木匠發明經度測量(轉載自科學網史永文)_風聞

木匠發明經度測量

  在北半球測緯度是很方便的，只要測北極星在該地的高度角就可以了（中國古代叫北極出地多少度）。但是測經度就不是那麼方便了，一位木匠（你沒看錯）用畢生精力研製精確的航海鍾成功後，測經度的問題才最終解決了。這段歷史頗為有趣，不妨仔細看看。

  相當長的時間裏，人類只會運用緯度導航；甚至，連哥倫布跨越大西洋發現美洲，也是沿緯度航行。經度測算之難，在麥哲倫航海日誌中也能見到。據船隊抄寫員皮加費塔記載，“麥哲倫船長花了很長時間研究經度問題，但領航員們很滿足他們獲得的緯度信息，都不願提起經度這碼事”。古代航海通常是靠測量航速和其他辦法來估算船的相對經度。

  1707年（清康熙四十六年）的英國艦隊大海難，再度引發了商人與海員的請願，籲請政府儘快破解經度難題。事實上，為經度所困惑的又何止英國。早在1666年（清代康熙五年），法國王室就在巴黎建立了旨在破解海上經度難題的天文台。10年後，英國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，命天文學家弗拉姆斯蒂德（也是第一任皇家天文官）“以最大的耐心，修正天體運行表格，從而完善航海技術”。就在各國天文學家夜以繼日地繪製星表之時，海上仍不時傳來因無法精確導航而造成海難的壞消息——喪鐘為經度而鳴。

  經度難題的迫切性，使得西班牙、意大利、荷蘭、英國等歐洲航海大國，不得不在修建天文台的同時，又以“重賞之下必有勇夫”的思路，開出高額賞金，以求取得突破性進展。1714年（康熙五十三年），英國國會通過了《經度法案》。以法律的名義宣佈：任何人只要能找出在海上測量經度的方法，誤差在1度以內的獎1萬英鎊；誤差在2/3度以內的獎1.5萬英鎊；誤差在半度以內的獎２萬英鎊（２萬英鎊，相當於一位船長200年的收入）。  經度的攻堅大戲，由此進入高潮。

小木匠，用時間確定空間  

“重賞之下”的那位“勇夫”，出生在英國約克郡（與偉大的庫克船長是同鄉）的一個世代做木匠的普通人家。他是家中的長子，父親自然把精湛的木工技藝全傳授給他。但這個木匠的孩子卻沒有把它用到製造傢俱和房屋上，而是以細木工的手藝，造出一台完全由木頭製成的擺鐘。當時他才19歲，沒人能料到歷史將記住他的名字：約翰·哈里森。

  説到擺鐘，有必要在此插入一段鐘錶簡史。哈里森雖然是鐘錶製造史上的一尊神，但他並不是發明鐘錶的人。1582年意大利的伽利略發明了重力擺；1657年（清代順治十四年）荷蘭的惠更斯把重力擺引入機械鐘，創立了擺鐘；隨後又將擺輪遊絲組成的調速器應用在可攜帶的鐘表上；1715年，英國的格雷厄姆又發明了靜止式擒縱機構，為發展精密機械鐘錶打下了基礎……沒有什麼史料説明木匠哈里森為什麼要放棄木匠改當表匠，歷史只記載了他用鐘錶改變的航海史。

  1730年（清雍正八年），在經度局成立的第15個年頭，也是牛頓去世的第３個年頭。從木匠成長為優秀表匠的哈里森來到格林尼治，向經度委員會委員、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）遞交了一份解決海上經度測量難題的方案。

  哈里森一生都要感謝哈雷。雖然，哈雷認為經度問題是個天文問題，但這位愛喝酒的天文學家是一個心胸開闊的好人。哈雷不僅沒否定哈里森，還為他引薦了英國的鐘表大師喬治·格雷厄姆。而這位品德高尚的同行不僅支持了哈里森的設想，還從自己的口袋裏拿出２５０英鎊，作為哈里森方案的啓動資金。

  這是一個用時間證明空間的方案：即將經度換算成時間。360度的地球，每24小時轉動一週，每小時轉動的1/24圈，即經度的15度。所以，航船與出發地之間，每相差一小時，就表示它的經度向東或向西移動了15度。再將經度換算成距離，赤道線上地球周長最大，這裏15度的跨度約等於1000英里。而１度約合４分鐘，其跨度約等於60海里（１海里約等於1.1英里，1.8公里），68英里（111公里）。因此，只要知道出發地和所在地的時間，就能推算出所在地的經度。

  既然，經度問題是時間問題，拿兩塊表到海上，問題不就輕鬆解決了嗎？此前兩個世紀，也曾有人提起過類似的方案。但直到18世紀，鐘錶在陸上仍不能準確報時，製造用於海上的時間機器，更是無人挑戰。哈里森是第一位聲稱能造出航海鍾，把出發地的時間不快不慢地帶到海上任何地方的人（當地時間，依正午太陽最高點對時）。並將依此測出船在海上任何一地的經度。

  這是一個令人振奮的方案，也是一個充滿挑戰的方案。看一看經度委員會的委員構成，就知道當時應對經度課題的科學體系了。委員中有大名鼎鼎的牛頓、哈雷等天文大師，此外，還有著名數學家和航海家，這些人中沒有一位懂得鐘錶技術。這樣的委員會自然認為：只有天文學才能最終解決經度問題。

