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标题: 【科普】经度之战（上） [打印本页]

作者: inRm 时间: 2021-3-14 11:01 标题: 【科普】经度之战（上）

土摩托看世界：经度之战（上）
标签：牛顿哥伦布美洲西班牙英国分类：科普之窗
　　各位观众大家好，今天我来讲一个关于经度的故事。为什么要讲这个故事呢？有两个原因。第一，今年是经度之战300周年纪念，在欧洲，尤其是英国，也就是经度之战的主战场，举办了很多纪念活动。这件事在中国知名度不高，但在英国非常有名，就像我们的鸦片战争一样，大部分人都知道。
　　第二个原因是，这场经度之战虽然名义上是科学圈里发生的事儿，但它的意义非常重大，几乎可以说决定了当今世界的格局。我只举一个例子：现在大家之所以都在学英语，而不是法语、西班牙语或者德语，和这场经度之战的胜负有很大关系。
　　好了，卖完关子，我开始讲了。这个故事要从1492年开始讲起，那一年哥伦布驾船横跨大西洋，发现了南美洲。后来很多历史学家说，如果投票选一件对人类历史发展进程影响最大的事件，那么哥伦布这件事几乎肯定当选，因为哥伦布让欧洲获得了巨量的资源，从此全球原有的实力平衡就被打破了，欧洲一枝独秀，最终称霸世界，至今依然如此。
　　哥伦布发现美洲这件事既不像一些人想的那样伟大，也不像另一些人想的那样简单。有人说这有什么了不起？中国人在明朝的时候就干过这事了。确实，郑和是很伟大，但他为了不迷失方向，是一直沿着海岸线走的。这么走虽然安全，但最远也就能走到非洲，美洲是发现不了的。哥伦布则正相反，他完全是在驶向一个未知的海域，需要更多的勇气。但是从另一个角度讲，哥伦布也不是完全盲目的，因为当时欧洲人已经知道地球是圆的，地球的直径也算出来了，而且也知道印度大概在什么位置，哥伦布事先算了算，认为他只需要航行3850公里就可以到达印度。可是他不知道，他使用的数据来自阿拉伯国家，人家的距离单位比欧洲的长，所以他最终航行的距离比设计的要远一些。当然了，还好中间有个美洲，如果全都是海的话，哥伦布不一定能活着回来。
　　说到这里插一句，15世纪的科学中心在阿拉伯国家，当时他们的科技水平远高于欧洲，原因在于阿拉伯盛产商人，这些人云游四方，沿途吸收了各个民族的科学知识，融会贯通，自然要比欧洲人见多识广。我认为这一点就是科学发展最重要的规律，那就是一定要有交流，只有交流，才能整合集体智慧，科学才会更好地向前发展。
　　好了，题外话说完，再回来说经度的故事。哥伦布发现美洲之后开启了欧洲的航海热，西班牙、葡萄牙、法国、英国等等欧洲国家纷纷派船出海，探索未知世界，这就是历史上有名的“地理大发现”的时代。除了美洲外，像澳大利亚、新西兰、夏威夷等等大大小小的海岛都是在这一时期被发现的。这样的航海和郑和的就很不一样，不可能是那样沿着海岸线前进了，所以对海上定位技术提出了很高的要求。
　　说到海上定位，不外乎方向、经度和纬度这3项。方向比较容易确定，有了指南针，东西南北就定下来了。纬度也相对比较容易，可以通过北极星的高度测出来，这个就连中学生都知道怎么做。有经验的海员甚至可以通过太阳的高度来判断自己的纬度，只不过需要测量的时候用一只眼睛直视太阳。据说那时的远洋船上每20个老船长就会有19个因为常年用一只眼睛对着太阳看而变成独眼龙，这件事说明船员对自己的位置要求是非常高的，他们有时候根本等不到北极星了！一定要知道自己在哪儿。
