头顶星空，地上功利（zz）
besuch 2009-08-27
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头顶星空，地上功利
作者：盛 洪
读书 2009年第8期
格林尼治皇家观象台是一个漂亮的去处。当我登上横跨本初子午线的山坡时,这里已是一片秋色。举目望去,比邻的海军学院建筑典雅,风景如画。如今,天文观测的功能已经移到别处,皇家观象台成了一个有关天文和航海的博物馆。
在博物馆里,有一个关于如何确定经度的展览,其中最引人注目的就是几个被称为H-1,H-2,H-3和H-4的钟表。“H”代表了一个人,他叫约翰·哈里森。“H”即哈里森(Harrison)的第一个字母。这个人起初是一个普通的木匠,后来成为一个改变历史的重要人物。我端详着这几块钟表,从说明文字中辨认着历史的信息,但在匆匆的参观浏览中是无法全面了解的。幸好,我在博物馆的书架上发现了这本书,Longitude: The True Story of a Lone Genius Who Solved the Greatest Scientific Problem of His Time(《经度:一个解决了他的时代最重要的科学问题的孤独天才的真实故事》),作者是戴娃·索贝尔 (Dava Sobel)。我读着它,从伦敦回到了北京。
人类在陆地上活动了千万年,一般从甲地到乙地不需要依靠经纬度来认路。只要靠两地间的相对标志,如地貌、景观和建筑,就可以知道路如何走,还有多远等等。然而大海碧波万顷,一望无垠,没有任何凭借。虽然发明了指南针,知道航行的基本方向,却不知道航行了多远,以及在地球上的绝对位置。不过人们可以根据与太阳或北极星(在北半球)之间的斜角,知道自己究竟与赤道之间的夹角有多大,也就知道自己的纬度是多少。然而经度就没有这么幸运了,因为无论人们处于什么样的经度上,太阳也是从东方升起,到西边落下,不会给人们辨别经度的任何凭借。
所以在早期,航海是一件极端冒险的事情。有经验的船长依靠对风速、洋流、航行的大约时间、太阳和星月的位置,以及附近的岛屿和大陆的参照,来判断航行的经度位置。但这与其说是“判断”,不如说是“猜测”。按照术语,这叫做dead reckoning。其中“dead”是由“deduced”演变而成,意为“推测”,该词可译为“航位推测法”;但“dead”又含有“死亡”之意,这一推测又与生死攸关,我们又可以将这个词译为“死算”。它类似一种赌博,即按经验来判断船的位置与母港之间在东面或西面的距离。算对了,则平安无事,且大获成功;算错了,可能要遭灭顶之灾。一七○七年十月二十二日大雾迷漫的夜里,一支英国舰队在距英格兰西南端二十英里左右的洋面上全部触礁沉没,两千多名水兵葬身海底。这只是因为在此之前乌云密布,舰队失去了判断经度的最后一点依凭,舰队指挥官做出了最错误的“死算”。
在此之前,有记载的 “死算”失误不下数百起。只是这次海难发生的地点距英格兰本土如此之近,损失如此惨重,令英国朝野上下非常震惊。一七一四年,在大量海员和商人的请愿下, 英国议会通过了“经度法案”,悬赏两万英镑给解决经度定位问题的人。按一八二一年一英镑兑换七点三克黄金计算,当时的这两万英镑相当于今天的四百八十万美元。重赏之下,激起了各路人马的竞争。
其中有两路人马最有希望。一路人马是身居皇家科学院高位的天文学家和数学家。其中包括牛顿和哈雷。他们企图通过月亮和星星的相对位置的变化来确定地上经度,这种方法最早是由十六世纪的德国天文学家沃纳提出来的,称为“月距法”(moon distance method)。为此他们花了大量时间观测天体,确定了月亮运行的轨道,并记录下了数千颗星星的位置。他们设想,只要将这些天体位置和轨道画在一套航海图上,海员就可以依据图上月亮与特定星星的相对距离来判断经度。在几代皇家天文学家的努力下,这一思路取得了部分的成功。一个叫马耶尔的德国人创造了一套 “月表”,其中标明月亮在十二小时内的不同位置,及其与星星和太阳的相对位置。使用这套“月表”会在理论上使经度的定位误差不超过半度。这种方式受到了当时英国的皇家天文学家伯莱德雷的赞赏,后来马耶尔的遗孀获得了英国经度委员会奖励的三千英镑。然而在实践中,由于船在海中颠簸,海员的观察误差,使得这种方法使用起来相当复杂,以致并不能解决实战问题。这条路似乎走不通。
