人类是如何学会测量经度的？

1707年10月，5艘英国海军军舰返回英国的途中，但因算错经度的问题偏航并导致4艘军舰触礁沉没，一千多名官兵葬身大海。测量经度并不是一个理论问题，而是一个工程问题。因为地球每天会转过360°，所以如果当地时间比出发地时间每快1小时，通过换算就能得知此地在出发地东边15°，反之亦然。也就是说，只要知道格林尼治时间和当地时间，就能算出所处的经度。要知道当地时间很简单，只要中午派水手观察太阳的高度，找到太阳最高的时刻，就是当地的正午12点。但在海上想要获得准确的格林尼治时间，却非常困难。

在18世纪，制表工艺还比较粗糙，大部分机械表的日误差大约在几分钟到十几分钟之间。用这种表当参考工具，每天可能就偏差1.5°。在海上过一个月，经度可能就误差了45°，4艘英国海军军舰就成了这种误差的牺牲品。消息传回英国后，为了平息舆论压力，也为了解决经度问题，当年英国国会成立了经度委员会，并且请来牛顿当顾问，而牛顿总结了两种可能的解决方案：“时钟法”和“天钟法”。

起于巨额奖金

时钟法简单而言，就是造更准的表。而天钟法，则是使用天象（包含太阳高度和星象位置）来帮助校时。不过，这两种方法在当时都还只是设想。根据牛顿的计算，只靠一块表在远洋航行中实现精准导航，需要保证这块表在一天内的误差不超过3秒，这相当于把当时时钟的精度提升300倍。而天钟法的难点，则是要找到一种每天都能观测到的天象，并且知道它运行的准确规律。早在经度委员会成立之前，就有“月距法”和“木卫法”的尝试，但都没能成功。

于是，在牛顿的建议下，1714年经度委员会推出了一份《经度法案》，以法律的形式宣布，英国将为任何找出在海上测量经度方法的人提供巨额奖金（当年的2万英镑）。悬赏发布后，科学家们顺着牛顿的两条思路，也就分成了“天钟派”和“时钟派”。在这两派中，天钟派的研究一开始明显更占上风。一方面，在大部分科学家看来，天钟法至少在陆地上有过成功应用，已经证明了可行性。另一方面，牛顿本人也更加倾向于天钟派，尤其是月距法。之前月距法之所以会失败，是因为当时的人们算不出月亮的运行规律。而牛顿提出的万有引力定律，则正好为月球运动轨迹的计算提供了最重要的理论基础。在他的影响下，经度委员会的成员起初也全都是天文学家、数学家和航海家，并没有钟表匠和工程师。

1514年，德国天文学家约翰内斯·沃利提出了将月亮运行轨迹当作信标的“月距法”，但他始终没能找到月球的运行规律。在月距法提出一个世纪之后，伽利略又提出了将木星和它的四个卫星作为观测对象的“木卫法”。在陆地上“木卫法”非常有效，包括法国在内的很多欧洲国家都用这种方法重新校订了地图。但如果让水手在船上使用观测木星的经度仪，哪怕水手心跳快一点都可能出现误差，更不用说风浪带来的影响了。

而时钟派这边，直到1730年，一个叫约翰·哈里森的木匠才画出了第一份真正意义上的航海钟图纸。在这之前，哈里森和弟弟解决了热胀冷缩和摩擦问题，成功造出了月误差不超过1秒的陆地摆钟。一次偶然的机会，哈里森听说了经度委员会悬赏的消息，他决定尝试一下海上时钟。当时所有钟都依赖单摆原理，但海上的颠簸会破坏单摆的等时性，所以钟表会不准。为了解决这个问题，哈里森设计了一种两头用弹簧连接的平衡摆。这样一边钟摆受到的震动就会被另一边钟摆抵消，无论船怎么晃，都不会影响摆动的频率。不过，设计完成后，还有一个更现实的问题摆在哈里森面前——他没钱把钟造出来。

