【科普】经度之战（下）

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土摩托看世界：经度之战（下）
标签： 牛顿 英国 经度 赤道 奖励        分类： 科普之窗
　　上集说到一次伤亡重大的海难让英国政府下决心解决海上测经度的难题，为此政府专门成立了一个经度委员会，统筹相关事宜。委员会成立不久就去找牛顿，当年他已经72岁了，自知脑力不济，解决不了这个问题。但牛顿经过思考后还是很认真地写了份意见书，总结了几种可能的解决办法。他首先认为，钟表法虽然理论上是可行的，但是由于船只的运动，以及远洋过程中湿度、温度和重力的不断变化，这样的钟表是很难被造出来的。然后他又提到了“月距法”，认为这种方法也是可行的，但天文学家们仍需进行大量的工作。但总的来说，牛顿是倾向于“月距法”的，大概这就是为什么经度委员会的8名成员里除了海军军官和政治家外，都是天文学方面的科学家，没有钟表匠。后来有人认为这件事这说明牛顿比较瞧不起工匠，认为只有上帝才能做到如此精确，人类是做不到的。
　　但牛顿毕竟是大科学家，没有把话说死。经度委员会认真考虑了牛顿的建议，决定设立经度奖金，对所有合理的方法，无论是否出自英国本土科学家之手，一律一视同仁。1714年7月8日，也就是距今整整300年前，英国政府颁布了一项“经度法案”，法案规定，凡是有办法在地球赤道上将经度确定到半度范围内的人，奖励2万英镑；将经度确定到三分之二度范围内的人，奖励1.5万英镑；将经度确定到一度范围内的人，奖励1万英镑。
　　这是什么意思呢？当时地理学家已经知道，地球赤道上经度一度的距离大约是60海里，相当于108公里。这个距离对于航海来说并不是一个可以忽略不计的距离，但已经可以获得三等奖了，可见当时人们对经度的测量是非常没有信心的。那么这个经度大奖如果对应于时间的话是多少呢？已知地球24小时自转一圈360度，每小时对应的经度是15度，半度经度就相当于2分钟。当时，从伦敦出发的帆船大约需要6个星期的时间才能到达加勒比海，由此可以算出，如果采用钟表法的话，这块表每天的误差不能大于3秒钟。
　　这是什么概念呢？我来举个例子。上集曾经说到格林尼治天文台第一任台长弗拉姆斯蒂德，他曾经花重金请当时英国最好的钟表匠托马斯·汤姆皮恩做了两台摆钟，其中的一个至今还保存在格林尼治天文台供游客参观。这个汤姆皮恩被称为“英国钟表业之父”，可见水平很不一般，他做的这两台摆钟每天的误差小于两秒，是当时世界上最准的钟。
　　大家知道，摆钟的准确性和钟摆的长度有关，基本上是越长越好，这两台摆钟的摆长达4米，这已经是当时工艺的极限了，即使这样每天也要差1秒多种，勉强达到了经度奖金的要求。可是摆钟的物理特性决定了它是不可能在船上工作的，无论如何不能作为航海钟使用，而且航海钟还要能抵抗温度湿度压力转向等等各种影响，几乎所有的元器件都要革新，这就是为什么英国政府愿意奖这么多钱来解决经度问题了，这件事在当时来看几乎是天方夜谭。
　　虽然难度大，但奖金数量实在是太诱人了，2万英镑在当年是一笔巨款，大约相当于现在的2000万美元，比其他欧洲国家的奖金数多了好几个数量级，所以这个消息一公布，全欧洲都疯狂了。那段时间经度委员会每天都会收到大量邮件，还有很多人找上门来，声称自己找到了办法。但是这些方法全都错得离谱，只需要一个小秘书就足以把他们全打发了。比如，有人认为狗能通灵，只要先用一把特制刀在狗身上割一道口子，然后一个人带着这条狗出海，另一个人留在伦敦，每天正午12点的时候在这把割狗的刀子上抹一点“通灵药粉”，远在天边的那条狗就会疼得叫出声，这样船上的人就知道这是伦敦时间中午12点了。
