推薦一篇好文--經(jīng)度之戰(zhàn)

srt123 · 發(fā)表于 2015-3-27 22:47:42

此文描述發(fā)生在西方400年前開始的關(guān)于圍繞精確經(jīng)度測定的精彩故事,，也從側(cè)片反映出，西方科學(xué)文明為什么會在近代蓬勃崛起的一個縮影。一次次斗爭,、一次次進(jìn)步,，科學(xué)精神在得到弘揚的同時,，一個個偉大的科學(xué)人物也躍然紙上,，他們的個人生活或許并不完美，但他們在人類進(jìn)步的歷史上做出了自己的貢獻(xiàn),。嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度和耐得住寂寞的精神和自上而下的對科學(xué)崇尚的環(huán)境成就了一個個偉大的人物,。

緯度好測量,，但經(jīng)度該如何測量呢,，作者用大量翔實的資料和輕松幽默的文筆闡述了月距法與航海鐘法在測量經(jīng)度問題上的斗爭與演變，體現(xiàn)了西方在工業(yè)革命后所體現(xiàn)出來的科學(xué)精神,。

經(jīng)度之戰(zhàn)

原帖作者immusoul

一

　　“開始,！”隨著一聲令下,，一名海員把手里的沙漏翻了個身，開始計時,。另一名海員手握麻繩,，繩子的一頭綁著一塊三角形木版，飄在海面上,，另一頭繞在紡錘里,，隨著帆船的前行，不斷從紡錘上松開,，從海員的手心里通過,。
　　“停！”掌管沙漏的海員喊了一聲,。負(fù)責(zé)計數(shù)的海員報出一個數(shù)字,，這就是這段時間里通過他手掌心的繩節(jié)數(shù)量。這個數(shù)字除以沙漏轉(zhuǎn)一圈所需時間,，就是現(xiàn)在的航行速度,。船長得知這個速度后，再根據(jù)航行的方向,，在海圖上標(biāo)明船只現(xiàn)在的位置,。
　　這就是18世紀(jì)以前的海員們測量航速的標(biāo)準(zhǔn)方法，這就是為什么早期的航海速度是以“節(jié)”為單位的,。
　　“我們不久就會到達(dá)亞洲了,！”船長通知全體船員，“大家不要放棄,，繼續(xù)前進(jìn),。”

　　二

　　這事發(fā)生在1492年10月,，那個船長是個西班牙人,，名叫克里斯托弗·哥倫布（Christopher Columbus）。他游說西班牙國王,，出資建造了3艘小帆船,，準(zhǔn)備向西橫跨大西洋，找到一條通向香料王國的新航道,。哥倫布事先通過計算,，認(rèn)為亞洲并不遙遠(yuǎn)，最多不超過3850公里,。可是,，他并不知道,，他使用的數(shù)據(jù)來自阿拉伯國家,，阿拉伯的距離單位要比歐洲的長。
　　這種遠(yuǎn)距離航行,，必須知道船只每時每刻的經(jīng)緯度,，否則無法定位。當(dāng)時的歐洲海員都知道怎樣測量緯度,，但經(jīng)度卻只有靠猜,。為了保險起見，哥倫布把航線定格在北緯28度,。他相信地球是圓的,，只要沿著這個緯度一直向西，最終肯定能到達(dá)亞洲,。
　　10月12日,，在航行了一個多月后，哥倫布看見了大陸,。他原以為那是日本,，其實他到達(dá)了巴哈馬群島。一個錯誤的計算,，讓哥倫布成為第一個發(fā)現(xiàn)美洲大陸的人,。
　　回到西班牙后，哥倫布受到了英雄般的禮遇,�,？墒牵闊┖芸靵砹�,。另一個歐洲海上強(qiáng)國葡萄牙也想和西班牙分一杯羹,。于是，當(dāng)時的天主教教皇亞歷山大六世于1493年5月4日頒布了《分界線詔書》（Bull of Demarcation）,，規(guī)定在亞速爾群島以西100里格（League,，約等于4.8公里）的地方劃一條子午線，西邊統(tǒng)統(tǒng)歸西班牙所有,，東邊則歸葡萄牙,。可是,，這個規(guī)定完全形同虛設(shè),，因為沒人知道這條線的具體位置，新大陸到底在線的東邊還是西邊,？只有聽天由命了,。
　　西班牙人運氣真好。后來得知，按照詔書的規(guī)定,，南美大陸的絕大部分土地都落在西班牙這一邊,，只有大陸最東邊的一個角被劃在了葡萄牙的名下。于是,，如今南美大陸的大部分國家都說西班牙語,，而那個角所在的國家－巴西則說葡萄牙語。

　　

srt123 · 發(fā)表于 2015-3-27 22:50:15

三

　　人類的探險史其實就是一部科技發(fā)展史,。除了航海技術(shù)的進(jìn)步之外,，定位技術(shù)的發(fā)展幾乎同等重要。最早解決的定位問題是方向的測量,，中國在這方面做出了自己的貢獻(xiàn),。但是，指南針與其說是發(fā)明,，不如說是發(fā)現(xiàn),。只要發(fā)現(xiàn)了磁石的指南功能，剩下的就是如何讓磁石自由轉(zhuǎn)動了,。古代的中國人想出的辦法是讓磁石浮在水面,，而不需要水的“旱羅盤”則是外國人發(fā)明的。
　　但是,，指南針并不是不可替代的,。北半球的人都知道利用北極星辨別方向，太陽的位置也能幫助人們找到北方,。相比之下,，緯度的測量則需要一點技術(shù)含量，但也不是天大的難題,，只需要一臺能夠測量星體高度的象限儀就可以了,。把象限儀水平放置，一端對準(zhǔn)北極星,，讀出它和水平面的夾角,，就是緯度。

srt123 · 發(fā)表于 2015-3-27 22:51:21

稍微有點經(jīng)驗的海員還能夠利用太陽的高度測出緯度,，只不過需要測量員用一只眼睛直視太陽,。據(jù)說，那時的遠(yuǎn)洋船上每20個老船長就會有19個因為常年對著太陽看而變成獨眼龍,！不過,，如果犧牲一只眼睛能夠換來全船人的平安,，倒也值了。

srt123 · 發(fā)表于 2015-3-27 22:53:17

[size=14.6666669845581px]無論是用指南針指南,，還是測量天體高度,，都需要一個穩(wěn)定的地平線，于是人們發(fā)明了“常平架”（Gimbal）,。類似的裝置中國人也曾經(jīng)發(fā)明過，但卻用來制作“臥褥香爐”,，無論太太們怎么轉(zhuǎn)動這個鏤花鐵球,，里面的熏香始終直立不倒，香灰也就不會倒出來弄臟被褥,。

