人類是如何學(xué)會測量經(jīng)度的？

1707年10月，5艘英國海軍軍艦返回英國的途中，但因算錯經(jīng)度的問題偏航并導(dǎo)致4艘軍艦觸礁沉沒，一千多名官兵葬身大海。測量經(jīng)度并不是一個理論問題，而是一個工程問題。因為地球每天會轉(zhuǎn)過360°，所以如果當(dāng)?shù)貢r間比出發(fā)地時間每快1小時，通過換算就能得知此地在出發(fā)地東邊15°，反之亦然。也就是說，只要知道格林尼治時間和當(dāng)?shù)貢r間，就能算出所處的經(jīng)度。要知道當(dāng)?shù)貢r間很簡單，只要中午派水手觀察太陽的高度，找到太陽最高的時刻，就是當(dāng)?shù)氐恼?2點。但在海上想要獲得準(zhǔn)確的格林尼治時間，卻非常困難。

在18世紀(jì)，制表工藝還比較粗糙，大部分機(jī)械表的日誤差大約在幾分鐘到十幾分鐘之間。用這種表當(dāng)參考工具，每天可能就偏差1.5°。在海上過一個月，經(jīng)度可能就誤差了45°，4艘英國海軍軍艦就成了這種誤差的犧牲品。消息傳回英國后，為了平息輿論壓力，也為了解決經(jīng)度問題，當(dāng)年英國國會成立了經(jīng)度委員會，并且請來牛頓當(dāng)顧問，而牛頓總結(jié)了兩種可能的解決方案：“時鐘法”和“天鐘法”。

起于巨額獎金

時鐘法簡單而言，就是造更準(zhǔn)的表。而天鐘法，則是使用天象（包含太陽高度和星象位置）來幫助校時。不過，這兩種方法在當(dāng)時都還只是設(shè)想。根據(jù)牛頓的計算，只靠一塊表在遠(yuǎn)洋航行中實現(xiàn)精準(zhǔn)導(dǎo)航，需要保證這塊表在一天內(nèi)的誤差不超過3秒，這相當(dāng)于把當(dāng)時時鐘的精度提升300倍。而天鐘法的難點，則是要找到一種每天都能觀測到的天象，并且知道它運行的準(zhǔn)確規(guī)律。早在經(jīng)度委員會成立之前，就有“月距法”和“木衛(wèi)法”的嘗試，但都沒能成功。

于是，在牛頓的建議下，1714年經(jīng)度委員會推出了一份《經(jīng)度法案》，以法律的形式宣布，英國將為任何找出在海上測量經(jīng)度方法的人提供巨額獎金（當(dāng)年的2萬英鎊）。懸賞發(fā)布后，科學(xué)家們順著牛頓的兩條思路，也就分成了“天鐘派”和“時鐘派”。在這兩派中，天鐘派的研究一開始明顯更占上風(fēng)。一方面，在大部分科學(xué)家看來，天鐘法至少在陸地上有過成功應(yīng)用，已經(jīng)證明了可行性。另一方面，牛頓本人也更加傾向于天鐘派，尤其是月距法。之前月距法之所以會失敗，是因為當(dāng)時的人們算不出月亮的運行規(guī)律。而牛頓提出的萬有引力定律，則正好為月球運動軌跡的計算提供了最重要的理論基礎(chǔ)。在他的影響下，經(jīng)度委員會的成員起初也全都是天文學(xué)家、數(shù)學(xué)家和航海家，并沒有鐘表匠和工程師。

1514年，德國天文學(xué)家約翰內(nèi)斯·沃利提出了將月亮運行軌跡當(dāng)作信標(biāo)的“月距法”，但他始終沒能找到月球的運行規(guī)律。在月距法提出一個世紀(jì)之后，伽利略又提出了將木星和它的四個衛(wèi)星作為觀測對象的“木衛(wèi)法”。在陸地上“木衛(wèi)法”非常有效，包括法國在內(nèi)的很多歐洲國家都用這種方法重新校訂了地圖。但如果讓水手在船上使用觀測木星的經(jīng)度儀，哪怕水手心跳快一點都可能出現(xiàn)誤差，更不用說風(fēng)浪帶來的影響了。

而時鐘派這邊，直到1730年，一個叫約翰·哈里森的木匠才畫出了第一份真正意義上的航海鐘圖紙。在這之前，哈里森和弟弟解決了熱脹冷縮和摩擦問題，成功造出了月誤差不超過1秒的陸地擺鐘。一次偶然的機(jī)會，哈里森聽說了經(jīng)度委員會懸賞的消息，他決定嘗試一下海上時鐘。當(dāng)時所有鐘都依賴單擺原理，但海上的顛簸會破壞單擺的等時性，所以鐘表會不準(zhǔn)。為了解決這個問題，哈里森設(shè)計了一種兩頭用彈簧連接的平衡擺。這樣一邊鐘擺受到的震動就會被另一邊鐘擺抵消，無論船怎么晃，都不會影響擺動的頻率。不過，設(shè)計完成后，還有一個更現(xiàn)實的問題擺在哈里森面前——他沒錢把鐘造出來。