　　从这个案例可以看出，在当时的英国，伪科学是相当盛行的。
　　还有人提出，可以派一支海上舰队，每隔600英里停一艘，绕地球一圈，这就相当于在海上建立了一串烽火台。然后，每艘船都在当地时间午夜零点的时候向天空中发射一枚烟花弹，往来船只只要注意聆听烟花弹发出的爆炸声就能知道自己的位置了。这个方法貌似不错，可谁来出钱组建这样一个舰队呢？后勤怎么办？敌人搞破坏怎么办？他们完全没有想过。
　　这个案例说明，书呆子科学家哪个时代都有，一点也不稀奇。
　　因为这些应征者都不靠谱，经度委员会自从1714年成立以来很长时间都没有开过一次全体会议，因为根本就没有必要。他们这8个人第一次聚在一起开会是在1737年，也就是经度奖宣布之后的第23年！可见这23年里没有一项提案是靠谱的。而这个让他们认真对待的这位申请者名叫约翰·哈里森，他就是我们这个故事的主人公。
　　哈里森1693年出生于英国的约克郡。他小时候就喜欢钻研科学和机械制造，对文学什么的一点兴趣也没有。他在19岁的时候模仿当地教堂的摆钟制造了一台木头摆钟，居然非常准。从此以后他就迷上了摆钟，潜心钻研误差的来源。他27岁那年当地一位爵士出钱让他造了一座塔钟，就是放在教堂钟楼里的那种，他花了两年时间造了出来，不但非常准，而且至今仍然在工作，可见他的手艺有多好。
　　这座塔钟最牛的不是长寿，而是两项新发明，一个是一种新式的擒纵器，哈里森给它取名叫做“蚂蚱”。擒纵器是钟表的核心部件，它负责把能量，也就是上弦积累的能量，传递给计数器，也就是钟摆，同时把钟摆的脉动传递给钟表指针。通常情况下，擒纵器是摩擦的最主要的来源，但哈里森设计的这种像蚂蚱腿似的擒纵器几乎完全没有摩擦，这就极大地提高了钟表的精度和抵抗环境变化的能力。
　　第二个发明是“烤架”式钟摆。前面说过，钟摆的长度决定了摆动的周期，金属的热胀冷缩导致的钟摆长度的变化是早期钟表不准的最大的原因。哈里森通过实验知道，铜和铁有着不同的热胀冷缩比，于是他把9根长短不同的铜棍和铁棍并列在一起，组成一个像烤肉架一样的东西，两种金属不同的涨缩程度相互抵消，于是钟摆的长度就不受温度的影响了。
　　据哈里森自己后来回忆，他很早就听说过经度奖，但直到1727年他34岁的时候才开始着手研究这件事。他之前制造的摆钟都是固定在地上的，要想适应海洋环境，还需克服不少新的困难。这个哈里森确实是个天才，他花了4年的时间终于想出了解决船只晃动的办法。他设计了一种平衡摆，也就是两只钟摆的两头分别用一根弹簧连接在一起。这样一来，一根钟摆受到的震动就会被另一根钟摆所抵消，无论船再怎么摇晃，都不会影响这种平衡摆的振动频率。
　　颠簸问题是航海钟在设计上的最大难点，解决了这个问题之后，哈里森觉得有把握了，便拿着图纸去伦敦找这个经度委员会，结果发现这个委员会连办公室都没有，我刚才说了，他们23年来都没有开过一次会，因为根本没有必要。委员会这8个人里哈里森唯一听说过的人就是天文学家哈雷，于是就去找他。哈雷善交际，待人非常热心，推荐了一个名叫乔治·格雷厄姆的人给哈里森，格雷厄姆是当时伦敦最有名的钟表匠，也是英国皇家学会的会员。哈里森上午10点去敲格雷厄姆的门，结果两人一直聊到夜里8点。格雷厄姆是个真正的聪明人，虽然他一开始没把哈里森放在眼里，但当他看了一眼图纸后，立刻就明白眼前这个人不一般，他解决了航海钟的一个最关键的问题。最后格雷厄姆不但留哈里森共进晚餐，还从自己的私人金库里拿出200英镑作为无息贷款给了哈里森，让他用这笔钱做一台样品出来。
