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1805年10月20日，由加的斯出海的法西聯合艦隊繼續向南航行，並試圖穿越直布羅陀海峽。在獲悉敵艦隊動作後，納爾遜向英國艦隊發出“向東南方全麵追逐”的信號。值得一提的是，“這一天結束時沒有戰鬥，臨近日落時風向改變，德維爾納夫得以率艦隊直朝直布羅陀行進”。
不過，即將到來的特拉法爾加海戰的形勢卻發生了轉變，英國人的“攻勢回歸”意味著法國人處於防禦狀態。拿破侖隻能孤注一擲了，他固執地相信德維爾納夫能突然變得聰明和勇敢起來（其實他已經別無選擇）。但是，海軍大臣德克雷卻倍感悲觀。為了說明這一問題，我們來看他寫給拿破侖的一封信中的部分內容，在科貝特的《特拉法爾加戰役》一書裏也有記載：“擁有航海知識對我來說真是一種不幸，我無法用它對陛下您的計劃造成影響，它則讓我對此毫無信心。是的，陛下，我的職位實在太令人痛苦了。我責備自己無法說服您，但似乎任何人都無法說服您。我懇求您為海軍行動成立一個討論會，成立一個海軍參謀部，那或許更適合於您。一位在海軍的各個方麵都對您言聽計從的海軍大臣勢必無法正常地履職，即使不變得有害，也無法對您軍隊的榮譽做出任何貢獻。”
德克雷的這番言辭可謂忠誠又明智，甚至聽起來讓人心碎。有意思的是，拿破侖一開始並未將失敗歸咎於德維爾納夫，他坦率地承認了自己的錯誤。隻是他的一番話實在讓人感到費解，他說：“我從未料到奧地利人竟是如此頑固，不過，我在一生中常常犯下錯誤，我並不會因此而感到羞愧。”239
決定雙方命運的是1805年10月21日這天清晨。當時海麵上一陣微弱的偏西風吹起，這看似平靜的時刻即將在破曉之後被打破。
一旦視線較為清晰，一場大海戰就開始。“在特拉法爾加角以西12海裏處，雙方艦隊都清楚地出現在視線之內了。隨後，英國艦隊開始按計劃分成兩股進攻縱隊”。
聯合艦隊的指揮官德維爾納夫處於緊張狀態240，為了便於船隻逃離，就必須讓艦隊處於加的斯港的下風位置。為此，德維爾納夫在8時左右就下令立即調頭，試圖借助風勢轉動艦尾而非艦艏。不過，“這一航向改變方式在風勢微弱時更易操作，但由於行駛距離遠，因此耗時極長”。一個統帥還未正式開戰就想著如何逃離，無疑是自亂陣腳的表現。德維爾納夫的這一命令是他在這場海戰中犯下的諸多錯誤中的一個，本來法西聯合艦隊已經校對好航向，他的這道命令頓時給艦隊造成了混亂。有一部分戰艦率先完成了轉向，而剩下的船隻因為動作緩慢而未完成轉向。因此，前者隻能收帆或向後調帆，以便在隊列中留出航行區域。“現在它們在所處位置上幾乎一動不動。之前的後衛艦隊現在變為前衛艦隊，並且與中央艦隊拉開了一定距離。”
按照阿內爾·卡斯滕和奧拉夫·拉德的描述：“現在的後衛艦隊超越了西班牙海軍上將費德裏科·卡洛斯·格拉維納-納波利（Federico Carlos Gravina y Nápoli）分艦隊的部分戰艦，於是出現了一道滿是缺口的弧形陣線，寬2～3艘船，長約4海裏。這樣，由於集中的戰艦減少，射擊進攻者的側舷炮火力也被減弱。雪上加霜的是，本來就很微弱的海風風向又變得不穩定，給船隻繼續行動造成困難。如果德維爾納夫指揮艦隊繼續向南航行，也許納爾遜的艦隊就因風勢微弱而無法趕上了。但德維爾納夫再次錯過了逃脫機會，他就這麽把勝利盛在銀盤子裏端給了納爾遜。”241
