出了由加拿大出产的机械臂,抓住了13吨重的哈勃望远镜(在太空之中,哈勃望远镜几乎没有分量),渐渐地把它拖进了航天飞机巨大的货舱之中。
随后,7名机组人员开端了一系列“太空行走”,以履行修补使命分配给每一名宇航员的详细作业。1号舱外作业包含替换3个(一共6个)呈现毛病的陀螺仪,这次舱外作业也有助于让修补团队习惯他们所修补物体的巨细和规划。他们现已为此练习了11个月,在练习水池中履行各式各样的模仿使命,以习惯太空中失重的作业环境。
2号舱外作业的内容是让2名宇航员批改并替换望远镜中受损的太阳能电池板,听说正是损坏的太阳能电池板导致哈勃望远镜颤动。第二天,团队要先移除旧的广域行星相机,再换上新的。新的广域相机组件依托精细加工,顺畅滑入方位,每个部分都与它的长辈4年来一向作业的当地相匹配,连内部预留的一些弯弯绕绕的当地也都能做到严丝合缝地结合。
这次修补使命的高潮部分也没有呈现任何严峻问题:拆除了巨大的高速光度计,取而代之的是尺度相同但用处彻底不同的“空间望远镜轴向光学矫偿套件”。珀金埃尔默对自己的无能感到羞耻,这家公司没有参加制作这个新的纠正镜。来自科罗拉多州的波尔航空公司(前身是一家制作果酱保鲜罐的闻名公司)赢得了NASA的垂青和信赖,并签署了合同。波尔公司做得很好,全部的丈量都很准确,全部的适配都很有代表性,全部的公役也都符合要求。设备新的光学组件只花了不到1小时,在全流程中几乎何足挂齿。
终究,作业人员花了1天的时刻对哈勃望远镜进行终究的微谐和测验,并对其外壳进行润饰,这样它就能够再次投入作业了。
在对哈勃望远镜进行终究一次调试之后,猛进号宇航员翻开了望远镜前面的顶盖,然后将机械臂连接到哈勃望远镜上,十分小心肠将其从货舱中抬出来,“翻开锁簧,松开缆绳!”现在,哈勃望远镜依然以每小时约2.7千米的速度环绕在地球轨迹上,但由于宇航员对其轨迹进行了细微的调整,现在的它作业愈加安稳,持续着近乎永无止境的旅程。
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最绵长的3秒钟
哈勃望远镜的修补进行得顺畅吗?哈勃望远镜失灵的为难情况完毕了吗?这一特殊的望远镜能否真实按预期完结科研价值呢?全部的目光都回到了地球外表NASA戈达德太空飞行中心的操控室里,那里的作业人员将持续担任望远镜的相关作业。更要害的是,在坐落巴尔的摩的约翰斯·霍普金斯大学的太空望远镜科学研讨所操作中心,地理学家将下载并解析新的图画,并由此很快得知哈勃望远镜及他们自己团队所在的境遇。
1990年,伴跟着初夏的榜首缕曙光,哈勃望远镜成功升空,为太空望远镜的前景带来了期望。到1993年12月18日,间隔哈勃望远镜发射升空现已过了大约1300天,迎候第二道期望之光的却是冬日的夜晚。
在太空望远镜科学研讨所的操作中心,一位地理学家指令哈勃望远镜内部细小的机载电机以旋转的方法让空间望远镜轴向光学矫偿套件内部的纠正镜伸翻开来,并将这些纠正镜设置到准确预留的方位上,纠正镜随即开端批改哈勃望远镜内部的光束。地理学家还翻开了广域相机的快门,而广域相机内部自带奇妙安置的光学校对器。此刻,NASA戈达德太空飞行中心操控室内的世人满怀期望地把巨大的望远镜指向深空中可能会拍到丰厚印象的区域。图画渐渐从显示器的顶部向底部翻开。
爱德华·韦勒也在焦急地等待着,和房间里的其他人相同,眼睛紧盯着屏幕,接下来加载图画的3秒钟,是他一生中经历过的最绵长的3秒钟。
忽然,房间里爆宣布炽热的掌声,屏幕上的图画现已加载完结,在全部人面前展现了一个绚烂星海的生动场景,全部星星的聚集都很适宜。一颗星,一个像素,这说明明晰度现已达到了显示器的极限。正如前辈们期望的,哈勃望远镜为人类带来了在地球外表架起的任何光学望远镜都无法对抗的精细印象。
这是由于,在地表,即就是在空气最淡薄的当地,大气仍旧厚重。地表气流扰动较多,并且大气中有不少污染物,大气中的分子与从太空中传来的光线彼此影响,使得地表的地理望远镜的成像歪曲得很凶猛。而哈勃望远镜身处间隔地表约640千米的高空,远在对流层、平流层和中间层之上,这里是被称为外大气层的当地,偶然有氢分子飘过,没有空气,天然没有空气带来的图画畸变。
哈勃望远镜的故事仍在进行中。在榜首次修补后,工程师们又对哈勃望远镜进行了4次太空修补作业,每次使命都为其带来技能上的晋级,注入新的生机。在履行了一个又一个使命后,哈勃望远镜的公众形象逐渐提高,成为群众心目中“勤奋作业的老黄牛”“NASA最巨大的空间望远镜”。现在,哈勃望远镜因其长时刻在轨的时刻,成为太空中受人敬重的长者,即便不再有新的太空修补,它仍旧能够在太空中飞翔良久,有人预期它至少能飞到2030年,乃至能在2030年的基础上再续上10年。
固然,这面8英尺高的望远镜算不上完美,但它捕捉到了很多的国际珍惜画面,将光年对岸的美景生动地呈现在人们眼前,令科学家们和一般地理爱好者都啧啧称奇。
库叔荐书
湛庐文明
《寻求准确》
准确,不仅从源头上“界说”了现代国际,更一步步“刻画”了现代国际。比如今天炽热的智能制作,就是由咱们对准确的不断寻求所构建起来的。本书是一部250年精细制作的沧桑剧变史、一部恢宏的机械交响史和一首激荡人心的智能制作交响曲,是关于人类不断迫临准确极限的发明史、立异史。