srt123 · 發(fā)表于 2015-3-27 22:54:13

有了常平架,，緯度就變成了一個非常容易測量的參數(shù)，因為緯度是由自然法則確定的,，赤道就是零緯度,，兩極則是90度，無論哪里都一樣,。經(jīng)度就不同了,，地球一直在轉(zhuǎn)，沒有任何天然的辦法確定零經(jīng)度的位置,，只能人為規(guī)定,。同樣，也沒有任何天體能夠用來直觀地顯示經(jīng)度的差異,。
　　于是,，古代的航海只能沿著海岸線走，否則等待船員的就是死亡,。當(dāng)初鄭和下西洋就是如此,，所以他最遠(yuǎn)只能到達(dá)非洲，不可能發(fā)現(xiàn)隔海相望的美洲大陸,。不僅是鄭和,，世界上所有那些往來于歐亞非之間的商船都必須沿著固定的航道行駛，依靠汪洋中的海島確定自己的位置,，這就給了海盜以可乘之機(jī),，他們只要守在航線上，自然就會有商船送上門來,。
　　渴望測量經(jīng)度的不僅僅是海員,，制圖師們更是離不開經(jīng)度。事實上,，生活在公元前2世紀(jì)的古希臘地理學(xué)家托勒密（Ptolemy）是最早利用經(jīng)緯度繪制地圖的人,。可是，由于無法準(zhǔn)確測量經(jīng)度,，他只能憑借對距離的估計,，大致標(biāo)出某地的相對位置。托勒密的方法一直延續(xù)了1000多年,，但此法顯然不夠嚴(yán)密,，所以那時的地圖大都不準(zhǔn)，夸大了陸地的面積,，低估了海洋的范圍,。
　　難道經(jīng)度就無法測量嗎？竅門其實是有的,，那就是時間,。地球每24小時自轉(zhuǎn)一周，也就是360度,。于是,，每個小時就相當(dāng)于經(jīng)度的15度。只要知道兩地的時間差異,，就可以知道兩者之間的經(jīng)度差了,。舉例來說，如果知道某地的正午12點正好是倫敦的上午10點,，那么就說明此地在倫敦東邊30度的地方,。
　　于是，經(jīng)度的問題就轉(zhuǎn)換成一個等價的問題：如何測量兩地的時間差,。
　　1530年,，荷蘭數(shù)學(xué)家伽瑪·弗里西斯（Gemma Frisius）提出用鐘表來測量時間差。按照他的設(shè)想,，可以做作一臺鐘表,，始終保持某地（比如倫敦）的時間，然后帶著它來到新的地點,，利用太陽高度測量當(dāng)?shù)貢r間,，再和倫敦鐘表做對比，就能知道此地和倫敦的經(jīng)度差,。這個設(shè)想看似簡單,，但在弗里西斯的時代，鐘表的制作工藝非常原始,，每天快慢幾分鐘是家常便飯,，這樣的精度根本無法勝任測量經(jīng)度的工作。
　　既然人工制造的機(jī)械裝置無法準(zhǔn)確計時,，人們很自然地把目光轉(zhuǎn)向天空,。事實上,，人類早期對天文的興趣絕大部分來自計時的需要，因為人們發(fā)現(xiàn),，只有天體的移動是完全守時的,，太陽月亮和星星們組成了一個巨大的“天鐘”，替人類預(yù)報時間,。
　　1514年,，德國天文學(xué)家約翰尼斯·沃納（Johann Werner）提出利用月亮的移動來測量經(jīng)度。他通過觀測發(fā)現(xiàn),，月亮在天空中的相對位置每時每刻都在改變,，大約每小時移動一個月亮直徑的距離。他假定地球上觀察到的月亮行為都是一樣的,，只要在兩地分別觀測月亮，準(zhǔn)確記下它移動到某個位置的時間,，就能算出兩地的經(jīng)度差,。
　　但是，這個“月距法”也有自己的問題,，那就是缺乏準(zhǔn)確而又完整的星表,。再加上月亮的移動規(guī)律仍然無法預(yù)測，因此也還有很多工作要做,。
　　就這樣,，兩個幾乎同時被提出來的方法開始了一場爭奪經(jīng)度的戰(zhàn)爭。這場戰(zhàn)爭過程曲折離奇,，戰(zhàn)況驚心動魄,，不亞于任何一個優(yōu)秀小說家編出來的驚險故事。這個故事背后折射出來的關(guān)于人類科技發(fā)展的經(jīng)驗教訓(xùn)更是值得后人玩味,。

srt123 · 發(fā)表于 2015-3-27 22:55:10

四

　　在敘述這場戰(zhàn)爭之前,，先來看看在此之前進(jìn)行的幾次小戰(zhàn)役。
　　制作地圖的人都知道,，為了測量某地的經(jīng)度,，他只需要等到一個共同的天文事件，然后讓各地的天文學(xué)家在這個事件發(fā)生時準(zhǔn)確記下當(dāng)?shù)貢r間就可以了,。這個天文事件可以是月亮和某個星星相遇的時刻,，也可以是月食。事實上,，很早就有人利用發(fā)生月食的機(jī)會,，測量出了不少大城市的準(zhǔn)確經(jīng)度。
　　但是,，這個方法一來不能經(jīng)常使用,，二來不適用于遠(yuǎn)距離測量,，因為月食覆蓋的范圍并不大。天文學(xué)家需要找到一個天文事件,，發(fā)生的頻率足夠大,，距離地球也足夠遠(yuǎn)，對于地球上所有的觀察者來說都是同時發(fā)生的,。
　　1610年,，著名的意大利天文學(xué)家伽利略（Galileo）通過自制的望遠(yuǎn)鏡，找到了這樣一個天文事件,。他發(fā)現(xiàn),，木星有4顆衛(wèi)星，它們以極快的速度繞著木星公轉(zhuǎn),，轉(zhuǎn)速和軌道都極有規(guī)律,。伽利略潛心觀察了6年，確定無誤后把結(jié)果寫成一個奏折,，上交給了西班牙國王菲利普三世,。
　　為什么要給西班牙呢？因為伽利略想拿到一筆獎金,！原來,，哥倫布發(fā)現(xiàn)美洲的壯舉在歐洲引發(fā)了一股航海熱，可隨之而來的卻是災(zāi)難,，因為大批船只因為測不出自己的準(zhǔn)確位置而迷失大海,。航海大國西班牙的損失尤其慘重。1598年,，菲利普三世頒布詔書,，宣布設(shè)立經(jīng)度獎金，任何人只要找出海上測量經(jīng)度方法,，就可以獲得2000杜卡托（Ducat,，西班牙貨幣）的獎勵�,？墒�,，這份詔書一經(jīng)頒布，立刻招來不少自認(rèn)為聰明的家伙,，西班牙政府不得不面對一大堆不切實際的設(shè)想,，評審官們很快就厭倦了，伽利略的想法連帶著遭了殃,，被西班牙政府打入冷宮,。
　　好在不僅是西班牙對解決經(jīng)度問題感興趣，包括葡萄牙和意大利在內(nèi)的許多歐洲國家都出臺了各自的獎勵措施,。伽利略沒有放棄自己的想法,，他繼續(xù)觀察木星,，不斷修改自己的數(shù)據(jù)，并于1638年把這個方法提交給了荷蘭政府,。因為一些意外的原因,，荷蘭政府直到1641年才決定派國內(nèi)頂尖科學(xué)家克里斯蒂安·惠更斯（Christiaan Huygens）前往意大利和伽利略討論此法的可行性�,？墒�,，還沒等兩人會面，伽利略就去世了,，這個方法被擱置了起來,。
　　伽利略并沒有把所有的時間都花在觀察木星上。他興趣廣泛,，在多個領(lǐng)域都有高深的造詣,。他曾經(jīng)第一次提出了用擺錘測量時間的原理，據(jù)說這個想法源自他年輕時的一次神秘經(jīng)歷,。他發(fā)現(xiàn)從教堂屋頂上垂下來的油燈被風(fēng)吹得搖搖晃晃,，他用自己的脈搏測量了擺動一次所需的時間，發(fā)現(xiàn)這個時間不但非常恒定,，而且與燈繩的長度有關(guān)。他非常想利用擺錘的這一特性制作一臺擺鐘,，但卻一直沒找到合適的機(jī)會,。
　　有趣的是，這個想法最終被那個荷蘭科學(xué)家惠更斯解決了,�,；莞挂恢眻苑Q自己沒有接觸過伽利略的設(shè)想，制作擺鐘的想法完全是自己獨立地想出來的,。1656年,，他制作出了世界上第一臺擺鐘，并于2年后出版了一本描述擺鐘原理的專著－《時鐘》（Horologium）,�,；莞拱l(fā)明擺鐘的目的就是為了更準(zhǔn)確地描述天體的行為，而這樣做的最終目的同樣是為了解決經(jīng)度問題,。事實上,，他曾經(jīng)專門為航海而制作了兩臺航海鐘（Marine Timekeeper），并曾經(jīng)出海進(jìn)行過檢驗,�,？墒牵姅[只能在平靜的海面上使用,，一旦出現(xiàn)風(fēng)浪,，擺鐘就不準(zhǔn)了,。為此惠更斯發(fā)明了螺旋平衡彈簧，代替鐘擺,，并申請了法國專利,。
　　可是，在惠更斯打算申請英國專利的時候,，遇到了英國科學(xué)家羅伯特·胡克（Robert Hooke）的挑戰(zhàn),。這個胡克可是大名鼎鼎，他是個科學(xué)多面手,，曾經(jīng)用顯微鏡觀察生物,，發(fā)明了細(xì)胞（Cell）這個詞。另外,，他在光學(xué),、引力理論、地震學(xué),、蒸氣機(jī)制造和彈簧原理等領(lǐng)域取得過很大的成績,。事實上，正是在發(fā)明平衡彈簧的過程中,，胡克提出了著名的“彈簧原理”,，即“彈簧產(chǎn)生的彈力和拉長的長度成正比”。胡克指責(zé)惠更斯偷竊了他的彈簧式鐘表設(shè)計,，兩人為此數(shù)次大動干戈,，最后誰也拿不出足夠的證據(jù)證明對方剽竊，這個螺旋平衡彈簧的專利最后也就不了了之了,。
　　兩人都試圖利用這個彈簧,，制造一種能夠在海上使用的擺鐘，但做出來的樣品鐘準(zhǔn)確度仍然太低,，海員們不可能依靠它來確定經(jīng)度,。天文學(xué)家們非常樂于看到這一點，他們想,，既然胡克和惠更斯這兩位科學(xué)界公認(rèn)的領(lǐng)袖人物都不能做出完美的航海鐘,，那么解決經(jīng)度問題就只能依靠上天賜予人類的“天鐘”了。
　　值得一提的是,，除了利用時間來測量經(jīng)度之外,，還有一種方法曾經(jīng)得到了許多科學(xué)家的支持,，這就是“磁偏法”。原來，哥倫布在那次發(fā)現(xiàn)美洲之旅時發(fā)現(xiàn),，指南針和北極星所指的北方有微小的差異,，后來有人正確地解釋了這一偏差，這是因為磁極和真正的北極（自轉(zhuǎn)軸）并不重合造成的。不少科學(xué)家知道這件事后都很激動,，他們相信這個差異就是測量經(jīng)度的鑰匙，只要找出磁偏角和經(jīng)度之間的對應(yīng)關(guān)系就行了,。為此歐洲有一大批科學(xué)家投入了大量人力物力,，可最終發(fā)現(xiàn)這個差異實在是太小了，無法用來準(zhǔn)確測量經(jīng)度,。于是這個設(shè)想最終只能被放棄了,。
　　在科學(xué)發(fā)展史上，類似這樣的例子還有很多,。一個科學(xué)理論,，無論看起來多么合理，在沒有最終獲得證明之前,，都有可能被無情地拋棄,。科學(xué)就是這樣鐵面無私,，在事實面前毫無憐憫之心,。但是，科學(xué)是由科學(xué)家來研究的,，一旦加入了人的因素,，科學(xué)就有了私心，不那么純粹了,。

