木匠发明经度测量(转载自科学网史永文)_风闻

木匠发明经度测量

  在北半球测纬度是很方便的，只要测北极星在该地的高度角就可以了（中国古代叫北极出地多少度）。但是测经度就不是那么方便了，一位木匠（你没看错）用毕生精力研制精确的航海钟成功后，测经度的问题才最终解决了。这段历史颇为有趣，不妨仔细看看。

  相当长的时间里，人类只会运用纬度导航；甚至，连哥伦布跨越大西洋发现美洲，也是沿纬度航行。经度测算之难，在麦哲伦航海日志中也能见到。据船队抄写员皮加费塔记载，“麦哲伦船长花了很长时间研究经度问题，但领航员们很满足他们获得的纬度信息，都不愿提起经度这码事”。古代航海通常是靠测量航速和其他办法来估算船的相对经度。

  1707年（清康熙四十六年）的英国舰队大海难，再度引发了商人与海员的请愿，吁请政府尽快破解经度难题。事实上，为经度所困惑的又何止英国。早在1666年（清代康熙五年），法国王室就在巴黎建立了旨在破解海上经度难题的天文台。10年后，英国才在泰晤士河南岸格林尼治村的一座小山上建立了皇家天文台，命天文学家弗拉姆斯蒂德（也是第一任皇家天文官）“以最大的耐心，修正天体运行表格，从而完善航海技术”。就在各国天文学家夜以继日地绘制星表之时，海上仍不时传来因无法精确导航而造成海难的坏消息——丧钟为经度而鸣。

  经度难题的迫切性，使得西班牙、意大利、荷兰、英国等欧洲航海大国，不得不在修建天文台的同时，又以“重赏之下必有勇夫”的思路，开出高额赏金，以求取得突破性进展。1714年（康熙五十三年），英国国会通过了《经度法案》。以法律的名义宣布：任何人只要能找出在海上测量经度的方法，误差在1度以内的奖1万英镑；误差在2/3度以内的奖1.5万英镑；误差在半度以内的奖２万英镑（２万英镑，相当于一位船长200年的收入）。  经度的攻坚大戏，由此进入高潮。

小木匠，用时间确定空间  

“重赏之下”的那位“勇夫”，出生在英国约克郡（与伟大的库克船长是同乡）的一个世代做木匠的普通人家。他是家中的长子，父亲自然把精湛的木工技艺全传授给他。但这个木匠的孩子却没有把它用到制造家具和房屋上，而是以细木工的手艺，造出一台完全由木头制成的摆钟。当时他才19岁，没人能料到历史将记住他的名字：约翰·哈里森。

  说到摆钟，有必要在此插入一段钟表简史。哈里森虽然是钟表制造史上的一尊神，但他并不是发明钟表的人。1582年意大利的伽利略发明了重力摆；1657年（清代顺治十四年）荷兰的惠更斯把重力摆引入机械钟，创立了摆钟；随后又将摆轮游丝组成的调速器应用在可携带的钟表上；1715年，英国的格雷厄姆又发明了静止式擒纵机构，为发展精密机械钟表打下了基础……没有什么史料说明木匠哈里森为什么要放弃木匠改当表匠，历史只记载了他用钟表改变的航海史。

  1730年（清雍正八年），在经度局成立的第15个年头，也是牛顿去世的第３个年头。从木匠成长为优秀表匠的哈里森来到格林尼治，向经度委员会委员、皇家天文台第二任天文官哈雷（用他的名字命名的彗星似乎比它更出名）递交了一份解决海上经度测量难题的方案。

  哈里森一生都要感谢哈雷。虽然，哈雷认为经度问题是个天文问题，但这位爱喝酒的天文学家是一个心胸开阔的好人。哈雷不仅没否定哈里森，还为他引荐了英国的钟表大师乔治·格雷厄姆。而这位品德高尚的同行不仅支持了哈里森的设想，还从自己的口袋里拿出２５０英镑，作为哈里森方案的启动资金。

  这是一个用时间证明空间的方案：即将经度换算成时间。360度的地球，每24小时转动一周，每小时转动的1/24圈，即经度的15度。所以，航船与出发地之间，每相差一小时，就表示它的经度向东或向西移动了15度。再将经度换算成距离，赤道线上地球周长最大，这里15度的跨度约等于1000英里。而１度约合４分钟，其跨度约等于60海里（１海里约等于1.1英里，1.8公里），68英里（111公里）。因此，只要知道出发地和所在地的时间，就能推算出所在地的经度。

  既然，经度问题是时间问题，拿两块表到海上，问题不就轻松解决了吗？此前两个世纪，也曾有人提起过类似的方案。但直到18世纪，钟表在陆上仍不能准确报时，制造用于海上的时间机器，更是无人挑战。哈里森是第一位声称能造出航海钟，把出发地的时间不快不慢地带到海上任何地方的人（当地时间，依正午太阳最高点对时）。并将依此测出船在海上任何一地的经度。

  这是一个令人振奋的方案，也是一个充满挑战的方案。看一看经度委员会的委员构成，就知道当时应对经度课题的科学体系了。委员中有大名鼎鼎的牛顿、哈雷等天文大师，此外，还有著名数学家和航海家，这些人中没有一位懂得钟表技术。这样的委员会自然认为：只有天文学才能最终解决经度问题。