　　说到这里我不得不停下来补充几句。我们大家都喜欢天才，尤其喜欢那些反抗强权的孤胆英雄，所以影视剧里的科学家大都是这类人，因为被权威误解而怀才不遇，自己把自己关在家里闷头研究，然后有一天突然拿出一个惊天成果，震惊全世界。历史上这样的事情确实发生过几次，爱因斯坦可以算一个，但这绝对不是科学的常态，科学的发展在大多数情况下都是循序渐进，一点一点进步的。科学家群体在大多数时候也都是很靠谱的，他们有能力区分谁是天才，谁是狂妄之徒。像这个格雷厄姆就是一个很好的例子。
　　两人这次历史性会面5年之后，也就是1735年，哈里森用格雷厄姆给的这200英镑贷款造出了一台样钟，后来取名H1，H就是哈里森名字的首字母。我在8年前去参观格林尼治天文台参观时见到了H1的真品，非常激动，这是一台庞然大物，重42公斤，被装在一个长宽高均为1.3米的铜壳里。格雷厄姆见到这台样品当然很激动，立刻找了5名专家进行初步测试，然后推荐给经度委员会，后者出钱让哈里森带着H1去英国近海做了测试，结果证明相当靠谱。
　　但是，事情发展到这里还远未结束。哈里森在测试的时候发现了一些问题，他自认为如果真的带着它去加勒比海远航的话，最多只能获得二等奖。于是他向经度委员会提出，自己已经知道应该如何改进了，只要委员会预支500英镑给他，他就可以造出一台更好的。这可不是狮子大开口，因为这个经度委员会有权力向提出可行性方案的穷人预支研究经费，事实上这个组织在存在的100多年时间里累计预支的科研经费高达10万英镑，是经度奖总奖金的5倍。所以后来的历史学家都认为这个经度委员会是人类历史上第一个官方的研究开发资助机构。
　　英国政府为什么要这么做？原因很简单：不但经度问题本身价值连城，而且在解决这个问题的过程中可以积累科学知识，提升整个英国制造业的水平，事实证明这几个目的都达到了，这笔钱绝对没有白花。由此可见英国政府确实高瞻远瞩，最终英国成为大英帝国不是没有原因的。
　　哈里森拿到预支的500英镑后又花了3年时间，造出了第二台航海钟，取名H2，但他在制造的过程中又发现了新的问题，于是又申请了500英镑，于1757年造出了H3。这台机器只有60厘米高，30厘米宽，重量也减到了35公斤。不但体积小了很多，而且其中含有的几项新技术完全是革命性的，比如一种用来抵抗温度变化的“双金属片”设计，以及一种新型的滚珠轴承设计至今仍然在使用。
　　哈里森对于制造工艺一直是高度保密的，他当然不想让别人偷走自己的研究成果，但这么做虽然保护了专利，却屏蔽了他人的智慧，让哈里森变成了一个名符其实的孤胆英雄。我前面说了，科学研究最重要的一点是交流与合作，哈里森拒绝和同行交流，客观上延缓了钟表技术前进的步伐，这就给天文学家一个赶超的机会。由于欧洲各国的天文学家一直在密切合作，所以“月距法”进展神速，差点从哈里森手里抢走经度奖。
　　这个领域的代表人物是一个名叫马斯卡林的天文学家，比哈里森足足小了40岁。他是个比弗拉姆斯蒂德还要固执的书呆子，一心扑在天文学上，而他这么拼命的目的只有一个：拿到经度奖。他有一点和弗拉姆斯蒂德不同，那就是他一点也不在乎到底是谁的贡献，只要有用，就毫不迟疑地拿来用，所以他在“月距法”方面走得最远，也很有可拿到经度奖。