另一条思路就是利用时间定位。比起“月距法”,这种思路简单多了。绕地球一周是三百六十度,地球自转一圈要二十四小时。在地球东西向的不同位置上,都有着自己的“本地时间”,并且可以简单地确定,即将正午太阳当头时确定为中午十二点。不同的本地时间之间构成时差。一定的时差对应着一定的距离。一小时的时差相当于十五度;一度相当于四分钟时差,在赤道上大约是一百一十一公里。假设船上有一只走得很准的钟,这只钟按港口当地时间对好。在航行了一段时间以后,在正午时再看一下这只钟,如果这时的时间是下午二点,说明这时船处于港口东面时差为两小时即三十度的地方;如果是下午一点三十八分四十五秒,也可以计算出两地相差二十四点六八七五度。这种方法,可以在海上的任何地点确定经度。
思路虽然简单,但在当时造出这样一只钟来很不容易。由于不同的海域有着不同的温度、湿度和地心引力,会使钟摆的长度发生变化,或直接使其摆动周期的时间发生变化,以至于不能准确计时。而按照英国的经度法案,只有在任何一次航行中经度误差不超过半度才能获得全部两万英镑的奖金。这意味着时间误差不能超过两分钟,若按四十天一个航行周期来算,二十四小时的误差不能超过三秒钟。这路人马也遭受了不少挫折。早在十七世纪,就有人采用了螺旋平衡发条,改进了用来在海上确定经度的钟。来自荷兰的克莱斯坦·惠更斯和英国科学家罗伯特·胡克都声称自己拥有发明权,但最终都因谁也没有制造出真正实用的钟表而作罢。
由于两路人马的挫折,当时人们普遍认为“确定经度”与创造出“永动机”和“灵丹妙药”一样不可能实现。但在这时,出了一个约翰·哈里森。由于他的家乡约克郡与英格兰第三大港口胡尔相距只有五英里,所以他可能很早就知道经度问题。最开始他利用自己精湛的木匠手艺做过两个木制钟, 后来就成为专门的钟表工匠。当他知道经度奖金的事情后,就决心制造出一只能够在海上准确定位的时钟。他于一七三○年移居伦敦,花了五年时间造出了第一只航海钟,他在上面刻上“H-1”。在验证准确度的试航中,H-1大获成功。但哈里森没有接受经度奖金,因为他认为还需要完善。不想此后经历相当长的时间以及各种曲折,直到一七六四年,哈里森制造的H-4被确认具有比经度法案的要求还高三倍的精确度,即确定经度误差不超过十英里后,才被经度委员会同意有条件地获得两万英镑奖金的一半; 而他拿到另一半,则又拖到了一七七三年,那时他造出了“H-5”,并得到国王和议会的支持。
一旦证明哈里森的钟表准确得可以确定经度,英国就大批量地生产,并迅速装备了英国商船和海军。到一七八○年,一只天文钟(chronometer)的价格下降到六十五到八十英镑。英国东印度公司要求每只船装备一到两只天文钟。英国海军在朴次茅斯港的海军学院设立了一个天文钟的储备室,每个出港的军舰舰长都可以要求配备一只天文钟。后来经度委员会于一八二八年解散,海军立即接替了它的职责,监督测试和配备天文钟。到一八六○年,英国海军拥有两百多艘舰船,六百多只天文钟。