“天鐘派”的哈雷（驗證哈雷彗星回歸的天文學(xué)家）出手幫了他一把。作為一名科學(xué)家，哈雷不希望扼殺任何可能解決經(jīng)度問題的點子，于是他把哈里森引薦給了倫敦最有名的鐘表匠?？催^圖紙后的鐘表匠立馬意識到了它的分量，當(dāng)即借給了哈里森200英鎊，幫他完成研究。拿著這筆錢，哈里森做出了原型機(jī)H1并完成了試航，哈里森覺得H1不夠完美，于是決定繼續(xù)改進(jìn)，并在一年后拿出了H2。但在測試中，哈里森發(fā)現(xiàn)他只考慮了海上的顛簸，卻忽略了船只轉(zhuǎn)向的離心力，這導(dǎo)致船每次在海上轉(zhuǎn)彎，都會帶來微小的誤差，哈里森又投入了H3的研究。當(dāng)時的哈里森不會想到，這將耗費他19年的時間。

“時鐘”與“天鐘”之爭

18世紀(jì)里天鐘派完成了三件大事：基于在好望角的多年觀測，天文學(xué)家得到了南半球星圖，補(bǔ)全了北半球格林尼治天文臺的觀測結(jié)果；船長們經(jīng)過不斷改良，1757年改良了能在船上穩(wěn)定觀測月球和星星距離的六分儀；最后，根據(jù)觀星記錄，數(shù)學(xué)家們于1759年算出了能夠準(zhǔn)確預(yù)測月球在任意時刻位置的“月球表”。1766年，英國格林尼治天文臺內(nèi)維爾·馬斯基林依據(jù)瑞士數(shù)學(xué)家約翰·伯努利（Johann Bernoulli）的著作開始出版《航海年鑒和天文星歷表》。第一本航海年鑒問世，此后逐年出版，為航海者提供了精確的天文定位。至此，天鐘派點亮了那張存在于牛頓腦海中的星圖。

1759年哈里森也完成了H3的制作。在這塊表上，哈里森徹底放棄了擺鐘的技術(shù)路線，用游絲擺輪替代了H1和H2上的兩根啞鈴狀鐘擺。兩年后，他又拿出了H4，和前三塊大家伙不同，經(jīng)過重新設(shè)計的H4跟懷表差不多大。在H4上，哈里森又大膽在擒縱輪結(jié)構(gòu)上加入了紅寶石材料，進(jìn)一步降低了零件之間的摩擦。終于，在1761年的夏天，天鐘派和時鐘派完成了決戰(zhàn)前的所有準(zhǔn)備，分別帶上了H4和“月球表”出海接受最后的檢驗。

好消息是，這兩種測試都非常成功。航海鐘H4在整整81天的航程中僅僅慢了5秒，天鐘派也證明了根據(jù)“月球表”用月距法導(dǎo)航，可以把經(jīng)度誤差控制在半度以內(nèi)。但壞消息是，上岸之后，兩支人馬誰也沒有獲得經(jīng)度法案的獎金。天鐘派雖然證明了月距法的可行性，但它還是太復(fù)雜了，不僅需要觀測者同時精通數(shù)學(xué)和天文，而且每次觀測后需要算四五個小時才能得到結(jié)果。另一邊，經(jīng)度委員會則以實驗不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦碛?，拒絕承認(rèn)H4的實驗結(jié)果。

或許是兩派之爭的必然結(jié)果，經(jīng)度委員會要求哈里森把從H1到H4的所有海航鐘和設(shè)計圖紙全部上交，作為支付一半獎金的條件。想要獲得另外一半獎金，哈里森則必須從頭開始再造出兩塊H4，證明它可以被量產(chǎn)。而在哈里森妥協(xié)交出設(shè)計圖紙和航海鐘之后，H4就被鎖進(jìn)了格林尼治天文臺。就連哈里森試圖借用H4當(dāng)作復(fù)刻參考的要求也被拒絕。最終，年歲已高的哈里森給英王喬治三世寫了一封信。這次，哈里森和他的航海鐘終于得到了真正公平的機(jī)會。在喬治三世的親自做證下，最新型的H5被證明是一塊日誤差小于三分之一秒的表，完全符合經(jīng)度法案的獎金要求。這場跨度近70年的經(jīng)度之戰(zhàn)，終于迎來了結(jié)局。

雖然是哈里森最終拿到了獎金，但這場經(jīng)度之戰(zhàn)很難說是單方面的勝利，這場由星辰與齒輪書寫的斗爭，最終走向了合作。在哈里森領(lǐng)取獎金20年后，航海鐘得以量產(chǎn)。天鐘派也在堅持更新用于月距法的航海年鑒，并不斷優(yōu)化月距法的計算過程，讓它變得更加簡單。在19世紀(jì)的大海上，幾乎所有船長都會同時攜帶航海天文鐘和《航海年鑒》，他們最終和六分儀一起，成為信息時代前標(biāo)準(zhǔn)的“航海三件套”，即使到今天，他們也依然是最常見的遠(yuǎn)洋航行“應(yīng)急預(yù)案”。

（責(zé)編：南名俊岳）