朱利安·科貝特認為，法西聯合艦隊的“麻煩還遠未結束，強風已在夜間消歇，繼之而來的是從西北角吹來的不斷偏轉方向的微風。英軍最初得到的是足夠強的西北風，但聯合艦隊得到的風勢較小，其風向還在西南偏西和西北偏西之間不斷變化。與此同時，一般強大的海潮從西方湧來，這使得艦隊行動變得更加困難。於是，在聯合艦隊開始重組陣型時，他們的秩序愈發混亂，已完全看不出任何陣型的外觀”。不過，“由於隻能靠風力航行，英國方麵同樣要麵對一些組成戰鬥隊形的困難”。這時候，彰顯皇家海軍能力的時候到了，他們以組成兩路縱隊的形式克服困難：一路縱隊由科林伍德率領，一共14艘戰列艦；另一路由納爾遜率領，一共12艘，因為有1艘艦在夜間航行時偏離過遠。這兩人的有效協作堪稱典範，即便在當時不利的海上環境麵前，他們的表現也是讓人滿意的。
對法西聯合艦隊而言，雖然現在處於更為不利的局麵。但海上的氣候有時候對敵我雙方都是一樣有利有弊的。英國人試圖加快向敵艦衝擊，但受製於海上的風勢，無法得到有效施展。在風勢的作用下，法西聯合艦隊的戰線呈略向內凹的形狀，這就使得納爾遜的上風縱隊隻能與科林伍德的縱隊保持略遠的距離，自然無法在進攻時間上精確地達到一致。於是，特拉法爾加戰場上出現了很有意思的一幕：英國人利用接敵前的大量時間自娛自樂起來。軍官們要麽在寫信——畢竟離家的日子還是比較長了，海上的日子並不好過，讓人感到孤獨，對親人的思念倍增；要麽換上新的服裝——特別是受了傷的，舊衣服更容易讓傷口感染。至於水兵，他們互贈財物，喝上也許是生命中最後一口格羅格酒（Grog）242，有些人甚至跳起了角笛舞243。
納爾遜則記下了他最後一點想法，內容竟然與他的紅顏知己艾瑪·漢密爾頓（Emma Hamilton）有關。這是他於1793年9月在那不勒斯王國（當時與英國結盟）邂逅的一位夫人，艾瑪·漢密爾頓是當時英國駐那不勒斯使臣、著名的古玩收藏家威廉·漢密爾頓爵士的夫人。兩人一見鍾情，很快就墜入愛河。為了這位紅顏知己，他竟然直言不諱地寫信給自己的妻子弗朗西斯（Frances "Fanny"，昵稱“範妮”），在信中，他將艾瑪·漢密爾頓描述成“世上最令人驚訝的女子之一……她是她家族的飾品”。妻子在知道納爾遜的婚外情後，雖然選擇了原諒，但是納爾遜還是離開了她。由此可見，納爾遜是一個多情種。在他臨死前還念叨著叮囑艦長托馬斯·馬斯特曼·哈迪（Thomas Masterman Hardy）：“別把我拋下船。照看我親愛的漢密爾頓夫人，哈迪，照顧可憐的漢密爾頓夫人。吻我，哈迪！”艦長看著他，然後俯下身子滿足了納爾遜的遺願。最後，他低聲說道：“現在我滿意了！感謝上帝，我恪守了自己的職責！”244
按照卡斯滕和拉德的描述：“11時左右，英國艦隊距離敵艦隊隻有2～3海裏遠了，但是又過了約1小時才進入有效射程。這時，納爾遜向所有戰艦升起了著名的‘英格蘭期盼’旗號。12時剛過，他又發出了一個旗號‘再近一些接敵’。這是納爾遜對艦隊發出的最後一個旗號，一直保持到戰鬥結束。德維爾納夫已於11時30分下令開火，法艦‘火熱’號（Fougueux）決心為艦名爭光，對接近中的英艦實施了第一次遠程射擊。”隨後，“法西聯合艦隊其他戰艦也開始了射擊”。
特拉法爾加海戰真正爆發了！