　　这里再插一句，在海上用北极星测纬度需要一个稳定的地平线，所以人们发明了“常平架”，无论船体如何颠簸它一直保持水平位置。中国人也发明过类似的装置，不过却用来制作“卧褥香炉”，这就是一个镂花的铁球，无论太太**们怎么转动这个球，里面的熏香始终直立不倒，香灰也就不会倒出来弄脏被褥。这玩意据说有些博物馆还有存货，感兴趣的话可以去找找看。
　　好，再回来说经度。前面讲了，方向和纬度都不是问题，因为这两个参数都属于自然性状，由自然法则来确定，很容易测。经度就不同了，因为经线是假想出来的，是人为的，不是地球的自然属性，所以就很难测了。但是地球有一个特点，它每时每刻都在自转，24小时转一圈，所以如果你能测出一个地方的当地时间，再和标准时间做对比，你就能知道自己的经度了。
　　第一个想到这一点的是一位名叫伽玛·弗里西斯的荷兰数学家，他在1530年提出了这个思路。他认为只要制作一台非常准的钟表，始终保持在一个已知经度的城市的时间（比如伦敦），然后带着这个非常准的钟表，始终显示伦敦时间的钟表出海，到达一个地方后再测出当地时间，当地时间很好测，比如太阳走到头顶位置就是中午12点，用这个时间来校正一下你的表，就可以知道当地时间了。然后拿这个当地时间和伦敦时间作对比，就可以算出这个地方的经度了。换句话说，经度的测量问题就转化成了时间的测量，这两个问题是等价的。
　　说到这里呢，一个现代人可能会感到奇怪，这个思路太简单了，小学生都能想得出来。但你别忘了，在16世纪的时候，钟表的制造工艺还很原始，每天差个几分钟是家常便饭，这种精确度是根本无法胜任经度测量工作的。
　　说到这里再插一句，补充一些背景知识方便大家理解这个故事。500年前的世界是一个非常不精细的世界，这也是当今这个时代和古代最大的差别。看看我们周围，到处都是非常精密的仪器，手机、手表、电视、电脑这些电子产品就不用说了，还有各种医疗的东西也很精确了，另外，还有很多自然规律的细节也都被搞清楚了，比如我们现在不但可以预测月食和日食的发生时间，甚至可以相对准确地预报天气，这在古代是无法想象的事情。所以上面讲到那个精细的钟表虽然听起来很简单，但在当年却是一个革命性的想法，非常超前。
　　话虽这么说，有一样东西却是自古以来一直非常精密地在运转的，这就是天体。也就是我们说的太阳、月亮和星星，每天都准确地在天上转一圈，虽然略有变化，但它的变化都是有规律。可以说天体几乎是古代社会里唯一精密的东西，它们似乎是被一种非常简单的规则在支配着。古代人为什么那么喜欢研究天文学？原因就在这里。很多宗教为什么都想当然地认为神灵是住在天上的？原因也在这里。古人日常生活中所看到的世界都是非常模糊，非常复杂的，甚至可以说是乱七八糟，毫无规律可言，只有星星不一样，所以古人倾向于相信星星是由非人的神灵在控制的，只有他们才能控制得如此精细，人是做不到的。
　　我说这个是什么意思呢？那就是有不少人都不相信人类能制造出这样精细的钟表，只能想办法读懂上帝他老人家制造的“天钟”才能达到测量经度的要求。比如在1514年，有个名叫约翰尼斯·沃纳的德国天文学家就曾经提出利用月亮的移动来测量经度。他通过观测发现，月亮在天空中的相对位置每时每刻都在改变，大约每小时移动一个月亮直径的距离。他假定地球上任何地方观察到的月亮行为都是一样的，只是发生的时间不同，只要在两地分别观测月亮，准确记下它移动到每一个特殊位置的时间，就能算出两地的经度差，这就是“月距法”。