月距法，陷在旧框框里的天文大师

  我曾看过电影《经度》，像所有的文艺作品一样，带有着明显的倾向性：马斯卡林和经度委员会的专家都是以自大自私的丑角面目出现的。其实，研究经度史就会知道，这些人并非利用职权无“理”取闹。当年，连伽利略和牛顿这样的科学巨人都相信天文学是解决经度问题的唯一途径。英国第５任天文官马斯卡林所代表的也是几代天文学家都认的死“理”。 

   早期的天文学家都依据天文事件来测定经度。比如，预测了西班牙马德里午夜１２点月全蚀，而向大西洋西行的船队在当地时间晚上１１点看到了月全蚀。那么，就知道该地的经度在马德里以西１５度。这种利用天文事件确定经度的方法，确实为１８世纪的地面经度测量与地图绘制提供了准确的数据。但日蚀、月蚀和其他星蚀都不会每天出现，人们最终选择了最好观测的月亮，参考月亮与太阳的距离，月亮与某颗星星的距离及交汇时间，再参考发生同一事件的地点的时间，求出时间差，就可以测出船所在的经度了。  

   时钟法与月距法，都有理由向2万英镑奖金冲刺。  马斯卡林等人“靠天吃饭”的月距法，有着天然的弱点。一要必须要天气晴好，才有月可观；二要有事先绘好的精确的星历表。假设这些条件都具备了，要测算一次海上经度，至少也要4个多小时。  当然，哈里森的航海钟，也有它的成本弱点，制造价高达500英镑。这个价钱恰是当年英王建格林尼治天文台的费用。谁能买这样的航海钟呢？相比之下，一架高质量的六分仪，外加一本不很精确的“月距表”，加起来不到20英镑。  哈里森要降低航海钟的造价，马斯卡林要缩短月距的测算时间。  1760年(清朝乾隆二十五年)，哈里森向经度委员会交上几近完美的航海钟H4。1766年马斯卡林用人海战术，算出了1767年全年月距数据（每个月的星表就有１２页之多）并提前一年出版了《1767年航海年鉴》，把计算经度的时间从４个小时缩短到30分钟。  时钟法与月距法双方，谁更该获得那笔奖金？

航海钟，永不迷航的舵手 

 现在，说回哈里森和航海钟。得到钟表大师乔治·格雷厄姆那笔无息贷款后，哈里森花了５年时间终于造出了第一台航海专用钟H1号（后世以哈氏字头Ｈ来命名他的作品，并按１、２、３、４号排序）。现在H1-4号航海钟都完好地存放在格林尼治的航海博物馆里，供人们回望那段“经度的时钟史”：

 

 1米见方、重达34公斤的H1，至今仍在运转。那四个夺目的表盘分别标示着时、分、秒和日。它的伟大之处在于运用“蚱蜢腿”装置，使钟摆的摆动频率不受海浪颠簸的影响，从而成为真正航海钟。  哈里森是个匠人，更是个“犟人”。1736年往返里斯本的海上试验，证明了H1测量的经度比当时所有的方法都要准确，24小时内不差几秒钟。只有哈里森对H1提出了批评。他对经度委员会说，等造出了升级版的Ｈ２再来领奖金。5年后H2终于完工，哈里森认为还有可改进的地方，又一头扎入H3的研制。当H3完成时，他已60岁了。在等待H3测试之时，由于嫌它体积还是太大，他又次投入到新的研发之中。1760年(清朝乾隆二十五年)，当哈里森向经度委员会交出了他满意的H4时，距H1的诞生已过了30年。  时针、分针、秒针皆在一个表面上的H4，实际上就是一块不受磨擦、摇动、湿度和温度干扰的上一次发条就可走30小时的大怀表。1762年经度委员会让哈里森的儿子带着H4跨过大西洋到牙买加，经过S1天航行，H4总共慢了5秒（误差约等于3公里左右）。误差率远远小于经度委员会制定的半度之内（即24小时，误差不超过3秒，约等于50公里）的最严限度。  此时，月距法也进入了冲刺阶段。有着“裁判员”和“运动员”双重身份的经度委员会委员马斯卡林（3年后他担任了第5任皇家天文官）拒绝承认H4的准确性。要求再做H4的海上测试，同时要求请人复制出Ｈ４（经度法案规定，其发明必须是可复制推广的）。1772年，钟表匠肯德尔复制的H4（为了尊重肯德尔的功绩，后人称他为K1）被带上了库克的远洋船，驶往南极。在零度以下的寒冷天气中，复制的航海钟发挥了完美的功能。库克称赞它们是“不失误的向导”。一年以后，在英王乔治三世的亲自过问下，已经80岁的哈里森，终于得到了最高奖的余款8750英镑（扣除了以前支给他的部分奖金)。3年后一天，也就是1776年3月24日，像航海钟一样奇妙的哈里森，在83岁生日这一天，驾鹤西去。此时，航海钟的成本降到了70英镑左右，远洋船测经度驶入了航海钟的新时代。