“天钟派”的哈雷（验证哈雷彗星回归的天文学家）出手帮了他一把。作为一名科学家，哈雷不希望扼杀任何可能解决经度问题的点子，于是他把哈里森引荐给了伦敦最有名的钟表匠。看过图纸后的钟表匠立马意识到了它的分量，当即借给了哈里森200英镑，帮他完成研究。拿着这笔钱，哈里森做出了原型机H1并完成了试航，哈里森觉得H1不够完美，于是决定继续改进，并在一年后拿出了H2。但在测试中，哈里森发现他只考虑了海上的颠簸，却忽略了船只转向的离心力，这导致船每次在海上转弯，都会带来微小的误差，哈里森又投入了H3的研究。当时的哈里森不会想到，这将耗费他19年的时间。

“时钟”与“天钟”之争

18世纪里天钟派完成了三件大事：基于在好望角的多年观测，天文学家得到了南半球星图，补全了北半球格林尼治天文台的观测结果；船长们经过不断改良，1757年改良了能在船上稳定观测月球和星星距离的六分仪；最后，根据观星记录，数学家们于1759年算出了能够准确预测月球在任意时刻位置的“月球表”。1766年，英国格林尼治天文台内维尔·马斯基林依据瑞士数学家约翰·伯努利（Johann Bernoulli）的著作开始出版《航海年鉴和天文星历表》。第一本航海年鉴问世，此后逐年出版，为航海者提供了精确的天文定位。至此，天钟派点亮了那张存在于牛顿脑海中的星图。

1759年哈里森也完成了H3的制作。在这块表上，哈里森彻底放弃了摆钟的技术路线，用游丝摆轮替代了H1和H2上的两根哑铃状钟摆。两年后，他又拿出了H4，和前三块大家伙不同，经过重新设计的H4跟怀表差不多大。在H4上，哈里森又大胆在擒纵轮结构上加入了红宝石材料，进一步降低了零件之间的摩擦。终于，在1761年的夏天，天钟派和时钟派完成了决战前的所有准备，分别带上了H4和“月球表”出海接受最后的检验。

好消息是，这两种测试都非常成功。航海钟H4在整整81天的航程中仅仅慢了5秒，天钟派也证明了根据“月球表”用月距法导航，可以把经度误差控制在半度以内。但坏消息是，上岸之后，两支人马谁也没有获得经度法案的奖金。天钟派虽然证明了月距法的可行性，但它还是太复杂了，不仅需要观测者同时精通数学和天文，而且每次观测后需要算四五个小时才能得到结果。另一边，经度委员会则以实验不严谨的理由，拒绝承认H4的实验结果。

或许是两派之争的必然结果，经度委员会要求哈里森把从H1到H4的所有海航钟和设计图纸全部上交，作为支付一半奖金的条件。想要获得另外一半奖金，哈里森则必须从头开始再造出两块H4，证明它可以被量产。而在哈里森妥协交出设计图纸和航海钟之后，H4就被锁进了格林尼治天文台。就连哈里森试图借用H4当作复刻参考的要求也被拒绝。最终，年岁已高的哈里森给英王乔治三世写了一封信。这次，哈里森和他的航海钟终于得到了真正公平的机会。在乔治三世的亲自做证下，最新型的H5被证明是一块日误差小于三分之一秒的表，完全符合经度法案的奖金要求。这场跨度近70年的经度之战，终于迎来了结局。

虽然是哈里森最终拿到了奖金，但这场经度之战很难说是单方面的胜利，这场由星辰与齿轮书写的斗争，最终走向了合作。在哈里森领取奖金20年后，航海钟得以量产。天钟派也在坚持更新用于月距法的航海年鉴，并不断优化月距法的计算过程，让它变得更加简单。在19世纪的大海上，几乎所有船长都会同时携带航海天文钟和《航海年鉴》，他们最终和六分仪一起，成为信息时代前标准的“航海三件套”，即使到今天，他们也依然是最常见的远洋航行“应急预案”。

（责编：南名俊岳）