　　但是，要想让这个“月距法”能够切实可行，必须准确地知道月亮在一年365天每时每刻的运行轨迹，也就是月亮和星星之间的相对位置，这是很难得。因为星星也是在每时每刻的移动着，这需要一个准确而又完整的星表，把天上这些几千个星星的所有位置都准确的标出来，这在当时也被认为是一件非常困难的工作。
　　因为我刚才讲的这些原因，经度的测量变成了一件几乎不可能完成的任务，所以当年的海员只能用笨办法预估自己的位置，也就是先算出自己的原始位置和速度，然后海图上看出自己第二天的位置，算速度很简单，那就是扔一个浮子进海，然后计算手里的绳子放了多长，这种绳子都是打结的，便于计算，所以海船的速度单位是节。显然，这个方法是很不准的，所以每年都会有很多远洋船因为迷路而葬身海底。当年哥伦布航海他避开了经度的问题，他采用的方法就是沿着北纬28度一路向西走，他认为只要纬度定准了，就一定会走到印度。大家熟悉的法国科幻作家儒勒·凡尔纳写的那本《格兰特船长的儿女》也是这个路子，格兰特船长沿着南纬37°线绕地球一圈。但是不是所有的航海都能这么干，所以经度还是要测的。
　　好，故事说到这儿，第一位大家熟悉的人物就要出场了，这就是意大利著名的天文学家伽利略。1610年，他用一台自制的天文望远镜发现了木星的4颗卫星，它们以极快的速度绕着木星公转，转速和轨道都非常有规律。伽利略研究了6年，确信自己把4颗卫星的运行规律全搞清了，这才终于把结果写成一个奏折，上交给了西班牙国王菲利普三世。
　　伽利略这么做不是为了科学，而是为了奖金。熟悉历史的人都知道，西班牙是欧洲第一个海上大国，在征服南美洲的行动中西班牙人是最起劲的，这就是为什么当今南美洲大部分国家都说西班牙语的原因。但是也正是因为这个原因，西班牙船的损失最惨重，于是在1598年，西班牙国王宣布设立欧洲的第一个经度奖金，谁先解决这个问题谁就可以领到一笔钱。伽利略认为自己发现了一个绝好的“天钟”，是可以用来测经度的，根本不用画出星表，也不用测月亮了。他就把这个提案提交给了西班牙国王，可惜这个方法很快就被西班牙国王打回来了，理由是“不实用”。现在想来这个结论是有道理的，因为木星的卫星太小了，陆地上测需要拿倍数很高的望远镜，这都可能测不准，在海上船一颠簸，很难找到木星的位置，所以这个方法是非常不实用的。虽然这个方法不实用，但是对陆地上的经度观测很有用，因为陆地上是很稳定的，可以拿望远镜看这个木星。
　　事实上当时的天文学家得知这一成果后立刻就意识到这是当时已有的最好的测经度的方法，准确性最高。法国人最先想明白了这一点，从1667年开始花了3年时间组织大批天文学家去欧洲各地测经度，绘制出一幅有史以来最准确的欧洲地图。后来这项工作还扩展到整个地球，绘制出了人类历史上第一幅准确的世界地图，人类这才第一次知道自己的家园长啥样。而这一切都要感谢伽利略，是他通过观测木星卫星，解决了陆地上测经度的难题，这才使得绘制全球地图成为可能。
　　法国人是这两项计划的组织者，背后的金主是当时的法国国王路易十四。据说当他看到那幅新的欧洲地图后就生气的说“我丢在天文学家手里的土地比丢在敌人手里的还多。”意思就是过去的地图非常不准确，把法国画得比实际面积要大。这个精确地图一看法国其实没那么大。这当然是一句玩笑话，路易十四没那么傻，他是个特别有野心的国王，他一直想争霸欧洲，乃至整个世界。他知道科学技术是实现他这个野心的最可靠的武器，而经度是重中之重。于是他出资购买了当时全世界最好的天文望远镜，在巴黎近郊修建了巴黎天文台，法国人打算在这里彻底解决经度问题，然后名正言顺地把巴黎天文台所在地定为本初子午线。这不但是一个国家的荣耀，而且背后的政治、经济和军事的利益太大了。你想，如果在海战的时候你的船长能够准确地知道自己的位置，而敌船不行，那你就几乎立于不败之地了。