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法西聯合艦隊一開始表現得並不示弱，畢竟他們的艦船數量多於敵人。在長達半小時的射擊裏，英艦隻能用艦艏火炮還擊。因此，法國人占據了一定的主導權。倘若在這段時間內，作為指揮官的德維爾納夫能擁有一支射擊快速且精準的炮兵，聯合艦隊就可以完全粉碎納爾遜美妙的進攻計劃。但事實上，聯合艦隊的側舷炮火始終徒勞無功。從這個層麵來講，法國人在特拉法爾加海戰中的失敗，不能完全歸咎於德維爾納夫，他麵對的是一幫素質參差不齊且能力較為低下的士兵，無法在戰陣、防禦和攻擊中做到較為有效的配合。不過，作為一名艦隊指揮官，他有責任和義務了解屬下的情況。事實恰恰相反，一種比較中肯的解釋就是德維爾納夫消極指揮作戰，他內心討厭這場戰爭。
科林伍德的縱隊打了20分鍾之後，納爾遜率領的縱隊終於在午後與法西聯合艦隊戰列相遇。這時，納爾遜對“勝利”號艦長托馬斯·哈迪大聲喊道：“瞧瞧偉大的科林伍德是怎麽駕艦作戰的！”科林伍德也差不多同時對他的旗艦艦長愛德華·羅思拉姆（Edward Rotheram）說：“要是納爾遜現在在這兒就好了！”245
這番喊話從某種程度上反映了兩人的默契，也表明了兩支艦隊若協同起來，就會產生巨大的能量。果然，當科林伍德的旗艦“王權”號在極近的距離以最快的速度接近西班牙戰艦“聖安娜”號（Santa Ana）後，立刻用裝填雙倍彈藥的側舷炮向敵艦進行射擊，效果非常明顯，西班牙人傷亡慘重。
“勝利”號衝入敵艦隊中央戰列後，緊隨其後的還有“魯莽”號（Temeraire）和“海王星”號（Neptune）。這表明納爾遜率領的艦隊能與科林伍德率領的下風縱隊聯合作戰了。納爾遜的想法是，通過炮擊，“在西班牙戰艦‘聖三一’號（Santísima Trinidad）和法國旗艦‘布森陶爾’號（Bucentaure）之間打開一個缺口”。這是因為“‘聖三一’號是當時世界上最大的戰艦，有四層甲板，裝備112門火炮，火力強大”。
“聖三一”號的艦長是西班牙海軍少將巴爾塔薩·伊達爾戈·德西斯內羅斯（Baltasar Hidalgo de Cisneros），他似乎看出了納爾遜的意圖。他已經盡量縮小與前方“布森陶爾”號之間的距離，卻無法阻止“勝利”號經過這艘法國旗艦的船艉。於是，納爾遜旗艦側舷炮發出的第一波猛烈射擊效果十分顯著，炮彈掠過甲板，給予敵艦很大的殺傷，尤其是火力強大的68磅加倫炮使許多法國人命喪當場。很快，越來越多的戰艦加入戰事，似乎在一瞬間就演變為一場混戰。
讓人覺得不可思議的是，直到這時，德維爾納夫才冒著彈雨命令前衛艦隊指揮官皮埃爾·迪馬努瓦爾·勒佩利（Pierre Dumanoir le Pelley）海軍少將投入戰鬥。可惜，這位前衛艦隊指揮官“起初並沒有對信號作出反應，仍從容不迫地率領艦隊向北航行，就此遠離了真正的戰鬥”。這是讓法國人倍感遺憾的一件事，一種說法是“如果前衛艦隊迅速趕到，戰事結局會是怎樣就難說了”。
納爾遜的“勝利”號正遭受法艦“海王星”號（與英艦同名）的猛烈打擊。與之同時，正在靠近的法艦“敬畏”號（Redoutable）也對“勝利”號進行了攻擊，直到“敬畏”號喪失全部桅杆後才放棄攻擊。其艦長讓·雅克·艾蒂安·盧卡（Jean Jacques Etienne Lucas）後來成為法國的大英雄，他在特拉法爾加海戰中表現最英勇。遭到圍攻的“勝利”號試圖繞到“布森陶爾”號的側翼，結果失敗了，因為“敬畏”號從側後方將其緊緊貼住。情況萬分危急，若不是“勝利”號的甲板高出對方很多，法國人差點就登上“勝利”號了。即便如此，“敬畏”號上密集的火槍射擊也給“勝利”號造成了慘重損失。如果從上空俯視，就會清晰地看到：法國狙擊手坐在桅杆上肆意地捕捉著“勝利”號甲板上的目標。
