测量经度的方法
2016-07-16
至少在公元前300年时，人们的头脑中就已经有了纵横交织的经线和纬线的概念。公园150年，托勒密在它绘制的人类历史上第一本世界地图册中，为27张地图绘制了经纬线。他将赤道标记为零度纬圈，选择的本初子午线穿过了邻近非洲西北海岸的幸运群岛。
航海中的水手们可以轻易地根据白昼长短、太阳或恒星的高度，相当精确的测算出所在地的纬度，但经度则不然，一个人要想确定海上的经度，就必须知道船上的时间以及另一个经度已知的地方在同一时刻的时间。地球每24小时自转一圈，每小时转1/24圈即15°，于是轮船与出发地之间的时差每相差一小时，经度则变化了15°。在海上航行时，每天太阳升至最高点的那一刻，领航员将船上的时钟拨至当地正午时分，再查看始发地时钟，比较后即可得出经度差。但是在摆钟时代，颠簸的船只会使摆钟快慢不定，沿途温度会使金属部件热胀冷缩，气压的升降和地球重力的变化都会对时钟产生影响。
鉴于精确测量经度的重要性，英国国会在1714年公布了著名的“经度法案”，悬赏了最高可达20000英镑的巨额奖金，以征求一种切实可用的经度测定方法。问题解决者——英国钟表匠约翰·哈里森开创了便携式精密计时科学，并为这项事业奉献了毕生精力。
“航位推测法”：15-17世纪的船长都依靠“航位推测法”来估测距离始发港的路程。船长将一块木头扔下水，并观测船以多大速度远离木头。他会记下这个粗略的速度，根据星辰或罗盘得出航行方向，由沙漏或怀表得出在特定航线上的航行时间，再综合考虑洋流、风力和误差等因素，进而推断出经度。
“木星卫星蚀法”：人们相信通过天体间的相对位置或许可以解读出经度。只需要一个天文事件比如日食、月食等，以及该事件发生时其他地方的时间，就可以得出时差进而知道经度。但这种天文事件不会频繁出现。直到伽利略利用望远镜发现了木星卫星，它们每年会发生上千次卫星蚀，他认为其发生时间是可预测的，并绘制了一个预报表格。缺点是该方法只能在一年中的部分夜晚使用，且精确观测上有困难。虽然在海上无法使用，但该方法在陆地测绘上取得了巨大成功。
“月距法”：天文学家不断尝试在一个18年的月球运行周期内预测月球与太阳和星辰的相对位置，并出版月球运行轨迹的数据表格，预先给出参考点月亮与某颗星星的交会时间。有了这个信息，领航员就可以将他观测到的月球靠近某颗星星的时间与表格上参考点同一事件的时间比较，就可得出时差。这种“月距法”的缺点在于人们不是很清楚群星的位置，月球的运动法则也没有被完全掌握，也缺少精确的仪器进行测量。
“怜悯药粉法”：在起航时将一条受伤的狗带上船，每到正午时分留在岸上的人讲包扎过狗的绷带浸入“怜悯药粉”的溶液中，这条狗必定会尖叫着作出反应，这就意味着“现在是伦敦的正午时分”。完全属于巫术。在发明后象限仪之前，每20个老船长中19会因为天天盯着太阳看来确定航向而失明，因此人们对此并不抵触。
“罗盘法”：如果领航员既能读出罗盘的指示，又能看到星星的方位，就可以通过测量磁北极和真实北极的距离来测定经度。但是罗盘的指针会有波动范围，很难进行精确测量，还会受到地磁异常现象的污染。
“信号船法”：在大西洋上一些已知的参考地点泊放足够多的信号船，让它们在某些时刻将信号弹发射到一英里多的高空，水手们可以记录看到火球后经过多久听到爆炸声来测量雷暴的距离。但是这个计划所需费用太高，操纵这些船的人也太凄惨，不具备可行性。
这些经度测量方法或多或少有缺陷，而约翰·哈里森制作了一系列天才的钟表，很好的解决了摩擦润滑、热胀冷缩、海上颠簸等不稳定因素。在这场天文学家与钟表匠的战争中，他饱受了经度局种种刁难和不公平对待，最终击败了天文学家们信奉的月距法，在1767年赢取了大奖。商人们利用了他的制作思想，通过流水线生产，将这种精密计时器走上来量产之路，统治了此后的航海计时模式。而哈里森的作品，H1—H4至今保留在伦敦的海洋博物馆中，接受着后人的景仰。
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