　　法国的最大竞争对手是英国，英国人当然知道法国人为什么要建天文台，于是在巴黎天文台建成8年之后，也就是1675年，英王查理二世也拨款500英镑，在伦敦郊区的一个叫格林尼治村的地方建造了一个天文台，聘请了一位年仅27岁的天文学家约翰·弗拉姆斯蒂德担任第一任台长，台长的年薪是100英镑，大约相当于现在的10万美元，算很高的薪水了，但他要交10英镑的税，助手和购买仪器的钱也要从这100英镑里出，所以他并不富裕。
　　这个弗拉姆斯蒂德基本上就是我们常说的书呆子，而这恰恰是天文学家最应该有的品质。他相信那个“月距法”是可行的，而前面说过这个方法的前提条件就是要有一张星表，于是他的任务就是画出史上最完整的星表。具体来说就是在格林尼治天文台的上空假想一条零经度线，然后记录下每一颗肉眼可见的星星一年365天每天经过这条经度线的时间和高度，只有这样才能画好这个星表。为了做好这件事，他干脆把家搬到山上，没事根本不下山，变成了一个隐士一样。所以他直到46岁时才娶了一位23岁的女士为妻，两人一辈子没有小孩。
　　但是当时英国最有名的天文学家不是他，而是一个叫哈雷的人。他准确预测了一颗彗星的归期，大家肯定知道这颗彗星叫什么名字。这个哈雷的性格和弗拉姆斯蒂德完全相反，比较喜欢交际，两人互相瞧不上，成了一对冤家。哈雷一直想得到弗拉姆斯蒂德的数据，因为牛顿需要这个。牛顿当时已经推导出了万有引力定律，正在寻找证据，月亮的轨迹是最佳证据。但是弗拉姆斯蒂德是个完美主义者，他想等到全部数据都收集完毕后一起出版，牛顿当然很焦急，就委托他的好朋友，也就是这个哈雷去偷。1712年的时候，哈雷终于找到机会，利用职务之便偷了一部分数据出来交给牛顿，牛顿居然把这些数据拿去出版了，印了400本。弗拉姆斯蒂德非常气愤，自费买下了其中的300本，然后付之一炬，你看科学家之间的斗气也是挺惨烈的。
　　我们都喜欢“孤胆英雄”，尤其是敢于犯上的孤胆英雄。弗拉姆斯蒂德只是一个天文台的台长，而牛顿是英国皇家科学院的院长，无论是职务还是名气都要大得多，所以后人在谈到这件事时都倾向于抬高弗拉姆斯蒂德，贬低牛顿和哈雷。但我觉得这件事要一分为二地看，牛顿固然有做的不妥的地方，但弗拉姆斯蒂德也不见得就正确。他的这一部分数据已经能够给万有引力定律提供足够的支持了，早点发表对于科学的进步是有好处的。还有一件事可以证明他的偏执，他去世后英国政府任命哈雷作为格林尼治天文台的第二任台长，弗拉姆斯蒂德的遗孀听说了这件事后，立即变卖了天文台所有的家具，就连仪器设备都卖了。她不想让哈雷占用丈夫的心血。但这样做的结果就是，本来应该用来收集数据的仪器，甚至连弗拉姆斯蒂德花费了多年时间积累起来的一部分原始数据都丢失了。
　　后来的历史学家认为，正是由于弗拉姆斯蒂德的偏执，导致“天钟”派，也就是希望通过天文观测来测经度的这一派发展缓慢，最终输给了钟表派。这是后话。
　　经度之战可不仅仅是科学领域的竞争，而且关系到很多人的生命。1707年，一支英国舰队在打败了法国海军后在回国途中因为算错了经度导致4艘战舰触礁，1600多名水手被淹死。这下英国政府终于急了，决定设立经度奖，奖励第一个解决这个问题的人2万英镑，从此史上著名的经度之战拉开了序幕。
　　铺垫了这么多，好戏马上开始，我们下集再说。

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