“经度之战(一)”

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经度之战(一) 2007-10-24 袁越 人类的探险史就是一部科技快速发展史。除了航海技术的进步之外，定位技术的快速发展几乎至关重要。

一次命令——开始！ 一个水手翻着手中的沙漏开始计时，另一个水手握着麻绳，一根绳子绑着三角形的木板漂浮在海面上，另一根被卷成纺锤形，随着帆船的前进，绳子从纺锤形松开，穿过船员的手掌。 “停止！ ”负责沙漏的船员喊道，负责绳索的船员给出数字，是沙漏计时期间通过他手掌的绳节数。 这个数字除以沙漏转一圈所需的时间，就是航行中的速度。 船长知道这个速度后，根据航行的方向在海图上标出了船现在的位置。 这是18世纪以前船员们测量航速的标准做法，为什么初期航海速度是以“节”为单位的？ “我们马上就要到达亚洲了！ ”船长通知全体船员“大家不要放弃，继续前进。” 2 这件事发生在1492年10月，那位船长是名叫克里斯托弗·哥伦布( christophercolumbus )的西班牙人。 他打算说服西班牙国王出资建造三艘小帆船，向西横渡大西洋，找到通往香料王国的新航线。 哥伦布事先根据计算，认为亚洲不远，最长不超过3850公里。 但他不知道他采用的数据来自阿拉伯国家，阿拉伯距离单位比欧洲长。 这样的远程航行，必须知道船总是有纬度和经度的。 不这样做的话，就无法定位。 当时的欧洲船员知道如何测量纬度，但经度靠推测。 为了慎重起见，哥伦布将航线固定在北纬28度。 他相信地球是圆的。 如果沿着这个纬度一直向西走，最终一定会到达亚洲。 10月12日，航行一个多月后，哥伦布看到了大陆。 他以为那是日本，其实到了巴哈马群岛。 这是把哥伦布变成最先发现美洲大陆的人的错误计算。 回到西班牙后，哥伦布受到了英雄般的礼遇。 但是麻烦马上就来了。 另一个欧洲海上强国葡萄牙也想和西班牙分一杯汤。 于是，当时的天主教教皇亚历山大六世于1493年5月4日发布了《边界线诏书》( bullofdemarcation )，在亚速尔群岛以西100里格( league，约4.8公里)的地方画上子午线，西边都是西班牙 但是，这项规定形同虚设。 因为没有人知道这条线的具体位置。 新大陆到底是线的东边还是西边？ 只能听凭命运。 西班牙人运气真好。 后来发现，根据敕令的规定，南美大陆的大部分土地都落在西班牙一边，只有大陆的东边角落是以葡萄牙的名义描绘的。 于是，现在南美大陆的大部分国家都说西班牙语，而那个有棱角的国家巴西说葡萄牙语。 3 最早处理的定位问题是方向的测量。 一旦找到磁铁指南的功能，接下来怎么自由转动磁铁呢？ 古代中国人想到的方法是让磁铁浮在水面上，不需要水的“干旱罗盘”是外国人发明的。 罗盘并非不可替代。 北半球的人知道利用北极星来识别方向，太阳的位置也有助于找到北方。 相比之下，测量纬度需要技术含量，但不是什么大问题。 只要有一台可以测量星星高度的象限仪就可以了。 象限仪水平放置，一端朝向北极星，与水平面所成的角度即为纬度。 稍有经验的船员也可以利用太阳的高度测量纬度，但需要测量员用一只眼睛直视太阳。 据说，那时远洋船上每20名老船长就有19人长年向着太阳看，因此成了“独眼龙”。 无论是指南针还是天体的高度都需要稳定的地平线，人们发明了“常平架”( gimbal )。 就像中国古代制作的“卧褥香炉”一样，无论夫人们怎么转动这个镂空的铁球，里面的熏香都不会一直直立倒下，香气的灰洒出来弄脏被子。 如果有常平架，纬度将成为非常容易测量的参数。 