[转帖]光荣与梦想——探索经度
我的征途是星辰大海！——莱因哈特 罗严克拉姆 背景 征服未知的世界，是每个男人心中的梦想，人类对於海洋的探索，至少已经有两千多年的历史，直到现在这个宇航时代仍未停止。征服大海，除了需要克服风暴、巨浪、营养不良和孤独忧郁等因素，还有一个长期存在的很大障碍----就是航海方向和定位问题。茫茫大海无边无际，船开出10天半个月仍然是一片汪洋，船长不但要了解自己的船在往哪里开，还要知道船已经开到了哪里，缺少任何一个条件都会造成迷航甚至失事。 在东方，到了宋朝(南宋)，定位问题已经基本解决，指南针的升级版本----罗盘已经投入到民间航海应用。而到了15世纪初明朝的郑和下西洋，中国的航海技术已经相当先进。上万人的大舰队用的是水罗盘，受海况干扰很小，而且可以指示48个方位，方向精度很高。关于航海定位问题，需要纵横两个坐标。郑和舰队主要依靠‘过洋牵星’ 法，利用‘牵星板’(比较原始的六分仪) 观测太阳/北极星和其它高可见度星座来确定纬度。再加上通过水文测量(水深和海底泥沙)和陆标观测(沿途岛屿地貌特征) ，对照以往的记录和海图，来确定舰队的具体位置。这种方法的精度也是可以接受的，但是如果到了陌生海域或者横渡大洋时，就不能使用了，同时，对於经度的计算，也没有明确的方法。 半个多世纪以后的西方，开始了轰轰烈烈的大航海和大探险热潮，那时他们已经通过阿拉伯人掌握了罗盘技术，并加以改进制成了更加方便的旱罗盘，方向问题已经基本解决。同时，通过大量的航海实践，测日和测星计算纬度的方法也已经普及。但是关键的经度数据，但是关键的经度数据，还是要依靠经验和估计，非常不准确，尤其在横渡大西洋的航行中，由於缺乏陆标的参照和修正，误差非常大。 竞争 由於定位失误而造成的事故，在那个时代不计其数。尤其是1707年的一场大海难，4艘英国战舰由於误判方位，采用了错误的航线，结果在地中海的西西里岛附近全部触礁沉没，2000多名船员遇难，包括舰队司令。这种不能承受的损失迫使英国下决心解决航海定位问题，於是在1714年，议会通过了‘经度法案’，悬赏两万英镑，给予任何能够解决经度问题的人，无论国籍，同时成立了‘经度委员会’来做学术判断。精度在半度以内的得到20000镑，40分以内的15000镑，1度以内的10000镑。当时的两万英镑是什么概念呢？在这以前的几十年，格林尼治天文台的建造费用为500多镑(基本上靠废物利用) ，首任台长年薪为100镑，还得自备小型观测器材，其后英国国王威廉三世在集资建造海员医院时，贵族们捐出50镑100镑就能在墙上留下很大的名字，可见这个数目已经是一笔相当大的巨款了。 在那个时代，对於经度的测量，主要有两个门派----月亮门和钟表门(不好意思，名字是本ID自己编的。。。)。他们的共同点是，都需要知道标准时间和当地时间，然后求得两者之间的经度差，因为地球自转360度需要24小时(略有误差) ，所以时差一小时经度差就是15度。当地时间的测量，可以通过观测太阳或者北极星的位置来取得，两者的区别就在於标准时间的计算。月距法主要通过观测月球相对於太阳或其它恒星的角度，然后和航海天文历上的已知数据比较，得到准确的标准时间，这就需要较高的天文知识和操作技术。这个门派的拥护者多为学者，有很高的社会地位和学术，而且得到贵族的支持，人数少但是力量大，用现在的话说，就是掌握了话语权(注意啊，传说中的伏笔就在这里了，嘿嘿。。。)。而计时法则非常直接，就是靠一个无论在哪里/无论怎么晃都不会有大误差的计时器，直接看时间，操作非常方便。这个门派的信徒很广泛，人数众多，但是社会地位和学术地位相对於前者差距很大，多数是平民阶层。 既然计时法如此方便，那么为什么还会有人吃饱了撑的去看月亮呢，难道他们是炫技性表演或者行为艺术的先驱？因为18世纪以前的计时器虽然已经进步到了靠钟摆和弹簧驱动的座钟，相对於以前的砝码驱动已经精确很多，但是在海上航行时颠簸无处不在，遇到恶劣气候时船只上下起伏可达数米/左右摇摆可达几十度，再加上温度和湿度的巨大变化，使得计时器误差很大。