月距法，陷在舊框框裏的天文大師

  我曾看過電影《經度》，像所有的文藝作品一樣，帶有着明顯的傾向性：馬斯卡林和經度委員會的專家都是以自大自私的丑角面目出現的。其實，研究經度史就會知道，這些人並非利用職權無“理”取鬧。當年，連伽利略和牛頓這樣的科學巨人都相信天文學是解決經度問題的唯一途徑。英國第５任天文官馬斯卡林所代表的也是幾代天文學家都認的死“理”。 

   早期的天文學家都依據天文事件來測定經度。比如，預測了西班牙馬德里午夜１２點月全蝕，而向大西洋西行的船隊在當地時間晚上１１點看到了月全蝕。那麼，就知道該地的經度在馬德里以西１５度。這種利用天文事件確定經度的方法，確實為１８世紀的地面經度測量與地圖繪製提供了準確的數據。但日蝕、月蝕和其他星蝕都不會每天出現，人們最終選擇了最好觀測的月亮，參考月亮與太陽的距離，月亮與某顆星星的距離及交匯時間，再參考發生同一事件的地點的時間，求出時間差，就可以測出船所在的經度了。  

   時鐘法與月距法，都有理由向2萬英鎊獎金衝刺。  馬斯卡林等人“靠天吃飯”的月距法，有着天然的弱點。一要必須要天氣晴好，才有月可觀；二要有事先繪好的精確的星曆錶。假設這些條件都具備了，要測算一次海上經度，至少也要4個多小時。  當然，哈里森的航海鍾，也有它的成本弱點，製造價高達500英鎊。這個價錢恰是當年英王建格林尼治天文台的費用。誰能買這樣的航海鍾呢？相比之下，一架高質量的六分儀，外加一本不很精確的“月距表”，加起來不到20英鎊。  哈里森要降低航海鐘的造價，馬斯卡林要縮短月距的測算時間。  1760年(清朝乾隆二十五年)，哈里森向經度委員會交上幾近完美的航海鍾H4。1766年馬斯卡林用人海戰術，算出了1767年全年月距數據（每個月的星表就有１２頁之多）並提前一年出版了《1767年航海年鑑》，把計算經度的時間從４個小時縮短到30分鐘。  時鐘法與月距法雙方，誰更該獲得那筆獎金？

航海鍾，永不迷航的舵手 

 現在，説回哈里森和航海鍾。得到鐘錶大師喬治·格雷厄姆那筆無息貸款後，哈里森花了５年時間終於造出了第一台航海專用鍾H1號（後世以哈氏字頭Ｈ來命名他的作品，並按１、２、３、４號排序）。現在H1-4號航海鍾都完好地存放在格林尼治的航海博物館裏，供人們回望那段“經度的時鐘史”：

 

 1米見方、重達34公斤的H1，至今仍在運轉。那四個奪目的錶盤分別標示着時、分、秒和日。它的偉大之處在於運用“蚱蜢腿”裝置，使鐘擺的擺動頻率不受海浪顛簸的影響，從而成為真正航海鍾。  哈里森是個匠人，更是個“犟人”。1736年往返里斯本的海上試驗，證明了H1測量的經度比當時所有的方法都要準確，24小時內不差幾秒鐘。只有哈里森對H1提出了批評。他對經度委員會説，等造出了升級版的Ｈ２再來領獎金。5年後H2終於完工，哈里森認為還有可改進的地方，又一頭扎入H3的研製。當H3完成時，他已60歲了。在等待H3測試之時，由於嫌它體積還是太大，他又次投入到新的研發之中。1760年(清朝乾隆二十五年)，當哈里森向經度委員會交出了他滿意的H4時，距H1的誕生已過了30年。  時針、分針、秒針皆在一個表面上的H4，實際上就是一塊不受磨擦、搖動、濕度和温度干擾的上一次發條就可走30小時的大懷錶。1762年經度委員會讓哈里森的兒子帶着H4跨過大西洋到牙買加，經過S1天航行，H4總共慢了5秒（誤差約等於3公里左右）。誤差率遠遠小於經度委員會制定的半度之內（即24小時，誤差不超過3秒，約等於50公里）的最嚴限度。  此時，月距法也進入了衝刺階段。有着“裁判員”和“運動員”雙重身份的經度委員會委員馬斯卡林（3年後他擔任了第5任皇家天文官）拒絕承認H4的準確性。要求再做H4的海上測試，同時要求請人複製出Ｈ４（經度法案規定，其發明必須是可複製推廣的）。1772年，鐘錶匠肯德爾複製的H4（為了尊重肯德爾的功績，後人稱他為K1）被帶上了庫克的遠洋船，駛往南極。在零度以下的寒冷天氣中，複製的航海鍾發揮了完美的功能。庫克稱讚它們是“不失誤的嚮導”。一年以後，在英王喬治三世的親自過問下，已經80歲的哈里森，終於得到了最高獎的餘款8750英鎊（扣除了以前支給他的部分獎金)。3年後一天，也就是1776年3月24日，像航海鍾一樣奇妙的哈里森，在83歲生日這一天，駕鶴西去。此時，航海鐘的成本降到了70英鎊左右，遠洋船測經度駛入了航海鐘的新時代。