srt123 · 發(fā)表于 2015-3-27 22:55:55

五

　　惠更斯發(fā)明擺鐘的1656年,，正是歐洲科技高速發(fā)展的時期。天文學(xué),、物理學(xué)、化學(xué),、數(shù)學(xué)……等等領(lǐng)域都涌現(xiàn)出一大批杰出的人才,。可惜的是,，他們散布在歐洲各國,，平時很少交往，惠更斯和胡克關(guān)于螺旋平衡彈簧專利的爭執(zhí)就是這種隔離的后果,。
　　漸漸地,，科學(xué)家們意識到這種隔離必須被打破，科學(xué)家們必須學(xué)會合作,，因為他們正處在知識飛速增長的時期,，光靠一個孤獨天才的個人奮斗是不夠的。尤其是這個經(jīng)度問題,，實在是太復(fù)雜了,，光靠一個人或者一個國家的力量根本解決不了,。
　　法國最先擔(dān)當(dāng)起了帶頭人的角色。當(dāng)時的法國國王路易十四是一個很有野心的人,，他知道,，要想征服世界，必須先了解世界,，而科學(xué)是了解世界的最佳途徑,。1666年，當(dāng)時年僅28歲的路易國王授權(quán)法國總理科爾波特,，成立了“皇家科學(xué)院”,。科爾波特本人就是一個業(yè)余科學(xué)家,，他充分利用了國王給予他的權(quán)力,，花重金把一大批歐洲頂尖科學(xué)家招到法國，在皇家科學(xué)院任職,�,；莞咕褪堑谝慌徽衼淼耐鈬茖W(xué)家，可惜他不喜歡法國,，在服務(wù)了15年后還是回到了荷蘭,。
　　在所有科學(xué)領(lǐng)域中，路易國王最感興趣的就是經(jīng)度的測量,。1667年,，在科爾波特的親自主持下，法國政府花重金購置了當(dāng)時世界上最好的天文望遠(yuǎn)鏡,，并在巴黎近郊建造了巴黎天文臺,。法國人打算在這里徹底解決經(jīng)度問題，然后名正言順地把巴黎天文臺所在地定為本初子午線,。
　　在1667年到1669年這三年里,，巴黎天文臺組織人馬對月亮進(jìn)行了細(xì)致的觀察，結(jié)果他們認(rèn)為月亮的運行軌跡太復(fù)雜,，無法準(zhǔn)確地預(yù)測,，因此月距法很難被用來測量經(jīng)度。法國皇家科學(xué)院的科學(xué)家們得知這一結(jié)論后,，統(tǒng)一了認(rèn)識,，決定推廣伽利略提出的“木星衛(wèi)星法”。這個方法的成功歸功與一個名叫喬萬尼·多曼尼克·卡西尼（Giovanni Domenico Cassini）意大利人,，此人是個少年天才,，25歲時就被任命為意大利博洛尼亞大學(xué)的天文學(xué)首席教授。他也對木星的衛(wèi)星運動很感興趣，并經(jīng)過16年的觀察,，于1668年出版了一本手冊,，詳細(xì)記錄了這4顆衛(wèi)星的運動軌跡和星蝕時間表，這是當(dāng)時出版的最精確的木星衛(wèi)星星表,，有了這張表,，世界各地的天文學(xué)家完全可以通過觀測衛(wèi)星的出沒，測出所在地的準(zhǔn)確經(jīng)度,。
　　1669年,，科爾波特邀請卡西尼來法國擔(dān)任巴黎天文臺臺長。在卡西尼的主持下,，歐洲所有的天文學(xué)家都參與了法國主持的測量歐洲計劃,，最終畫出了一份相當(dāng)準(zhǔn)確的新版歐洲地圖。據(jù)說當(dāng)路易十四看到新地圖后抱怨說,，他丟在天文學(xué)家手里的土地比丟在敵人手里的還多,。
　　抱怨歸抱怨，路易十四仍然出資支持巴黎天文臺派遣好幾支“天文觀測小分隊”,，帶著望遠(yuǎn)鏡乘坐遠(yuǎn)洋帆船駛向世界各地,，通過觀測木星的衛(wèi)星，測出準(zhǔn)確的經(jīng)度,。這個龐大的計劃也得到了歐洲其它各國的響應(yīng),，并紛紛派出自己的“小分隊”。就這樣,，一張新的世界地圖被畫了出來,，人類終于第一次準(zhǔn)確地知道了家的樣子。
　　有趣的是,，天文學(xué)家們在為地球造像的同時卻無意間解決了好幾個基本的科學(xué)問題,。在此之前，人們一直認(rèn)為地球是一個標(biāo)準(zhǔn)的圓球,，但是很多被派往世界各地的觀測小分隊都抱怨說,，他們的擺鐘怎么也調(diào)不準(zhǔn)。根據(jù)惠更斯提出的鐘擺原理,，在重力恒定的情況下，鐘擺的擺動時間只和鐘擺長度有關(guān)系,�,？墒菬o論科學(xué)家們?nèi)绾涡Ｕ姅[長度，在地球的某些地方測出來的擺動時間都不對,。牛頓根據(jù)這些數(shù)據(jù),，得出了一個令人吃驚的結(jié)論：地球不是標(biāo)準(zhǔn)的圓球體。當(dāng)然，這個假說現(xiàn)在已經(jīng)被征實了,，地球確實是個扁圓型的球體,，赤道的半徑最大，而且北半球比南半球要小一些,。
　　再舉一個例子,。丹麥天文學(xué)家奧勒·雷默（Ole Roemer）在巴黎天文臺工作期間，發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)厍蜻\行到距離木星最近的軌道時,，木星衛(wèi)星現(xiàn)身的時間總要早那么幾分鐘,，他正確地把這一現(xiàn)象解釋為光是有速度的。1676年,，雷默首次利用木星衛(wèi)星的“星蝕”,，測出了光速（他測出的光速比實際速度稍慢）。
　　就這樣,，人類對經(jīng)度的探索引發(fā)了一場真正的科學(xué)革命,。