当时很多钟表巨匠已经把制作工艺发挥到了极致，但是努力全告失败。 不过，月距法需要一本万年历，这就要通过大量的观测来寻找规律并作出推算。英国国王查尔斯二世于1676年建立了皇家格林尼治天文台，以寻找天体运行轨迹来解决导航问题。虽然天文学家们非常努力，五十年如一日地天天晚上看星星看月亮，但是直到18世纪30年代仍然没有掌握月亮的运行规律，无法解决经度问题。 在经度奖设立后的十几年里，很多匪夷所思的方法被提交到委员会，其中包括： 狗血法----有个炼金术士号称拥有一种神奇药粉，如果撒在沾有狗血的布条上，即使伤狗在万里之外，也会感到疼痛。所以，每个远洋的船长都带一只受伤的狗，并把沾有狗血的布条留在伦敦。而天文台派专人于每天正午在布条上撒药粉，远洋中的船长听到狗在狂叫，就知道是12点了。这个方法，当然是不能采用了。。。 沉船法----在远洋航线上的关键地点每隔7英里连续沉船，确保船体露出水面，在上面驻扎水手，逢正点就鸣炮报时。由於巨额的沉船成本和维护开支，这个方法也近乎天方夜谭。 日蚀/月蚀法----当时天文学家已经可以准确预测日蚀和月蚀的时间了，船长只要看到相关的天文现象，就可以掌握时间。不过这种天文现象实在是太罕见了，如果真的指望这个，估计平时海上一条船也看不到，到了日蚀月蚀前后，主要航线上交通堵塞，需要装红绿灯了。 木卫法----那时人们也已经能观测到木星卫星的月蚀现象(感谢伟大的迦利略同志！)，注意到发生的频率很高，几天就有一次，而且是可以预测的。不过在动荡的海面上用望远镜长时间观测很小的木卫实在是太困难了，即使天气良好，也需要专业人员超过4小时的观测和计算，所以还是不够实际。 经过十几年的不断努力和不断失败，大多数人(包括学者和航海家) 都认为这已经是不能完成的任务，‘寻找经度’在当时都几乎成为吃饱饭没事干的同义词了。。。 巨星 终於，传说中的大BOSS登场了。。。 那个时代的英国，正处於一个传奇的年代，各路高手如梅花间竹般亮相。1693年，就在牛顿和胡克两个物理大拿关于光学问题互扔砖头的时候，一个几乎改变世界航海历史的人物在英国的某个小镇中诞生了。约翰 哈里逊，木匠之后，貌端正，工奇技。 他几乎没有受过正规教育，完全依靠自学走上了钟表制作之路。他的早期职业生涯中，一个杰出的代表作就是‘草蜢擒纵器’----用来控制钟表动力的稳定释放，走时准确无须上油。不过，当时没有电视和网络，他直到1726年才知道经度奖的消息，为了下半辈子和子孙后代的幸福，哈里逊终於决定收拾行李进军伦敦----两万英镑，俺来了！他带着模型和草图，找到一位皇家天文学家，并通过他结识了当时的钟表大师，获得很高的评价，而且取得了初步的资金支持(以贷款方式) 。当然，精密仪器不是那么容易制作的，哈里逊整整用了7年时间，才做出了第一个航海钟----H1，并以此作为参赛作品提交给了经度委员会。H1依靠弹簧驱动，独特的平衡对称连接钟摆设计，保证了无论座钟如何晃动，其影响都能被另一半所补偿。当然，实地测试是必不可少的，哈里逊和H1被送上了开往里斯本的船，实验效果令人满意。不过哈里逊并没有进行第二次测试，而是向经度委员会申请了500镑的资金援助，以制作一个更加精确的型号。 H1的升级版本----H2，被哈里逊马不停蹄地设计出来了，但是他很快就发现有致命的缺陷，并放弃了这个型号，不过仍然向经度委员会申请到了第二笔500镑的资金援助。从1740年起，哈里逊用了19年时间造出了H3，不过这个型号彻底失败，未能通过委员会的测试，此时他意识到，这种设计方向和制作方法已经走入了死胡同。(关于H3的结果，有两个不同的版本，我采用的是英国国家海事博物馆版，另一种说法是当时英国和西班牙之间正在进行关于奥地利王位继承权的战争，H3因为保密原因被禁止出海，所以未能完成测试。) 