　　马斯卡林知道自己最大的敌人就是哈里森，所以他利用自己在天文学家这个圈子里的关系，不断给哈里森制造麻烦。著名科普作家达娃·索贝尔在她写的这本《经度》里花了大量笔墨描写了两人之间的争斗，这本书的内容后来还被拍成了电影。无论是小说还是电影都把哈里森描写成了英雄，马斯卡林则被描绘成一个用心险恶的坏人。真实的情况并不是这样非黑即白的，马斯卡林确实给哈里森制造了一些麻烦，但他提出的一些要求是有道理的。比如，他提出哈里森必须把所有秘密和盘托出，否则不给奖金，这其实是专利领域的国际惯例，否则的话如果哈里森出点意外的话这个技术就失传了。
　　所以我认为，归根到底，两人的矛盾源于哈里森的性格，他虽然是个天才，但太独了，不懂得合作，一心想独拿奖金，然后青史留名，这其实不是科学家应有的性格。
　　有意思的是，最终让哈里森获奖的恰恰是一个来自他人的贡献。哈里森委托一个钟表匠给自己造一块怀表，但用的都是他自己发明的技术，没想到这块怀表特别准，大大出乎他的预料。要知道，以前的钟表匠们都认为摆钟的摆越长越准，可是当哈里森解决了一些常见的技术问题之后，这项规则悄悄发生了变化，高频的振子反而比体型巨大的摆钟更加稳定和准确。哈里森直到亲自使用了这块怀表后才恍然大悟，明白了这个道理。于是他把自己制造的3个巨型航海钟都推倒重来，于1759年制造了第四台航海钟，取名H4。它的直径是13厘米，重1.45公斤，比怀表略大，但仍然可以很容易地装进一个盒子随身携带。
　　如今这4个航海钟都放在格林尼治天文台的展览室里供人参观，大家如果有机会去伦敦的话一定要去看一次。
　　H4虽然小，但精度反而提高了，而且便于携带，造价也低廉，当然更受欢迎，于是经度委员会出钱进行了远航测试，结果完全符合一等奖的要求。此时月距法也已经成型，经过实测后同样符合要求，于是这两派为了争夺奖金又斗争了很多年，具体细节我就不说了。总之，最后经度委员会决定把经度奖颁给哈里森，时间是1773年，距离经度奖的设立已经过去了将近60年。那一年哈里森已经80岁了，他一辈子几乎就干了这么一件事。
　　因为最终获胜的是钟表匠，所以后来的历史学家都喜欢贬低天文学家这一派的贡献，其实当年的海员们都是两个方法并用的，因为谁也不敢保证一座航海钟是准的，所以一艘船往往会带上几块，甚至十几块航海钟作为参照。比如达尔文环球航行乘坐的“小猎犬”号就带了22块航海钟，非常昂贵。而“月距法”用的是月亮，不会出问题，只是用起来比较麻烦而已，据说一次要算4个小时，所以海员们还都会带着马斯卡林制作的星表，作为航海钟的对照。
　　但是不管怎样，经度问题的解决使得大英帝国海军迅速崛起，成为全球的海洋霸主，英国著名的航海家库克船长就是用这项技术多次环球航行，最终发现了澳大利亚、新西兰、夏威夷，以及很多太平洋海岛，后来他们都讲了英语。在强大的英国海军的帮助下，大英帝国最终称霸世界，建立了人类历史上第一个日不落帝国。相比之下，格林尼治天文台成为零经度的标准，以及格林尼治时间成为全球的标准时间，只是这个经度之战的两个副产品而已。
　　这个经度的故事到此告一段落。我06年第一次参观格林尼治天文台时第一次听说了这个故事，激动不已，回国后立刻把这个故事写了出来。我觉得这个故事说明，决定国家命运的，很可能不是某个大英雄，某场战役，或者某个政治制度，而是一项看似毫不起眼的新技术，这个经度之战就是一例。
　　为了纪念经度之战300周年，英国政府和一家公益组织联合起来宣布设立了新的经度奖，让公众投票该奖哪个领域，最终英国民众投票选择了抗生素领域，谁能解决抗生素的抗性问题，谁就将获得1000万英镑的奖金，大约相当于一亿人民币。这个奖肯定会吸引更多的科学家投身这个领域，最终造福人类。

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