srt123 · 發(fā)表于 2015-3-27 22:56:37

六

　　伽利略發(fā)明的木星衛(wèi)星法雖然解決了地圖繪制的問題，但卻不能幫助海員們發(fā)現(xiàn)自己的位置,，因為木星實在是太遠(yuǎn)了,，在陸地上觀測都很困難，觀測者的心跳都會使衛(wèi)星跑出望遠(yuǎn)鏡的視野,，更別說在海上了,。
　　就在歐洲大陸的科學(xué)家們忙著觀測木星衛(wèi)星的時候，一個法國貴族悄悄來到了英國,。他不太了解法國天文臺所做的觀察,，因此他堅持認(rèn)為依靠月亮的軌跡來計時更加準(zhǔn)確，畢竟月亮很大,，觀測起來要容易得多,。這位法國貴族的一個女性朋友當(dāng)時是英王查理二世的情婦，她向這位國王解釋了“月距法”,，國王對此很感興趣,。英國擁有當(dāng)時歐洲最大的商船隊，查理二世當(dāng)然明白經(jīng)度測量的意思所在,。聽了情婦的解釋后,，他迅速召集英國的一批頂尖科學(xué)家前來開會，請他們對“月距法”做出評價,。這其中有個年僅27歲的天文學(xué)家,，名叫約翰·弗拉姆斯蒂德（John Flamsteed）。他指出,，這個方法從原理上來講確實可行,，但首先必須畫出一張準(zhǔn)確的星表,，搞清所有的星星每時每刻所在的位置，然后再搞清月亮每一天的運行軌跡,，只有先完成這兩件工作,，才有可能運用這個方法進(jìn)行海上定位。
　　1675年,，查理二世采納了弗拉姆斯蒂德的建議,，從國庫里撥出500英鎊，在倫敦郊外的格林尼治村（Greenwich Village）的一個小山包上建成了一座天文臺,，弗拉姆斯蒂德被任命為這個皇家天文臺的第一任臺長,，還被封了一個“皇家天文學(xué)家”的頭銜。查理二世許諾給他的年工資是100英鎊,，這在當(dāng)時可算是高薪了,。不過，他每年要上繳10英鎊的稅,，還要從這筆錢里支付助手和儀器的費用,，所以經(jīng)濟(jì)上并不算很寬裕。雖然如此,，弗拉姆斯蒂德仍然找到當(dāng)時英國最好的制表匠,，號稱“英國鐘表業(yè)之父”的托馬斯·湯姆皮恩（Thomas Tompion），從他那里定做了兩臺擺鐘,，鐘擺長達(dá)4米,，每天的誤差小于2秒，這是當(dāng)時世界上最準(zhǔn)的鐘表,。
　　天文觀測是一項枯燥的工作,，好在弗拉姆斯蒂德是一個耐得住寂寞的人。他本人不算聰明,，他的長處就是他的毅力,，這是天文學(xué)家必不可少的一項品質(zhì)。自從擔(dān)任了天文臺臺長之后,，他把家安在了這里,。他平時基本上不下山，堅持每天觀察,，從不間斷,。這就不難解釋為什么他直到46歲才娶了一位23歲的女士為妻，兩人很恩愛,，但沒有生小孩,。
　　具體來說，弗拉姆斯蒂德的主要工作就是在天空中劃定一條假想的零經(jīng)度線,，然后準(zhǔn)確地記錄每顆星星通過這條線的時間和所處的高度,。只有積累了足夠多的數(shù)據(jù)，才能準(zhǔn)確地畫出一張具有實用價值的星表,。弗拉姆斯蒂德上任后不久,，就通過這些數(shù)據(jù)得出了一個副產(chǎn)品：他證明地球的自轉(zhuǎn)確實是勻速的（其實并不勻速，但其誤差遠(yuǎn)小于當(dāng)時儀器的測量極限）,，這為月距法的成功打下了堅實的基礎(chǔ),。
　　說起來，當(dāng)時英國最有名的天文學(xué)家其實并不是生性固執(zhí)死板的弗拉姆斯蒂德,，而是性格活潑的埃德蒙德·哈雷（Edmond Halley）,，后者因為準(zhǔn)確地預(yù)測了哈雷彗星的歸期而名聲大躁，而他本人的名字也因為這顆彗星而永遠(yuǎn)留在了歷史書上,。大概是因為性格相反的緣故,，弗拉姆斯蒂德和哈雷是一對冤家，兩人從來說不到一起去,。弗拉姆斯蒂德死后,，英國皇家科學(xué)院任命哈雷為第二任皇家天文臺臺長，弗拉姆斯蒂德的妻子知道這個任命后,，立即變賣了天文臺里所有的家具,，甚至把望遠(yuǎn)鏡和擺鐘都賣了。這些儀器都是弗拉姆斯蒂德自己掏錢買的,，他妻子絕對不想讓哈雷占有丈夫的心血,。可是,，這樣做的結(jié)果就是,，本來應(yīng)該用來收集數(shù)據(jù)的儀器，甚至連弗拉姆斯蒂德花費了多年時間積累起來的一部分原始數(shù)據(jù)都丟失了,。
　　弗拉姆斯蒂德在世的時候,，哈雷就一直想得到他的數(shù)據(jù)。這倒不光是為了他自己,，而是受牛頓的囑托,。當(dāng)時牛頓是英國皇家科學(xué)院的院長，在英國科學(xué)界有很高的威望,。他提出萬有引力定律后,，一直在尋找證據(jù)，而月亮的移動軌跡就是最有力的證據(jù)之一,。牛頓知道弗拉姆斯蒂德的觀測結(jié)果能夠證明自己的理論,，因此千方百計想得到這批數(shù)據(jù)�,？墒�,，古板的弗拉姆斯蒂德卻以觀測未完成,，數(shù)據(jù)不夠準(zhǔn)確為由，拒絕了牛頓的建議,。無奈的牛頓只好找哈雷幫忙,，哈雷借工作之便，從格林威治天文臺偷了一部分?jǐn)?shù)據(jù)出來交給了牛頓,。牛頓如獲至寶,，立即將這批數(shù)據(jù)印成盜版書出版了。
　　可想而知,，弗拉姆斯蒂德大發(fā)雷霆,。他想辦法買到了400本已印行的書中的300本，然后把它們付之一炬,。他給自己的助手寫信說：“如果牛頓爵士明白事理的話,，他一定會同意，我這樣做是幫了他和哈雷博士一個大忙,�,！�
　　這件事發(fā)生在1712年。兩年之后,，弗拉姆斯蒂德去世,。又過了11年之后，他的遺孀和助手這才終于整理完所有的數(shù)據(jù),，出版了《不列顛星表》（Historia Coelestis Britannica）,。這本書記錄了3000個星星的位置，準(zhǔn)確到10秒弧度,，是當(dāng)時世界上最準(zhǔn)確的星表,。
　　這本星表是月距法的一個重要的支柱。另一根支柱是預(yù)測月球的運動軌跡,，有意思的是,，恰恰是弗拉姆斯蒂德本人，延誤了這根支柱的解決時間,。
　　原因就是那次著名的“燒書事件”,。后人大都十分贊同弗拉姆斯蒂德的做法，把他燒書的行為看作是一個不向強(qiáng)權(quán)妥協(xié)的典范,�,？墒牵瑢嶋H情況并沒有那么簡單,。當(dāng)時牛頓正在試圖通過萬有引力公式計算出月球的軌道,，可是，這個計算非常復(fù)雜,，因為他必須同時考慮地球,、月亮和太陽之間的引力作用,。據(jù)說牛頓每次一想起這個問題就會頭痛，必須想點別的,，否則就睡不著覺,。
　　弗拉姆斯蒂德手里掌握著月球的觀測數(shù)據(jù)，這對牛頓的計算非常有幫助,，所以牛頓急著想要得到結(jié)果，以便自己能盡快找出計算月球軌道的竅門,�,？墒歉ダ匪沟俚率莻€非常極端的完美主義者，他一定堅持要把所有星星的數(shù)據(jù)都做在一本完美的書里,。結(jié)果,，由于得不到弗拉姆斯蒂德數(shù)據(jù)的支持，牛頓被迫放棄了這項研究,，否則的話他很可能早就計算出了月球的運動軌跡,，月距法也就很可能早就被應(yīng)用到航海中了。
　　現(xiàn)代科學(xué)的進(jìn)步不能光靠孤軍奮戰(zhàn),，需要科學(xué)家之間進(jìn)行廣泛的合作,。弗拉姆斯蒂德在性格上的某些缺欠防止了他和別人合作，這其實應(yīng)該算是他一生中最大的敗筆,。
　　正是因為月距法陣營的自亂陣腳,，才給了鐘表法一個奮起直追的機(jī)會。經(jīng)度之戰(zhàn)終于正式打響了,。