這是一個非常重要的節點，因為納爾遜即將走到生命的盡頭。在“勝利”號投入戰鬥近1小時後，即13時15分左右，“一位狙擊手在‘敬畏‘號的槍樓上認出了納爾遜的軍銜標誌，並用火槍向他射擊。子彈擊中了他的左肩，撕裂了肩章和軍裝上衣，打穿了肩胛骨、肺部和脊柱，最後卡在背部肌肉中。受了致命傷的海軍中將被抬進了船艙，艦長托馬斯·哈迪則在‘勝利’號上代為指揮戰事”。不久，“魯莽”號趕來支援“勝利”號，從另一側非常有效地攻擊了“敬畏”號右舷，“敬畏”號上的法國水兵當場陣亡超過200人，但是這對於納爾遜本人來說為時已晚。身受重傷的他在戰列艦戰鬥中最安全的位置——甲板的最下層接受隨艦軍醫的診治。“大家試著同他說些鼓舞人心和充滿希望的話，但納爾遜勳爵已經很清楚醫生確診的結果——他沒有生還希望”。
海上的戰事越來越激烈，按照英國曆史學家彼得·沃裏克（Peter Warwick）在《來自特拉法爾加海戰的聲音》（Voices from the Battle of Trafalgar）中的描述：“濃密的煙霧中到處都閃著火光，爆炸聲不絕於耳；很多戰艦幾乎已經沒有船艙了，被濃密的硝煙包裹著；有些對手擦肩而過卻毫無察覺，或者偶然地陷入廝殺；海上到處漂浮著殘骸碎片與屍體。‘敬畏’號艦長讓·盧卡後來說，根本不可能描述英國人要命的側舷炮造成的恐怖景象。不到半個小時，他的戰艦就被打得稀巴爛，艦上所有火炮都被摧毀，到處都散落著屍體與船體碎片。他的643名船員中有300人死亡，222人受傷。”
戰事繼續進行，德國曆史學家阿內爾·卡斯滕和奧拉夫·拉德認為，之後的作戰基本上是英國艦隊完全掌控主導權：“身處‘絕妙’號（Formidable）上的迪馬努瓦爾·勒佩利少將終於決定率領他的前衛艦隊調頭返回。但由於風勢微弱，船隻航行和調頭極為艱難，必須放下小艇拖動巨大的船體轉向。就在迪馬努瓦爾·勒佩利和他的分艦隊好不容易朝著中央艦隊方向駛來時，多艘英國戰艦已排成一列，準備抵禦其反擊的威脅。於是，這位法國海軍少將承認戰敗，並逃離了戰場。皇家海軍‘非洲’號（Africa）在戰鬥之初就跑到了聯合艦隊的前衛艦隊附近，因而未經惡戰。‘海王星’號和‘聖奧古斯丁’號（San Agustin）尾隨其後，它們是西班牙前衛艦隊少量艦隻中的兩艘，這支艦隊還成功地趕往中央艦隊提供支援。‘非洲’號艦長亨利·迪格比（Henry Digby）操控戰艦駛入濃密的硝煙中，他認為‘聖三一’號已經降下了軍旗，至少能辨認出其巨大的船體。於是，他派出一艘小艇，載著一支小分隊前往這艘西班牙戰艦接受投降。”246
這場海戰過程中值得一提的還有三方麵的內容：一是法國戰艦“阿希爾”號（Achille）的彈藥艙突然發生爆炸，整艘戰艦瞬間被撕裂；二是表現最為英勇的“聖三一”號被好幾艘英國戰艦包圍了數小時，“艦上的西班牙海軍少將德西斯內羅斯最後也不得不降下了軍旗。這時，身負致命傷仍繼續指揮戰鬥的西班牙海軍上將格拉維納向所有尚能接受命令的戰艦發出停戰信號”；三是法國海軍中將德維爾納夫一直都在受到重創的“布森陶爾”號上，卻奇跡般毫發未損。但麵對災難性的局麵，他還是宣布投降並成為階下囚。
這場海戰，英國人勝利了。
