找到回家的路

看过这样一个故事，儿子嫌弃卧病在床的老母亲是家里的累赘，决定把她背到深山老林里遗弃。在走的路上儿子发现母亲不时扔几个豆子，不解地问为什么。母亲说：我怕你找不到回家的路，给你做个记号。

有心的慈母为了儿子顺利回家，用豆子做了一个参照物。但是在15世纪到17世纪的大航海时代，无数个母亲却只能默默祈祷，祈祷水手儿子身体安康，能够找到回家的路。

在茫茫的大海中确定航船的位置——经纬度，对现代人来说只需要拿出北斗或GPS。但是对于大航海时代的人却是个天大的难题。

测量纬度比较容易。人们很早以前就知道，太阳和恒星的位置不仅随季节变化，也与观察者的纬度有关。航海者可以通过测量太阳的位置求出当地纬度。在北半球时，还可以通过测量北极星在地平线上的高度来测出纬度（见图1）。

图1 北极星的地平仰角等于当地纬度

测量经度却是另外一回事。纬度表示地球表面南北向的位置，经度表示地球表面东西向的位置。但是由于地球的自转，我们的东向和西向没有一颗星星是静止的，根本没有任何天然的参照物。

当时几个比较发达的海洋大国，例如西班牙、荷兰、法国，都曾经以巨额的奖金悬赏解决经度问题的办法。

1707年，一支英国海军舰队因迷航触礁，导致4艘舰艇和2千名水兵葬身海底。于是在1714年，英政府悬赏2万英镑（相当于今天的数百万美元），征求能以半度的精度测定经度的方法。

谁也没想到，最终这笔奖金会被一名钟表匠约翰·哈里森获得。

当时的人们设想出很多测量经度的方法，比如狗吠法、磁偏法、信号炮船法、月距法等。在这些方法中，有的荒唐可笑，有的可操作性极低。相对可行的月距法精度不足还要依赖天气条件，最靠谱的还是钟表法。

地球每24小时旋转360度，所以每小时旋转15度，每4分钟旋转1度。假如我们在一艘航船上，用一只甲板上的日晷测量当地时间，同时用一只表记录0度经线处的时间。如果两个时间相差4分钟，则我们的经度与0度经线相差1度，如果相差8小时，就差120度。通过经纬度对照海图，就可以准确知道航船在地球上的位置了。现在可以看出，测量经度只需要一个计时精确的表。

在当时要制造出足够精度的航海表，有许多困难都很难克服，比如说船的颠簸晃动、冷热干湿的影响等。但是在解决了“经度问题”的过程中，约翰·哈里森表现出了卓越的工艺才能。他发明了双金属片补偿温度变化，发明了带夹圈的滚球轴承防止摩擦，这些技术现在我们还在使用。他费时近40年，先后造出5台航海表，其中以1759年完工的哈氏4号最为突出，这只表经过81天的航行，误差只有5秒钟。

图2 哈氏1号

图3 哈氏4号

制作的过程是艰辛的。比如进行精确度测试的时候，哈里森需要长年累月地跟踪星辰运动。他用自家窗户的一条边框和邻居家烟囱柱的侧影，作为自制天文跟踪仪器上的十字准线，用于星星定位。夜复一夜，当给定的几颗恒星跑出他们的视野范围并消失在烟囱背后时，他们就记下时钟的钟点。因为地球的自转，恒星消失的时间每晚刚好比前一晚提早了3分56秒（这是恒星日和太阳日的区别导致）。在所有这些深夜测试中，哈里森制作的时钟在整整一个月里累计误差都没有超过一秒钟。这让当时世界上生产出的具有最高质量的钟表都相形见绌了。

要悬赏钱的过程更是艰辛。由于某些权威人士的怀疑和嫉妒，受到欺凌的哈里森只能一点一点讨回本该属于他的奖金，直到1773年他80岁时，在国王乔治三世的同情翼护下，才算如愿以偿。

18世纪80年代以后，航海表开始成为海上导航的主要工具。哈里森用杰出的工匠精神，为大海中的万千游子指明了方向。