negtive · 發(fā)表于 2015-3-27 23:17:01

航海表,，關(guān)于材料和設(shè)計與目標(biāo)相適應(yīng)相配合的故事。

srt123 · 發(fā)表于 2015-3-27 23:54:25

本帖最后由 srt123 于 2015-3-28 00:11 編輯

七

　　300年前,，也就是1707年10月,，英國海軍上將克勞迪斯里•肖維爾爵士（Sir Clowdisley Shovell）率領(lǐng)一支英國艦隊在地中海打敗了法國�,？墒�,，在返航途中，船隊遇到了大霧,，有12天見不到太陽,。船員們只能通過對航速的估算，判斷自己的位置,。
　　10月22日晚,，肖維爾爵士驚恐地發(fā)現(xiàn)，船隊駛進(jìn)了錫利群島中間,，觸礁在所難免,。肖維爾肯定后悔極了,，就在那天白天，他剛剛下令處死了一名水手,，此人竟然向他報告說,，領(lǐng)航員測出的經(jīng)度是錯的，艦隊正在駛向死亡,。英國海軍嚴(yán)禁下屬越級報告船只位置,，這位水手冒著掉腦袋的危險說出了自己的擔(dān)心。為了嚴(yán)肅軍紀(jì),，肖維爾爵士以“叛亂罪”把此人絞死在甲板上,。
　　可是，當(dāng)天晚上大霧迷漫,，肖維爾爵士后悔都來不及了,。旗艦“聯(lián)合”號首先撞上暗礁，并迅速沉沒,。另外3艘軍艦也先后步其后塵,。就這樣，在短短的幾分鐘內(nèi),，整個艦隊的5艘戰(zhàn)船沉沒了4艘,，1600多名水手被淹死。只有兩人奮力游到了岸上,，其中一人就是肖維爾爵士本人,。可是,，就在他精疲力竭地躺在沙灘上休息時,，一個貪婪的婦女發(fā)現(xiàn)了他。為了得到他手指上的那枚綠寶石戒指,，她殘忍地殺死了肖維爾爵士,。30年后，這位婦女臨終前向牧師坦白了自己犯下的罪惡,，并拿出那枚戒指做為證據(jù),。
　　其實，類似的海上悲劇早已發(fā)生過多起,。17世紀(jì)末期,，每年都有將近300艘商船往返于不列顛群島和西印度群島之間，與中北美洲進(jìn)行貿(mào)易,。每艘船上的貨物都價值連城,，因此經(jīng)常受到海盜的襲擊。由于測不準(zhǔn)經(jīng)度，遠(yuǎn)洋船經(jīng)常在海上迷失方向,，浪費很多時間,。當(dāng)時還不知道維生素的作用，海員們由于缺乏維生素C,，很容易得壞血病,。他們的血管壁非常脆弱，經(jīng)常造成內(nèi)出血,，人浮腫得厲害,，痛苦不堪。一旦腦血管破裂,，就要把命搭上,。
　　錫利群島發(fā)生的悲劇由于距離英國本土近，死亡人數(shù)多,，在英國國內(nèi)引起了廣泛的關(guān)注，經(jīng)度問題再一次成了街頭巷尾議論的話題,，甚至變成了一項全民“智力測驗”,。不斷有人提出一些匪夷所思的建議，其中最有趣的要算是“通靈藥粉法”,。這人聽說有個法國爵士發(fā)明了一種神奇的藥粉,，可以幫助皮膚割傷的人盡快愈合（盡管愈合過程非常疼痛）。這種藥粉具有通靈的效果,，只要把它涂抹在割傷病人的那把刀上,，就能夠產(chǎn)生功效。于是,，他設(shè)想,，在每一艘出海的遠(yuǎn)洋船上養(yǎng)一條狗，事先用刀在狗身上割一個口子,。然后留在倫敦的助手只要每天中午12點按時在刀口撒一點“通靈藥粉”,，就能讓遠(yuǎn)在天邊的狗感覺到疼，因而大叫起來,。于是,，船員就可以確切地知道倫敦當(dāng)?shù)貢r間了！
　　明眼人很容易看出這個方法屬于偽科學(xué),，但是當(dāng)時竟然真的有人相信,，可見偽科學(xué)無論何時何地都會有市場。
八

　　還有一些人,，提出了一些看似合理的建議,。比如，英國有兩位頂尖的數(shù)學(xué)家在一次閑談中想出一條“妙計”,，兩人在《衛(wèi)報》上合寫了一篇文章,，詳細(xì)描述了這個方法：派出一支海上艦隊,，每隔600英里停一艘，這就相當(dāng)于在海上建立了一串烽火臺,。然后,，每艘船都在當(dāng)?shù)貢r間午夜零點的時候向天空中發(fā)射一枚煙花彈，往來船只只要注意聆聽煙花彈發(fā)出的爆炸聲就能知道自己的位置了,。
　　兩位數(shù)學(xué)家根本沒有考慮過,，供養(yǎng)這樣一只龐大的艦隊是否可行�,？伤麄z居然還想到了海盜的問題,，在建議書中寫到：“如果有人膽敢破壞信號船，應(yīng)被視為嚴(yán)重的犯罪行為,�,！�
　　這個方法不能算偽科學(xué)，但是很顯然,，這兩人都是在書齋里坐得太久了,，完全不了解外面的世界到底是怎樣的。類似這樣的科學(xué)家直到現(xiàn)在還經(jīng)常出現(xiàn)在公眾的視野里,，依靠一些異想天開的主意,，指點江山。
　　這兩人很執(zhí)著,。他們自費出版了一本小冊子,，并在英國發(fā)起了一項情愿活動，很多艦隊隊長,、商船船長和商會代表在情愿書上簽了字,。他們向英國政府施壓，要求設(shè)立一筆獎金,，促進(jìn)經(jīng)度問題的解決,。1714年，英國國會真的成立了一個“經(jīng)度委員會”（Longitude Board）,，英國人動真格了,。
　　委員會剛成立不久，委員們就去找牛頓,，請他提意見,。當(dāng)時牛頓已經(jīng)72歲了，自知很難憑借自己的腦力解決這個問題,。但是他還是認(rèn)真地寫了一份意見書,，總結(jié)了幾種可能的解決辦法。他首先指出，鐘表法理論上是可行的,，但是由于船只的運動,，以及遠(yuǎn)洋過程中濕度、溫度和重力的不斷變化,，這樣的鐘表還沒有造出來,。他還暗示說，符合航海要求的鐘表將來也不太可能被制造出來,。
　　他還提出了月距法,，認(rèn)為這種方法也是可行的，但天文學(xué)家們?nèi)孕柽M(jìn)行大量的工作,。
　　委員會認(rèn)真考慮了牛頓的建議,，決定設(shè)立經(jīng)度獎金，對所有合理的方法,，無論是否出自英國本土科學(xué)家之手,，一律一視同仁。1714年7月8日,，英國政府正式頒布了一項“經(jīng)度法案”,，法案規(guī)定，凡是有辦法在地球赤道上將經(jīng)度確定到半度范圍內(nèi)的人,，獎勵2萬英鎊,；將經(jīng)度確定到三分之二度范圍內(nèi)的人,，獎勵1.5萬英鎊,；將經(jīng)度確定到一度范圍內(nèi)的人，獎勵1萬英鎊,。
　　當(dāng)時地理學(xué)家已經(jīng)知道,，地球赤道上經(jīng)度一度的距離大約是60海里，相當(dāng)于108公里,。這個距離對于航海來說并不是一個可以忽略不計的距離,，由此可見當(dāng)時人們對經(jīng)度的測量是非常沒有信心的。
　　這個經(jīng)度大獎如果對應(yīng)于時間的話,，是多少呢,？已知每小時對應(yīng)的經(jīng)度是15度，半度經(jīng)度就相當(dāng)于2分鐘,。當(dāng)時,，從倫敦出發(fā)的帆船大約需要6個星期的時間才能到達(dá)加勒比海，由此可以算出,，如果采用鐘表法的話,，這塊表每天的誤差不能大于3秒鐘。前文已經(jīng)指出，當(dāng)時格林威治天文臺使用的那臺堪稱世界最準(zhǔn)的擺鐘也只能做到每天誤差不超過2秒,，而那是一臺鐘擺長達(dá)4米的龐然大物,，而且還是在陸地上工作！所以,，當(dāng)時沒人能夠想象得出如何才能造出這樣一臺鐘表,，能夠抵抗遠(yuǎn)洋航行的干擾。
　　但是,，2萬英鎊的誘惑實在是太大了,！據(jù)估計，1714年時的2萬英鎊大約相當(dāng)于現(xiàn)在的1800萬美元,。換算成人民幣的話,，這是一筆超過1億元的巨款！
　　重賞之下必有勇夫,。很快,，經(jīng)度委員會的門檻就被前來應(yīng)征的人們擠破了�,？上У氖�,，很多人連具體問題都沒有搞清，有人拿來了永動機(jī)的設(shè)計模型,，還有人拿來了測量航速的“秘密武器”,。這些方法完全不靠譜，委員會的人只有苦笑,。
　　有個名叫杰瑞米·塔克（Jeremy Thacker）的人提出過一個值得一提的方法,。他設(shè)計了一臺小巧的擺鐘，把它放進(jìn)一個真空容器里,，這樣就避免了氣壓和濕度的影響,。他設(shè)想這臺“精密時計”（Chronometer）被放在一個常平架上，這樣就杜絕了船只搖晃產(chǎn)生的影響,�,？墒牵@樣一臺鐘表并不能抵抗溫度的變化,。要知道,，擺鐘的速度和鐘擺長度有很大的關(guān)系，長度的微小變化就將帶來巨大的差異,。事實上,，塔克經(jīng)過試驗后承認(rèn)，他設(shè)計的這臺“精密時計”即使在最完美的情況下,，也只能做到每天誤差低于6秒,，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到經(jīng)度委員會的要求,。
　　這樣一個“世紀(jì)難題”，需要一個百年不遇的天才來解決,。經(jīng)度之戰(zhàn)的主角馬上就要出場了,。