隨後，托馬斯·哈迪艦長把戰役結束與英國獲勝的消息告訴了瀕死的納爾遜。
雖然英國艦隊贏得了戰役勝利，且未損失一艘艦船，但許多英國艦船嚴重受損，比繳獲的幾乎被打殘的敵艦好不到哪裏去。就連科林伍德也不得不用另一艘船來替換幾乎被打成空船殼的“王權”號，納爾遜死後，他成為遭受重創的英國艦隊的司令。
接下來，讓英國人擔憂的事情是海上風暴即將來臨，這讓剛經曆了激烈戰鬥的艦隊幾乎沒有什麽休整時間，也讓科林伍德就“繳獲的17艘法西聯合艦隊戰列艦上的上千名俘虜如何安置”的問題感到頭疼。實際上，科林伍德已經別無選擇了，“因為很快就會遇上陸地，所有戰艦都會撞碎在海岸邊，他必須率艦隊遠離陸地，繼續向海洋進發”。
海上風暴差一點就讓英國艦隊全隊毀滅。“在不得不砍斷錨繩之後，被繳獲的價值超過100萬英鎊的戰艦在風暴中顛簸著。‘聖奧古斯丁’號和‘聖三一’號載著數百名船員沉入海底，‘敬畏’號與‘布森陶爾’號的下場也是一樣”。247
一周後，英國艦隊才進入安全海域。
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特拉法爾加海戰中，“英國艦隊陣亡或失蹤449人，受傷1204人；西班牙艦隊死亡1000人，受傷近1400人；法國損失超過3000人，超過1000名水手受傷。法國和西班牙艦隊被俘總人數近萬人，不過，大部分人並非死於英軍炮彈下，而是葬身於風暴之中。水手們在船隻下沉或擱淺時溺亡”。
對英國而言，“特拉法爾加海戰標誌著皇家海軍尋求絕對統治海洋的一係列海戰達到頂峰。當時加速擴建的基地體係確保了海軍在世界範圍內的行動自由。除了裝備火炮的戰列艦，這一海洋強權政策主要是建立在技術知識的學習與應用上，例如測定經度、海路製圖或者對壞血病的遏製”。
作為世界範圍內最具決定性的會戰之一，這場海戰讓英國人最終統治了海洋。“它不僅使不列顛群島免遭入侵，而且建立了一道延伸到世界兩端的防線；它不僅摧毀了法國的海軍力量，而且通過確保地中海與通往東方的基地，使得拿破侖海軍的任何複蘇都無法再對英國的海外領地造成嚴重威脅。”248
而小威廉·皮特的戰略的正確性也體現於此，1806年1月中旬，貝爾德的部隊完全占領了開普敦，加之西西裏島已在掌握之中，這兩者結合在一起使得大英帝國堅不可摧。
海洋已經提供了它能提供的一切，剩下的就看英國人如何去經營了。對法國人而言，在特拉法爾加海戰中的失敗，雖然失利於海洋，卻主宰了歐洲陸地。對此，朱利安·科貝特在《特拉法爾加戰役》中寫道：“如果英國對抗的是拿破侖之外的任何人，如果英國的盟友是普魯士之外的任何國家（在盟約國中，普魯士未能發揮出應有的作用，某種程度上講，普魯士拖了後腿），它都會贏得比這多得多的成就。”
1805年的特拉法爾加海戰的另一個意義在於，法國人在1803年將路易斯安那賣給了美國。這種影響力會在之後愈加明顯，美國因為有了這塊地，使其擴張的麵積約占今日領土的三分之一。這預示著“美國的海軍將在20世紀下半葉成為世界最強大的海軍”。因此，曆史的諷刺在於，如果英國的海上霸權使其擁有了路易斯安那，或者說英國沒有脫離這塊殖民地，在皇家海軍的優勢下，美國海軍的崛起可能路途更加漫長。
至於在這場海戰中創下奇跡的納爾遜，除了成為人們津津樂道的英雄人物，他那有名的“英格蘭期盼恪盡職守”的旗語也已經影響深遠，一個明顯的證據就是，“19世紀的美國海軍和20世紀初的日本海軍都在海戰中使用過這類旗語信號”。