在正式放弃H3以前，改进型号的结构就已经开始构思了，经过设计思路的调整和伤筋动骨的大改，哈里逊终於完成了H4的设计，不过H4的制作工艺要求已经超过了自己的水平，於是他找到了伦敦的钟表巨匠John Jefferys，请他完成最终的制作。经过几年的努力，一个崭新的航海钟(确切地说，是航海表) 横空出世！H4只有小饭碗大小，重量不到1.5公斤，外观简洁流畅，几乎可以说是一个大号怀表。H4的成功在於其全新的平衡轮和擒纵器设计，可以完美地补偿剧烈晃动和温度湿度变化，足以保持计时的准确。(注意：强烈建议大家展开合理想象，所有要求本ID深入解释原理的言论将被无视。。。) 磨难 1761年，按照经度委员会的要求，H4要进行远航测试，因为哈里逊已经69岁高龄了，所以改由他的儿子出海。经过62天的航行，船长在牙买加靠港以后，发现H4只慢了5.1秒。第二次测试在1764年，47天以后到达了巴贝多斯群岛，由於恶劣的海况，这次误差了39.2秒，但精度仍然超过经度奖要求的3倍。虽然结果惊人，不过经度委员会还是提出了进一步的要求，为了确保不是偶然和好运的产物，H4应该能够被重复制造。如果哈里逊交出设计图纸和所有H1--H4的原型接受检验，他可以拿到10000镑，当复制品达到了精度要求，他可以拿到剩下的10000镑。哈里逊一开始十分生气，拒绝所有要求，但是委员会非常执着，不做任何让步，最后他只能同意，先拿一半的奖金落袋为安再说。而复制工作也开始进行，哈里逊父子自己制作H5，还另外委托一个钟表巨匠按照图纸制作K1。 就在H系列接受测试的同时，经过80多年的观测，月距法已经相当成熟了，皇家天文台也编出了一本航海万年历。就在H4进行远航的船上(巴贝多斯之旅)，经度委员会安排了一场擂台赛----由牧师Nevil Maskelyne使用月距法和哈里逊的计时法比赛精度。结果是，H4的定位误差在10英里之内，相当出色，月距法的定位误差在30英里之内，也符合要求，但是操作起来比较麻烦。不幸的是，牧师同志在经过远洋航行镀金之后，回来变成了海归派，一跃而成皇家首席天文学家，做了月亮门的掌门，主管H4的检验和评估工作。不知是在远洋途中牧师搓麻将输给哈里逊儿子钱了，还是小哈里逊沟通工作不到位，反正牧师对於H4这个东西很是不爽，最后给出了比较负面的报告，而且委员会的老头子们也对H5和K1的复制结果产生了怀疑，迟迟不肯兑现另一半奖金。 时间到了1771年，哈里逊已经79岁了，他受够了经度委员会层出不穷的花样和借口，已经出离愤怒了，於是给国王乔治三世写了一封感天动地的血泪控诉，并得到了接见。经过详谈和以后的亲自测试，乔治三世也发出了愤怒的呐喊：‘以上帝的名义，哈里逊，我会为你伸张正义！’在国王的策划和影响下，哈里逊向议会提出了申诉，终於在1773年拿到了8750镑奖金。不过更重要的是，哈里逊的不懈努力得到了承认，经度问题终於被他完美解决！ 后记 约翰 哈里逊于1776年在伦敦家中逝世，享年83岁。 在著名探险家库克船长的第二次航行时，配备了K1作为计时器，这次太平洋远航长达3年，跨度从赤道到北冰洋，库克船长的评价是：‘无论天气如何变化，K1始终是我们忠实的向导。’ 在以后的几百年中，哈里逊的航海计时器并没有被普及，相反，月距法被大量使用，尽管操作比较复杂，其原因是其惊人的制作成本。 时间几乎可以磨灭一切痕迹，H系列作品逐渐被人遗忘，直到一战以后才被一个科学怪人(英国退役海军军官) 根据图纸复制出来，原型也终於在皇家天文台仓库的角落里面找到。 谨以此文纪念我永远的‘大航海II’，约翰 法雷尔，马德拉韦，汉堡臼炮。。。 小广告：推荐‘寻找地球刻度的人’一书，国内应该有引进版。我没看过，不过肯定比我这篇文章有看头。 真算是人间经纬了 挖挖老坟，提升下乱弹首页水平。
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