　　九

　　300多年前，一個平凡的人根本不會在地球上留下多少痕跡,，約翰·哈里森（John Harrison）就是這樣,。他于1693年3月24日出生在英國約克郡，在家里的5個孩子中排行老大,。關(guān)于他的家庭,，以及童年生活的細(xì)節(jié)，至今所知甚少,，只知道他們一家不知何故突然搬到了林肯郡的一個名叫巴羅的小村子,，附近有一條名叫亨波的小河。
　　哈里森子承父業(yè),，跟著父親學(xué)會了做木工,。沒人知道他跟誰學(xué)的小提琴，反正后來他曾經(jīng)在教堂的唱詩班擔(dān)任指揮,，并且對音階的基本理論發(fā)生了興趣,。同樣，沒人知道他從何時開始突然渴望讀書,，那時有關(guān)自然科學(xué)的書非常稀少,，一位牧師借給他一本劍橋大學(xué)數(shù)學(xué)家桑德森教授所做的自然哲學(xué)講座的記錄，哈里森如獲至寶,，把整本書都抄了下來,，還給這本手抄本起了個名字，叫《桑德森先生的機(jī)械學(xué)》,。
　　成年后的哈里森對文學(xué)一直缺乏興趣,，一輩子拒絕閱讀莎士比亞,，卻把這本《機(jī)械學(xué)》,，以及牛頓的《自然哲學(xué)之?dāng)?shù)學(xué)原理》奉為珍寶。事實證明,，哈里森確實缺乏文學(xué)素養(yǎng),，不善于用書面語言清楚地表達(dá)自己的意思。他曾經(jīng)把自己和經(jīng)度委員會打交道的過程寫成了文字,，結(jié)果第一句話就占了25頁,，而且?guī)缀醪粠б粋€標(biāo)點符號！
　　1713年,，19歲的哈里森造出了一臺擺鐘,。沒人知道他為什么這么做,，也沒有證據(jù)證明他跟任何人學(xué)過這門手藝，因為當(dāng)時巴羅村附近從沒有生活過任何一位鐘表匠,。后人猜測他只是把一座現(xiàn)成的擺鐘拆了開來,，研究了一下內(nèi)部結(jié)構(gòu)，就自己仿制了一臺,�,？墒牵菚r的擺鐘非常昂貴,，很難想象哈里森是如何得到一臺能讓他隨便拆解的擺鐘的,。
　　值得一提的是，英國人特別喜歡機(jī)械,，歷史上出過很多機(jī)械大師,。世界上第一座機(jī)械鐘就是由英國貝特福德郡的一個不知名的英國機(jī)械師于1283年制造出來的，在此之前人們只能用日晷,、沙漏或者水漏來計時,。
　　無論哈里森從哪里得到的靈感，他確實造出了一臺擺鐘,。如今它被保存于倫敦同業(yè)工會會所的展覽室內(nèi),，凡是看到它的人都會首先發(fā)現(xiàn)一個令人驚訝的事實：這座擺鐘幾乎完全是用木頭做成的。它用橡木做齒輪,，黃楊木做軸,，只在連接處用了少量的黃銅和鐵。哈里森確實是一個好木匠,，他對木頭的結(jié)構(gòu)很有研究,，充分利用了橡木的紋理，把最堅實耐磨的部分用在了齒輪上,，因此這臺鐘的木齒在正常情況下永遠(yuǎn)不會因磨損而脫齒,。
　　哈里森在1715年和1717年又分別制造了兩臺一模一樣的木頭擺鐘。他邊干邊鉆研,，搞清了所有機(jī)械鐘表誤差的來源,。1720年，當(dāng)?shù)匾晃痪羰砍鲥X讓哈里森幫忙在自己莊園里建造一座塔鐘,，他花了2年時間造了出來�,，F(xiàn)在這座塔鐘仍在報時，近300年的時間里里除了一次裝修外從來沒有間斷過,。
　　這座塔鐘也是木制的,，不用上油就能工作。哈里森選用了一種會自己滲出油脂的熱帶堅木做為摩擦部件,，非用金屬不可的地方也都選用了上等黃銅,，因此這臺鐘完全不必?fù)?dān)心生銹,，杜絕了空氣濕度對精度造成的影響。
　　但是,，這座鐘真正值得稱道的是哈里森做出的兩大發(fā)明,。第一，他設(shè)計了一種新式擒縱器（Escapement）,，并根據(jù)它的樣子起名叫做“螞蚱”（Grasshopper）,。擒縱器是鐘表的核心部件，它在鐘表的動力源（比如彈簧“弦”）和計數(shù)器（比如鐘擺）之間建立了聯(lián)系,，負(fù)責(zé)把能量傳遞給計數(shù)器,，同時把計數(shù)器的脈動傳遞給鐘表指針。通常,，擒縱器是摩擦的主要來源,，但哈里森設(shè)計了一種像螞蚱腿似的擒縱器，幾乎完全沒有摩擦,，這就極大地提高了鐘表的精度和抵抗環(huán)境變化的能力,。
　　第二，哈里森設(shè)計了一個“烤架”式鐘擺,。如前所述,，鐘擺的長度對擺動頻率影響極大，而金屬的熱脹冷縮是早期鐘表不準(zhǔn)的最大的原因,。哈里森通過實驗知道,，銅和鐵有著不同的熱脹冷縮比，于是他把9根長短不同的銅棍和鐵棍并列在一起,，組成一個像烤肉架一樣的東西,，兩種金屬不同的漲縮程度相互抵消，于是鐘擺的長度就不受溫度的影響了,。
　　為了驗證這座塔鐘的準(zhǔn)確度,，哈里森學(xué)會了利用星星來定時。他和弟弟合作,，每天在自家臥室里觀察幾顆恒定的星星,。他們用臥室窗戶的窗框和鄰居家的煙囪做為準(zhǔn)線，記錄這幾顆星星消失在煙囪背后的時間,。因為地球自轉(zhuǎn)的緣故,，每顆星的消失時間都會比前一天快3分56秒,。哈里森用這架“天文鐘”矯正了自制的塔鐘,，發(fā)現(xiàn)這臺塔鐘每個月誤差不超過1秒鐘，其精度達(dá)到了前所未有的高度,。如此高的經(jīng)度完全得益于這兩項新技術(shù),，哈里森單槍匹馬引發(fā)了制表業(yè)的一次革命,。

　　十

　　沒人知道哈里森是在什么時候知道經(jīng)度獎金的。不過經(jīng)度問題是當(dāng)時歐洲家喻戶曉的一個難題,，哈里森沒有理由不知道,。但是，據(jù)他后來回憶,，直到1727年時他才開始專注于這個問題,，畢竟他在此之前制造的鐘表都是固定在地上的。要想適應(yīng)海洋,，還需克服不少新的困難,。
　　哈里森經(jīng)過4年的努力，終于想出了解決船只晃動的辦法,。他設(shè)計了一種平衡擺,，兩只鐘擺的兩頭分別用一根彈簧連接在一起。這樣一來,，一根鐘擺受到的震動就會被另一根鐘擺所抵消,，無論船再怎么搖晃，都不會影響這種平衡擺的頻率,。
　　想出了這個妙法之后,，哈里森正式?jīng)Q定向經(jīng)度難題發(fā)起挑戰(zhàn)。他帶著設(shè)計圖紙,，去倫敦找經(jīng)度委員會,。可一問才知,，這個大名鼎鼎的委員會連個辦公室都沒有,。原來，委員們受不了白癡們整天轟炸,，干脆雇了一名秘書負(fù)責(zé)把關(guān),，他所做的工作就是打印一封封格式化的回信，告訴那些瘋子們：你們別想了,，這2萬英鎊不屬于你們,。
　　找不到委員會，哈里森只好去找他唯一聽說過的人－格林尼治天文臺的新臺長哈雷,。哈雷待人非常熱情,，他耐心聽了哈里森的述說，然后誠懇地告訴他：經(jīng)度委員會只有三類人：天文學(xué)家,、數(shù)學(xué)家和航海家,，沒人能看懂你的圖紙。
　　哈雷推薦哈里森去找喬治·格雷厄姆（George Graham）,。此人比哈里森大20歲,，是當(dāng)時倫敦最有名的鐘表匠,，也是英國皇家學(xué)會（相當(dāng)于中國科學(xué)院）的會員。第二天上午十點,，哈里森準(zhǔn)時敲開了格雷厄姆家的大門,。一開始格雷厄姆的態(tài)度并不十分友好，可當(dāng)他看了一眼圖紙后,，立刻意識到眼前這個從鄉(xiāng)下來的木匠不是在開玩笑,。結(jié)果，兩人從上午十點一直討論到晚上八點,，格雷厄姆還請哈里森吃了頓豐盛的晚飯,。臨走前，格雷厄姆從自己的私人金庫里拿出200英鎊,，把它做為無息貸款借給了哈里森,。
　　“你不用著急還這筆錢，”格雷厄姆說,，“我只想盡快地看到你用這筆錢做出一臺樣鐘來,。”
　　這位喬治·格雷厄姆被后人譽為“正直的喬治”,，是有道理的,。
　　哈里森拿到這筆巨款后，立刻回家和弟弟一起開始了艱苦的工作,。5年之后,，也就是1735年，第一臺樣鐘做出來了,。這臺被稱為H1的航海鐘重達(dá)42公斤,，被裝在一個長寬高均為1.3米左右的銅殼內(nèi)。兄弟倆用家里的壁爐檢驗了它抵抗高溫的能力,，又把它放進(jìn)一艘小船,，在村子旁邊的亨波河上檢驗了它對付搖晃的水準(zhǔn)。滿意了之后,，兩人把它抬到了倫敦,，去找格雷厄姆。格雷厄姆立即找了5位皇家學(xué)會的會員前來參觀,，其中自然包括哈雷,。5人檢查了H1的機(jī)械結(jié)構(gòu)，一致叫好,，并聯(lián)名給經(jīng)度委員會寫了一封熱情洋溢的推薦信,。
　　有了專家的推薦，經(jīng)度委員會出錢讓哈里森帶著H1出海檢驗。首次遠(yuǎn)航的目的地選擇了葡萄牙的里斯本,，1736年,，英國海軍大臣親自寫了一封介紹信,，把哈里森送上了“百夫長”號軍艦,。船長普羅克特安排H1“住”進(jìn)了自己的休息室，還用鐵鉤把H1吊在房頂上,，盡量減少震動,。哈里森就沒這么好運氣了，這是他第一次出海,，暈得上吐下瀉,。所幸去時遇到順風(fēng)，一個星期后就到達(dá)了里斯本,�,？纱豢堪叮眯牡钠樟_克特船長就猝死了,，沒有來得及在航海日志上留下關(guān)于H1的任何記錄,。
　　回程的時候，“百夫長”號遇到了風(fēng)暴天氣,，在海上飄了一個多月才返回英國,。就在船快要靠岸的時候，新船長認(rèn)為對面是達(dá)特茅斯附近的斯塔特,，而哈里森根據(jù)H1給出的經(jīng)度數(shù)據(jù),，認(rèn)為這是彭贊斯半島上的利澤德。
　　最后證明H1是對的,，兩地相差100公里,。在暗礁密布的英國海灘，這100公里的差別足以造成一次海難,。