纬度通过自然规律明确，赤道为零纬度，两极为90度，到处都一样。 经度不同，地球一直在旋转，没有明确零度位置的天然方法，只能人为规定。 同样，也没有天体可以直观地显示经度的差异。 所以古代的航海只能沿着海岸线走。 否则，等待船员就是死亡。 郑和下西洋就是这样，所以他只能最远到达非洲，不能发现隔海相望的美洲大陆。 不仅郑和，世界上任何往来于欧亚非之间的商船都必须沿着固定的航线行驶，必须依靠汪洋的岛屿明确自己的位置。 这给了海盗乘坐的机会，他们只要遵守航线，商船自然就会送到家里。 想测量经度的不仅是水手，制图师们也离不开经度。 事实上，生活在公元前2世纪的古希腊地理学家托勒密( ptolemy )是第一个用纬度和经度绘制地图的人。 但是，由于无法准确测量经度，所以只能通过距离的估计来大致表示某个地方的相对位置。 托勒密的做法持续了1000多年，但由于这个方法显然不严谨，当时的地图大多不被允许，夸大了陆地面积，低估了海洋的范围。 不能测量经度吗？ 诀窍其实是有的。 那是时间。 地球每24小时360度自转一次。 于是，各个时间相当于经度的15度。 只要知道两地的时间差，就知道两者的经度差。 例如，如果你知道某个地方中午12点正好是伦敦上午10点，就证明这里在伦敦以东30度的地方。 因此，经度问题将转换为等效问题。 如何测量两地的时间差。 1530年，荷兰数学家伽马·弗里西斯( gemmafrisius )提出用时钟测量时间差。 在他看来，做个表，维持伦敦等某个地方的时间，拿着它来到新的地方，利用太阳的高度测量当地时间，和伦敦表打针，就可以知道这里和伦敦的经度差。 这个构想看起来很简单，但是在弗里西斯时代，钟表的制造技术非常原始，一天慢几分钟是家常便饭，以这样的精度根本无法胜任测量经度的工作。 既然人工制造的机械装置不能正确计时，人类自然会把眼球指向天空。 事实上，人类早期对天文的有趣部分来自于时间的需求。 因为我们发现，只有天体移动完全守时，太阳、月亮、星星构成巨大的“天时计”，为人类预报时间。 1514年，德国天文学家约翰内斯·沃纳( johannwerner )提出利用月球移动测量经度。 他通过观测发现，月球在天空空中的相对位置时时刻刻在变化，约每1小时移动一次月球直径的距离。 他假设地球上在意的月球运动相同，在两地分别观测月球，准确记录它移动到某个位置的时间，就可以计算出两地的经度差。 但是，这个“月距离法”也有自己的问题。 那就是缺少准确完美的星表。 除此之外，月球移动的规律还不可预测。 因为这还有很多工作要做。 就这样，两个差不多且提出的做法开始了测量经度的争夺战。 这场战争的过程很奇怪，战况惊人，不亚于任何优秀小说家创作的惊险故事。 折射在这个故事背后的关于人类科学技术快速发展的经验教训更值得后人欣赏。 四 在叙述这场战争之前，让我们先来看看此前进行的几场小战役。 制作地图的人们知道，要测量某个地方的经度，只要等待共同的天文事件，让各地的天文学家在那个事件发生的时候正确地记录当地时间就可以了。 这个天文事件可以是月亮和某颗星星相遇的时刻，也可以是月食。 事实上，很久以前就有人利用发生月食的机会，测量了许多大城市的准确经度。 但是，这种做法不能很好地采用。 二是不适用于遥测。 因为月食涵盖的范围不太大。 天文学家需要找到天文方面的东西。 发生频率足够大，离地球也足够远，对地球上所有的注意者来说都有发生。 1610年，著名的意大利天文学家伽利略( galileo )用自制的望远镜发现了这样的天文现象。 木星有四颗卫星，绕木星以极快的速度公转，发现转速和轨道都非常规律。 