“H-3”与其兄长一样,还是个较大的方盒子;“H-4”的体积就变得很小了,它比一块怀表略大,握在手里,就可以确定经度。与蒸汽机相比,“H-4”就更显得微乎其微。也许历史学家们也对体积敏感。在近代史的教科书中,工业革命和英国称霸的历史里,蒸汽机占尽风头。蒸汽机提供了替代人的体力的动力,无论是在煤矿抽水,还是带动纺织机;无论是驱动火车,还是让军舰远航。但信息至少与动力同样重要,尤其是有关空间和时间的信息。工业化依赖大规模需求,就要开拓世界市场,商船就要准确地找到海上航线和港口;帝国就要在海上称雄,就要将海军迅速投放到海上任何一个地点。只靠蒸汽机的动力,一只船是到不了指定的海上位置的。因此,小小航海钟表的历史作用,一点也不亚于蒸汽机。格林尼治博物馆的解说词中说,是哈里森及其制造的天文钟成就了英国近代以来的经济繁荣和帝国霸权。此言不虚。
其实不只是英国意识到了确定经度的重要性。当时的海洋大国,如法国、荷兰、西班牙和葡萄牙等国的政府很早就意识到确定经度的重要性。在十六世纪,西班牙国王菲利普二世为经度定位技术悬赏一千金克朗;荷兰政府的赏金则为十万弗罗林(诺思:《西方世界的兴起》,华夏出版社一九九九年版,8页)。在十七世纪下半叶,法国国王路易十四批准建立巴黎观象台,以解决经度问题。格林尼治观象台就是在这样的背景下建立起来的。可以说,在当时的欧洲,有着一场抢先发现确定经度方法的竞争。各国的奖金都不仅适用于本国人。法国人曾经出价五百英镑,想私下看一看H-4,但被哈里森拒绝了。
由于哈里森的技艺和爱国心,英国是这场竞争的优胜者。这不仅仅是一个荣誉,而是实实在在的利益和实力。这又反映在本初子午线的确定上。地球绕南北向的轴心从西向东转动,赤道和南北回归线都是自然法则决定的。但东西向却没有这样的特殊的线。本初子午线,即经度为零度的线划在哪儿都行。在较早的地图版本中,本初子午线曾被画在罗马、巴黎、哥本哈根、耶路撒冷、彼得堡和费城等地。最终落在格林尼治,不仅是因为英国人最早解决了经度定位问题,而且是因此成为世界贸易的中心,成为一个“日不落”帝国。正如本书作者戴娃·索贝尔所说:“本初子午线的定位纯粹是一个政治决定。”
当培根说,“Knowledge is power”时,power 一词有着多种含义。一是指“力量”,一是指“暴力”,一是指“权力”,一是指“国际霸权”。中国人往往善意地理解为“力量”,但从培根本人的帝国主义想来看,他至少是一语多关。反过来,这也反映了知识乃至科学的赤裸裸的功利主义色彩。我们不否认不少科学家怀着对大自然的好奇心去探究“科学真理”,但经度的故事告诉我们,至少在这一段历史中对天文的探究,最大的推动力来自对地上利益的追逐。
有趣的是,虽然在与哈里森的竞争中,坚持“月距法” 的一派失败了,但他们却获得了比哈里森更辉煌的科学成就,即使天文学甚至相关的数学方法向前大跨步地迈进了。在几个世纪的时间里,那些在科学史中赫赫有名的天文学家、数学家和物理学家们,如伽利略、牛顿、哈雷和欧拉等,都直接或间接地为探索经度定位做出过努力和贡献。伽利略观察和研究天体运动,用数学去描述这些运动,并实际地将天体运动现象用于对经度的测定; 牛顿发现的万有引力可以更好地理解和预测月亮的运行;欧拉则推导出了太阳、地球和月亮的运行方程;哈雷作为准确预测彗星回归的人,不仅亲自到南大西洋观察星空,在身居皇家天文学家高位时,还直接支持了“月距法”路线。经过格林尼治观象台和其他类似的观象台及观测点无数个寂静夜晚的观测,人类对头顶星空有了进一步详细的了解。就如一个农夫临死前告诉几个儿子自家地下有黄金一样,儿子们虽然没有找到黄金,但因翻耕了土地,而使庄稼茂盛;对“月距法”的探索,即使没有直接形成天文学理论,也至少为这些天文学家提供了思考素材,启发了他们理论创新的灵感。