　　十一

　　1737年6月30日,，經(jīng)度委員會的8名常委聚在一起開會，聽取哈里森的報告,。8人中除了哈雷以外,，還有2名來自海軍的高官，3名皇家科學(xué)院的教授,，以及2名政界人士,。說來奇怪，這是經(jīng)度委員會成立23年以來第一次召開全體會議,，因為他們根本沒有必要這么做,，一個秘書就足以打發(fā)在此之前的所有應(yīng)征者們。也許有人會批評他們這樣做有些傲慢，但是當(dāng)你整天面對的都是一些“經(jīng)度瘋子”時,，誰也沒這個耐心,。而哈里森所受的待遇正好說明，專家們絕不都是一些狂妄自大的人,。
　　出乎委員們的意料,，哈里森并沒有急于申請進(jìn)行一次駛往加勒比海的試驗（因為這是獲得經(jīng)度獎金所必須的），而是逐條指出了H1的不足之處,。按理說,，H1的經(jīng)度足以保證哈里森獲得二等獎，但哈里森是個完美主義者,，他通過這次里斯本試驗,，發(fā)現(xiàn)了幾個設(shè)計上的小錯誤。他知道自己有能力改正這些錯誤,，造出一臺“完美”的時間機(jī)器,。為此，他向經(jīng)度委員會申請,，先不做加勒比海試驗,，而是預(yù)支一筆經(jīng)費，讓他再制造一臺新的航海鐘,。
　　其實,，當(dāng)初的“經(jīng)度法案”有過這方面的規(guī)定。為了鼓勵應(yīng)征者,，經(jīng)度委員會有權(quán)向提出可行性方案的窮人預(yù)支獎金,，做為試驗經(jīng)費。于是,，經(jīng)度委員會當(dāng)即同意了哈里森的要求,，預(yù)支給他500英鎊，供他再制造一臺新的改進(jìn)型航海鐘,。
　　事實上,，經(jīng)度委員會一直存在了100多年，累計預(yù)支出去的研究經(jīng)費高達(dá)10萬英鎊,�,？梢哉f，經(jīng)度委員會是人類歷史上第一個官方的研究開發(fā)資助機(jī)構(gòu),。
　　哈里森只花了3年的時間就做好了H2,。1741年1月，哈里森帶著H2回到倫敦,，把它展示給經(jīng)度委員會,。H2比H1略小，卻反而更重了，因為哈里森把原先一部分木質(zhì)材料改成了銅,。除此之外,，哈里森改進(jìn)了驅(qū)動系統(tǒng)，并設(shè)計了一個更加靈敏的溫度補(bǔ)償器,。
　　當(dāng)時英國正在和西班牙開戰(zhàn),，因此經(jīng)度委員會沒有急著讓它出海，而是在陸地上對H2進(jìn)行了一系列比海上條件更加嚴(yán)酷的試驗,，H2經(jīng)受了考驗,。
　　但是,，哈里森卻又一次提出了反對意見,。原來，他在H2完成之后才意識到,，原先的設(shè)計不能抵抗船只轉(zhuǎn)彎時造成的離心力,，因此每次改變航向都會對航海鐘帶來一個微小的誤差。哈里森絕不允許一臺不完美的航海鐘出海試驗,，他又向經(jīng)度委員會申請了500英鎊,，并保證將會做出一臺“世界上最完美的鐘表”。
　　此時的哈里森已經(jīng)48歲了,。他舉家搬到了倫敦,，把自己關(guān)在房子里，開始制造H3,。他的助手已經(jīng)從弟弟換成了兒子威廉·哈里森（William Harrioson）,。威廉是老哈里森和第二個妻子生下的孩子，也是哈里森所生的三個孩子當(dāng)中唯一長大成人的,。當(dāng)時威廉只有13歲,，他的童年和青春期都是在H3的陪伴下度過的。