伽利略注意了6年，绝对是为了纪念结果而写的，交给了西班牙菲利普三世。 为什么要给西班牙？ 因为伽利略想得到奖金！ 哥伦布发现美国的壮举在欧洲引起了航海热，但随之而来的是灾难。 因为大量的船无法测量自己的准确位置，失去了大海。 航海大国西班牙的损失尤为惨重。 1598年，菲利普三世宣布设立经度奖金，任何人只要找到海上经度测量法，都可以获得2000杜卡特(西班牙货币)的奖励。 但是，这个敕令一发布，马上就招来了很多聪明的家伙，西班牙政府不得不面对不现实的构想，评委们很快就厌倦了，伽利略的想法被牵连进来，被西班牙政府打入冷宫。 幸运的是，不仅是西班牙，包括葡萄牙和意大利在内的许多欧洲国家都采取了自己的奖励措施。 伽利略没有放弃自己的想法，关注木星，继续写自己的数据，1638年提交给荷兰政府。 出于一点意外的原因，荷兰政府决定派国内顶尖科学家克里斯蒂安·惠更斯( christiaanhuygens )到1641年去意大利和伽利略讨论该法的可行性。 但是，没有等两人会面，伽利略就去世了，这种做法被搁置了。 伽利略没有把所有时间都花在注意木星上。 他既有趣又广阔，在很多行业都有很高的造诣。 他第一次提出了用钟摆测量时间的原理，据说这个想法来源于他年轻时的神秘经历。 他发现从教堂屋顶垂下的灯被风吹得摇摇晃晃，他用自己的脉搏测量了一次摇晃所需的时间。 研究发现，这个时间不仅非常固定，还与灯绳的长度有关。 他想利用钟摆的这个特点做钟摆表，但总是找不到合适的机会。 有兴趣的是，这个想法最终被惠更斯处理掉了。 惠更斯声称没有接触过伽利略的构想，做钟摆的想法完全是自己想的。 1656年，他制作了世界上第一个钟摆表，两年后出版了解释钟摆原理的专业书籍《钟》( horologium )。 惠更斯发明钟摆钟是为了更准确地描述天体的行为，这样的最终目标是为了处理经度问题。 事实上，他为航海制作过两台航海时钟( marinetimekeeper )，并出海进行过检查。 但是，钟摆只能在平静的海面上采用，一旦出现风浪，钟摆就不允许摆动了。 于是惠更斯发明了螺旋平衡弹簧代替钟摆，申请了法国专利。 但是，惠更斯试图申请英国专利时，却遇到了英国科学家罗伯特·胡克( roberthooke )的挑战。 这个钩子很有名，他是科学多面手，曾在显微镜下注意生物，发明了细胞( cell )一词。 另外，他在光学、重力理论、地震学、蒸汽机制造、弹簧原理等行业取得了很大的成绩。 其实，在发明平衡弹簧的过程中，挂钩提出了有名的“弹簧原理”，也就是“弹簧产生的弹簧力和延伸的长度成正比”。 胡克指责惠更斯偷了他的弹簧式钟表设计，两人为此多次动干戈，但最后谁也没有拿出证据表明对方是剽窃的，这个螺旋平衡弹簧的专利没能拿到最后。 两人都想利用这个弹簧制作可以在海上采用的钟摆钟，但是制作的样品钟的精度还很低，水手们无法依赖它来明确经度。 天文学家们高兴地看到这一点，认为既然胡克和惠更斯这位科学界公认的领导人无法制造出完美的航海钟，那么处理经度问题就只能依靠上天赋予人类的“天时钟”。 有趣的是，除了利用时间测量经度之外，还有被多位科学家支持的方法。 这就是“磁偏法”。 哥伦布在发现美国的旅途中，发现指南针和北极星所指的北方有细微的不同。 之后，由于磁极和真正的北极(自行车轴)没有重叠，也有人正确地解释了这种偏移。 许多科学家得知这件事后都很兴奋。 他们相信这种差异是测量经度的关键。 只需要找出磁偏角和经度的对应关系。 因此欧洲有很多科学家投入了大量的人力物力，但最终发现这种差异太小，无法准确测量经度。 