当然,这种通过观测天空而带来的“地上利益”也很特殊。如果一只商船能够准确定位经度,带来的只是它自己海外贸易成功率的提高。与蒸汽机相比,如何确定经度是一种公共知识,对它的探究不适用于专利法。经度和纬度一起,构成了对地球本身的度量单位。如同其他度量衡一样,这不仅是一种公共知识,还是一种标准制度。没有标准的度量衡,就没有繁荣的市场,因为交易双方都要以同一度量衡单位进行买卖;也就没有货币,因为货币很早就表现为标准重量的金属;也就没有政府,因为政府赖以维持的税收表现为一定量的货币或实物。同样,如果没有准确的经纬度定位,两国间的领土及领海就没有准确的分界,商业交易的交货时间和地点就会模糊,人类之间交往的各种活动就可能互相错过。有关经度定位的知识具有某种网络外部性,即知道经度定位技术的人越多,已经掌握这种技术的人越受益。当然,这种公共知识也可以首先在一个有限的政治范围内实现。这就是现代民族国家。因而,对经度定位探索的激励可以来自一个国家的政府,如英国政府。
用制度经济学研究历史的诺思教授很关注这段故事,把它当做用奖励制度激励科学技术发明的一个典范。当然,他假定经度定位技术是一种公共物品。他说这种发明能否出现,取决于“有没有所有权来保证发明者收入因节省了轮船(损失)和时间而增加”(8页)。然而,较细地辨析,哈里森的天文钟表也可以成为私人物品,只是英国政府支付了奖金,就相当于将专利权变成公共物品。此后不少人仿照哈里森钟表大批量地生产,只是当他们发明了新的结构和零件后才申请了相关专利权。这使得用于航海的天文钟因免去了专利费而相对便宜。又由于竞争,由于生产规模的增大,成本迅速下降。这为天文钟首先在英国迅速普及铺平了道路。反过来,英国政府因天文钟的普及而使英国在海上占有优势,早就回收了为此支付的奖金。
戴娃·索贝尔这本关于经度的故事之所以引人入胜,就因为它将过去被主流历史观严重忽略的经度定位技术做了公正的重新评价。同样被低估的是现代民族国家以及它们之间的竞争对科学的影响。默顿在《十七世纪英国的科学、技术与社会》中提出,英国科学的动力之一来源于新教精神,科学探索是“赞颂上帝”的可贵努力。然而他也注意到,这些受人尊敬的科学家们大都投入到民族国家的奋斗之中。“当时天文学家无疑被发现一种确定经度(尤其是在海上)的满意方法所能带来的实际利益完全吸引住了。”(该书由四川人民出版社一九八六年出版,253页)除此之外,这些人又直接关注民族国家的兴盛,以及直接相关的军事技术问题。
在上述关注经度的人中,伽利略也很关注射弹的理论,他与佛罗伦萨的兵工厂关系密切; 胡克通过研究子弹的下落发展了自由落体的理论,并在英国皇家学会中表演了多次;哈雷研究了炮弹的运动,也强调火药的经济学,他还像一个民族主义政治家那样宣称,英国“必须成为海洋的主人”(前引书,292页);牛顿第三定律,即作用与反作用原理,“不仅是力学中的一个基本定律,也是理解炮术中的反冲现象所必需”(前引书,294页)。
终于,我们看到了与科普书籍中诸如“苹果砸到牛顿脑袋”不同的故事,这些科学家还从国家利益和金钱中获得灵感。科学不仅不那么“纯洁”,而且是近代以来社会达尔文主义努力不可或缺的一部分。只是因为分工不同,以及实现了远距离杀人,科学家们才没有直接被他们发明出来的炮弹溅一身血。但性质是完全一样的。当然,在民族国家竞争的国际丛林中,科学家们只是制度中人,他们按照游戏规则玩,并不是他们的错。但作为静观历史的人,我们既要肯定一些用于战争的技术对人类发展也有积极作用,又不应该用美化的“神圣科学”去掩饰民族国家暴力竞争之丑恶。
经度问题的解决与瓦特改进蒸汽机的时间非常相近。我们可以想象,这两项重大的技术突破为当时的英国插上了一对翅膀。其后的世界天翻地覆。有增长,有奋进,有凯旋,有扩张,有流血,有罪恶。无论带来了什么后果,哈里森的钟表只是优雅而沉静地躺在格林尼治的博物馆里。
(Longitude: The True Story of a Lone Genius Who Solved the Greatest Scientific Problem of His Time,Dava Sobel(戴娃·索贝尔)。中译本:《经度:一个孤独的天才解决他所处时代的最大难题的真实故事》,肖明波译,上海人民出版社二○○七年版,20.00 元)