　　十二

　　1741年還發(fā)生了兩件大事,。第一,，一支英國艦隊奉命駛向南美洲，其中就有哈里森曾經(jīng)乘坐過的軍艦“百夫長”號,，新船長名叫喬治·安森（George Anson）,。這次航行沒有帶H1，而是依然靠水手的估計來判斷經(jīng)度,。沒想到,，就在艦隊駛過南美洲最頂端的合恩角時，遇到了風(fēng)暴,。連續(xù)58天的狂風(fēng)暴雨把他們徹底吹離了航道,，艦隊的其它5艘戰(zhàn)艦也和“百夫長”號失散了。等到雨停了之后，安森完全判斷不出自己到底在哪里,。此時船上的給養(yǎng)快用光了,，不少船員得了嚴(yán)重的壞血病，完全失去了勞動能力,，必須立刻上岸補(bǔ)充淡水和食品,，否則只有死路一條。
　　安森知道南美洲太平洋一側(cè)的外海有一個名叫費爾南德斯的小島,，位于南緯35度的地方,。可安森不知道自己的經(jīng)度,，只能先向北駛到南緯35度,，然后沿著緯度線航行。但是,，到底向東還是向西走呢,？安森決定向西�,？勺吡�4天都沒有見到大陸,，他心里有點發(fā)慌了。船上每天都要死掉6－10個人,，再找不到陸地,，恐怕就連操縱帆船的人都沒有了。
　　于是,，安森決定立即掉頭往東,。此時正刮西風(fēng)，兩天之后他們就看到了陸地,。誰知走近一看,，卻發(fā)現(xiàn)這是西班牙占領(lǐng)的智利，海岸邊都是懸崖峭壁,，根本無法登陸,！沒辦法，他又只好再一次掉轉(zhuǎn)船頭,。事實上,，安森后來承認(rèn)，當(dāng)時“百夫長”號距離費爾南德斯只有幾個小時的航程了,，只要再堅持一下,，就能發(fā)現(xiàn)海島。
　　因為測不出經(jīng)度,，“百夫長”號在海上耽誤了2個星期,，多賠進(jìn)去80條生命,。
　　當(dāng)哈里森得知“百夫長”號的悲劇時，正在倫敦的家中緊張地忙碌著,。不過他顧不上為這艘船的命運擔(dān)憂,，因為又傳來一條壞消息：經(jīng)度委員會中最支持他的哈雷因病去世，頂替他的是第三任皇家天文臺臺長－詹姆斯·布拉德利（James Bradley）,。布拉德利是牛津大學(xué)的天文學(xué)教授,，曾經(jīng)試圖測出地球到星星之間的距離，雖然沒有成功,，但卻因此而測出了準(zhǔn)確的光速,。
　　布拉德利是經(jīng)度委員會的8名常委之一，曾經(jīng)簽名支持過哈里森,。但是,，做為一個天文學(xué)教授，他更希望月距法獲得經(jīng)度獎金,。上任之后,，布拉德利立刻開動馬力,，加快月距法的研究進(jìn)程,。經(jīng)度之戰(zhàn)從此進(jìn)入了白熱化的階段。
　　前面說過,，第一任英國皇家天文臺臺長弗拉姆斯蒂德的遺孀于1725年出版了《不列顛星表》,，月距法的一大支柱問題解決了。1731年,，也就是哈里森完成H1的設(shè)計草圖的那年,，兩個分別住在大西洋兩岸的發(fā)明家發(fā)明了反射象限儀（又叫八分儀）。這是一種用來直接測量星體夾角的儀器,，有了它,，船員們就可以在晃動的甲板上直接量出月亮和星星之間的距離。
　　歐洲的海員們把這架儀器叫做哈德利象限儀,，因為這是英國人約翰·哈德利（John Hadley）發(fā)明的,。但是，幾乎與此同時,，遠(yuǎn)在美國的托馬斯·戈弗雷（Thomas Godfrey）也做出了一臺幾乎一模一樣的象限儀,，只是由于當(dāng)時的美國不夠強(qiáng)大，戈弗雷的名字只是在科技?xì)v史書上才會出現(xiàn),。這一現(xiàn)象不是偶然的,，這說明當(dāng)時的科技界盛行單兵作戰(zhàn)，合作的必要性還沒有得到科學(xué)家們的足夠重視,。
　　月距法是個例外,，因為這個問題實在是太復(fù)雜了,，不可能憑借一人之力獲得成功。就拿星表來說,，英國人弗拉姆斯蒂德只是完成了北半球的星表,，南半球的星表是一個名叫尼古拉斯·路易斯·拉卡雷（Nicolas Louis de Lacaille）的法國天文學(xué)家完成的，為此他專程前往南非的好望角,，在那里住了很多年,，最終完成了對南方天空的觀察記錄。
　　月距法的另一大支柱－月球的運動軌跡,，則是由一名德國人完成的,。托比厄斯·邁耶（Tobias Mayer）是一個在地圖局工作的德國制圖專家，他于1755年制作了一份《月球表》,，準(zhǔn)確地描述了月球在任意時刻的位置,。邁耶也不是一個人在戰(zhàn)斗，他參考了瑞士數(shù)學(xué)家倫哈德·歐拉（Leonhard Euler）對月球軌道所做的計算,。歐拉是一個天才的數(shù)學(xué)家,，他用一組優(yōu)美的方程式描述了地球、太陽和月亮之間的相對運動,，解決了那個令牛頓感到頭疼的數(shù)學(xué)問題,。
　　1757年，布拉德利拿到了邁耶的《月球表》,。他用自己在格林尼治天文臺觀測多年得到的數(shù)據(jù)和這份表格做了對比,，發(fā)現(xiàn)其誤差已經(jīng)足夠小，滿足了經(jīng)度獎金所規(guī)定的精度范圍,。為了保險起見,，他派出多名天文學(xué)家，到世界各地進(jìn)行觀測,，以期進(jìn)一步驗證這個表格的準(zhǔn)確性,，其中一人名叫內(nèi)維爾·馬斯卡林（Nevil Maskelyne），是布拉德利的好友,，也是哈里森最大的敵人,。
　　無論從哪個方面看，馬斯卡林都很像是那個固執(zhí)的弗拉姆斯蒂德,。他出生于1732年10月5日,，比哈里森年輕40歲。他從小就是一個學(xué)習(xí)刻苦的好學(xué)生,，一心想成為一名重量級的科學(xué)家,。迷上天文學(xué)后，他更是一心鋪在上面,，甚至把婚期推遲到了他52歲那年,，比弗拉姆斯蒂德都要晚6年,。
　　認(rèn)識馬斯卡林的人都說他是個冷酷的家伙，他對除了天文之外的一切事情絲毫不感興趣,。他喜歡用第三人稱稱呼自己,，甚至在自傳中也是這樣。他過了一輩子機(jī)器人似的生活,，甚至把自己所花的每一筆錢都做了記錄,，但這份記錄卻采取了一種超然物外的口吻，絲毫不帶有任何感情因素,。
　　但是,，馬斯卡林有一點和弗拉姆斯蒂德完全相反。在對待月距法的態(tài)度上,，他一點也不在乎到底是誰做出的貢獻(xiàn),，而是只要有用，就毫不遲疑地拿來用,。不過,，絕不能以此來指責(zé)馬斯卡林剽竊，事實上,，馬斯卡林的態(tài)度才是科學(xué)家應(yīng)該有的,，因為只有這樣才能集思廣益，盡快地解決問題,。
　　當(dāng)然,，馬斯卡林也許并不是為那些在海上懵登轉(zhuǎn)向的海員們著想。他的目的很簡單：贏得經(jīng)度獎金,。他知道，自己只有一個敵人,，那就是哈里森,。

　十三

　　就在天文學(xué)家們組成跨國聯(lián)盟，共同向終點發(fā)起沖刺的時候,，哈里森卻陷入了泥潭,。H3進(jìn)展得很不順利，遲遲沒能完工,。有人曾經(jīng)懷疑他利用自己的名氣為別人制造鐘表賺取外快,，但事實證明，那段時間他只是零星地接過幾次小活,，他的收入來源幾乎完全來自經(jīng)度委員會,。根據(jù)記載，哈里森曾數(shù)次向經(jīng)度委員會提出延期,，并申請經(jīng)費支持,。經(jīng)度委員會滿足了他的要求,，一共給他撥過5次款，每次500英鎊,。
　　看似很多嗎,？可是，這2500英鎊支持了哈里森19年,！
　　1757年,，哈里森終于完成了H3。這臺機(jī)器只有60厘米高,，30厘米寬,，重量也只有35公斤。H3包含了幾項新的發(fā)明,，哈里森用圓形的平衡器代替原來的啞鈴平衡器,，解決了離心力的問題。他制造了一塊“雙金屬片”（Bimetallic Strip）,，代替了原先用來抵抗溫度變化的“烤架”,。這種金屬片至今仍然被廣泛用于恒溫器內(nèi)。他還發(fā)明了一種“帶夾圈的滾珠軸承”（Caged Roller Bearing）,，直到現(xiàn)在還能在帶運動部件的機(jī)器上找到這種軸承,。
　　H3一共包含了753個零件，是到那時為止最復(fù)雜的一臺鐘表,。哈里森父子倆深感力不從心,，便把許多部件承包給了倫敦的鐘表匠。但是哈里森非常小心地不讓他們接觸到整體設(shè)計,，他不想讓H3的秘密被外人知道,。這樣做雖然對保護(hù)專利非常有利，但卻屏蔽了他人的智力,，減緩了H3的進(jìn)度,，客觀上給了月距法一個趕超的機(jī)會。
　　值得深思的是,，正是一次來自他人的貢獻(xiàn),，使得哈里森茅塞頓開，最終解決了經(jīng)度難題,。1753年,，哈里森委托一位名叫約翰·杰弗里斯（John Jefferys）的鐘表匠為他制作一塊私人用的懷表。這塊表用到了很多H3里面的技術(shù),，只不過被大大縮小了,。出乎哈里森意料之外，這塊懷表居然非常準(zhǔn)時,。要知道,，以前的鐘表匠們都認(rèn)為擺鐘是越大越準(zhǔn),，可是，在哈里森解決了一些常見的技術(shù)問題之后,，這項規(guī)則悄悄發(fā)生了變化,，高頻的振子反而比體型巨大的擺鐘更加穩(wěn)定和準(zhǔn)確。哈里森直到親自使用了杰弗里斯制造的懷表后才恍然大悟,，明白了這個道理,。
　　1757年，哈里森再一次向經(jīng)度委員會申請延期,，他打算把過去的設(shè)計推倒重來,，制造一塊航海用的懷表。2年之后,，也就是1759年,，H4問世了。跟它的三位兄長相比,，H4是個名副其實的小不點,。它的直徑為13厘米，重1.45公斤,，做為懷表略微大了點,，但仍然可以很容易地裝進(jìn)一個銀表盒里，隨身攜帶,。
　　這塊表內(nèi)最重要的部件大概是幾塊微小的鉆石,，哈里森把它們裝在齒輪之間，用來消除摩擦,。大概是因為H4太小了,，就連哈里森也沒法完全省掉潤滑油，所以H4必須每3年拆洗一次,。
　　哈里森對這塊表非常滿意,。“我斗膽說,，世界上沒有哪個機(jī)械或者數(shù)學(xué)的東西比H4更漂亮或者更精美了，”哈里森說,，“我衷心感謝上帝,，讓我活了足夠長的時間完成了這件寶貝�,！�
　　接下來所要做的就是讓H3和H4去加勒比海走一趟,。此時老哈里森已經(jīng)67歲了，無法親自跑一趟,，好在兒子威廉完全能夠勝任這一工作,。1761年5月,，威廉帶著H3來到樸次茅斯港等待經(jīng)度委員會派船出海，老哈里森留在家里繼續(xù)對H4做最后的精調(diào),。誰知經(jīng)度委員會遲遲沒有發(fā)船,，哈里森斷定是天文臺新臺長布拉德利搗的鬼。布拉德利肯定是不會承認(rèn)這一點的,，他有足夠的理由為自己辯解：他正忙著觀測金星凌日呢,。

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