于是这个构想最终只能被放弃。 五 惠更斯发明钟摆钟的1656年，是欧洲科学技术迅速发展的时期。 天文学、物理学、化学、数学等行业出现了许多优秀人才。 不幸的是，他们散布在欧洲各国，平时很少交往。 关于惠更斯和钩子螺旋平衡弹簧专利的争论是这种隔离的结果。 渐渐地，科学家们认识到这种隔离必须被打破，科学家们必须学习合作。 因为他们正处于知识快速增长的时期，光靠孤独天才的个人奋斗是不够的。 特别是这个经度问题，真是太多太复杂了，光靠一个身体或一个国家的力量是无法应付的。 法国率先承担了领导的职责。 当时的法国国王路易十四是个野心勃勃的人，要征服世界必须先了解世界，知道科学是认识世界的最好方法。 1666年，当时28岁的路易国王授权给法国总理科尔波特，设立了“皇家科学院”。 科尔·波特本人是个业余科学家，他完全利用国王赋予的权力，邀请了一大批欧洲顶尖科学家到法国，在皇家科学院任职。 惠更斯是第一个被邀请的外国科学家，但很遗憾，他不喜欢法国，在服役15年后也回到了荷兰。 在所有科学行业中，路易王最感兴趣的是经度的测量。 1667年，在科尔波特的主持下，法国政府购买了当时世界上最好的天文望远镜，并在巴黎近郊建造了巴黎天文台。 法国人打算在这里彻底处理经度问题，以巴黎天文台所在地为本初子午线。 从1669年到1669年的三年间，巴黎天文台的人马对月球非常细心，结果发现月球的运行轨迹太多，很复杂，无法准确预测。 因为这个“月距离法”很少用于测量经度。 法国皇家科学院的科学家们知道了这个结论，决定统一认知，宣传伽利略提出的《木星卫星法》。 这个方法的成功多亏了25岁时被任命为意大利博洛尼亚大学天文学首席教授的一位名叫乔瓦尼·曼尼卡西尼的意大利人。 他也对木星的卫星运动感兴趣，经过16年的注意，1668年出版了手册，详细记录了这4颗卫星的运动轨迹和星食时间表。 这是当时出版的最准确的木星卫星星表，有了这张表，世界各地的天文学家可以通过观测卫星的出没来测量所在地的准确经度。 1669年，科尔波特邀请卡西尼到法国担任巴黎天文台台长。 在卡西尼的主持下，所有欧洲天文学家都参加了法国主办的欧洲测量计划，最终绘制出了相当准确的新欧洲地图。 据说路易十四看着新地图，抱怨天文学家手中剩下的土地比敌人手中剩下的还要多。 抱怨说，路易十四仍然出资支持派遣巴黎天文台的“天文观测小分队”，拿着望远镜乘远洋帆船前往世界各地，通过观测木星的卫星，测量准确的经度。 这个庞大的计划也得到了欧洲其他各国的响应，相继派遣了自己的“小分队”。 这样，新的世界地图被描绘出来，人类终于第一次正确地知道了地球之家的样子。 有趣的是，天文学家们明明是为地球而作的像，却无意中处理了一些基本的科学问题。 一直以来，人们都认为地球是标准的圆球，但许多派往世界各地的观测小分队都抱怨他们的钟摆怎么也不合适。 根据惠更斯提出的钟摆原理，在重力恒定的情况下，钟摆的摆动时间只与钟摆的长度有关。 但是，不管科学家们如何修改钟摆的长度，在地球的某个地方测量摆动时间都是错误的。 牛顿基于这些数据得出了地球不是标准球体的惊人结论。 当然，这个假说现在证明了地球确实是扁平的球体，赤道半径最大，北半球比南半球小一些。 我再举一个例子。 丹麦天文学家奥拉默( oleroemer )在巴黎天文台工作期间，当地球运行到离木星最近的轨道时，木星卫星出现的时间总是早了几分钟，他把这种现象准确地解释为光有速度。 1676年，雷默首次利用木星卫星的“星食”测量光速(他测量的光速比实际速度稍慢)。 这样，人类经度的探索引起了真正的科学革命。 / h// h// h /