一位鐘表匠的杰作

盡管在用天文方法確定經(jīng)度方面取得了一些進(jìn)展，但并未能達(dá)到有效的精度，而且用起來(lái)也太麻煩。1707年，英國(guó)皇家海軍的四艘艦艇在意大利西西里島附近觸礁沉沒(méi)，死亡人數(shù)約2000人，超過(guò)后來(lái)的泰坦尼克海難。公眾被這一悲慘事故所震驚，敦促政府尋求精確確定經(jīng)度的方法。1714年，國(guó)會(huì)任命了由多位專家組成的“經(jīng)度委員會(huì)”，由牛頓領(lǐng)導(dǎo)。委員會(huì)懸出巨額賞金征求經(jīng)度問(wèn)題的解答，許諾誤差不超過(guò)100千米的方法可獲l萬(wàn)英鎊，不超過(guò)70千米者1．5萬(wàn)英鎊，誤差50千米以下的則可獲2萬(wàn)英鎊——這在當(dāng)時(shí)是一筆驚人的巨款。荷蘭、西班牙、法國(guó)也已懸出類似的巨額賞金。

重賞之下必有勇夫，種種千奇百怪的設(shè)想送到經(jīng)度委員會(huì)的案頭。其中最可笑的大概是，某人上聲稱他發(fā)明了一種神秘的“憐憫之粉”(聽(tīng)起來(lái)好像RPG游戲的道具)，如果把這種粉灑在曾經(jīng)使人或動(dòng)物受傷的刀子上，傷者就會(huì)感到與當(dāng)初受傷時(shí)同樣的疼痛。這位建議者說(shuō)，可以用一把刀刺傷一群狗，每條出海的船都帶上一條狗，但刀子留在倫敦。每天倫敦時(shí)間的正午，倫敦方面把憐憫之粉灑在那把刀子上，海船上的狗狗們就會(huì)立刻感到痛而“汪”起來(lái)。這樣，航海者就知道，此時(shí)是倫敦時(shí)間的正午了。把船所在地的時(shí)間與倫敦時(shí)間進(jìn)行比較，就可以算出經(jīng)度——毫無(wú)疑問(wèn)，經(jīng)度委員會(huì)對(duì)這個(gè)絕妙主意一點(diǎn)也不感興趣。其他方法還包括在主要航道上設(shè)置固定的駁船，每條船在夜里都點(diǎn)上火和封裝在巨大真空瓶子里的永動(dòng)機(jī)等等。

最終解決這一問(wèn)題的，不是天文學(xué)家，不是數(shù)學(xué)家，而是一位鐘表匠約翰·哈里森。他出生于1693年，是一位鄉(xiāng)村木匠的兒子，通過(guò)自學(xué)掌握了制造鐘表的原理和技能。1730年，他帶著研究了4年的航海鐘設(shè)計(jì)方案離開(kāi)家鄉(xiāng)林肯郡前往倫敦，去見(jiàn)當(dāng)時(shí)的格林尼治天文臺(tái)臺(tái)長(zhǎng)哈雷。哈雷友善地接待了哈里森，并把英國(guó)當(dāng)時(shí)最優(yōu)秀的鐘表匠喬治·格拉罕姆介紹給他。后者對(duì)哈里森的計(jì)劃感興趣，借給他250英鎊來(lái)制作這個(gè)臺(tái)式的大型航海鐘。

6年之后，哈里森的第一臺(tái)航海鐘(后稱為H1)問(wèn)世了，它有兩個(gè)對(duì)稱連接的鐘擺，可以抵消海船晃動(dòng)的影響。在格拉罕姆的安排下，H1被介紹給科學(xué)界和經(jīng)度委員會(huì)，引來(lái)許多驚嘆。在第一次海上實(shí)驗(yàn)中，H1的表現(xiàn)相當(dāng)不壞，但哈里森并不滿意。他沒(méi)有做第二次實(shí)驗(yàn)，而是向經(jīng)度委員會(huì)申請(qǐng)資金，再設(shè)計(jì)更好的鐘。第二臺(tái)航海鐘H2的設(shè)計(jì)里有一些弱點(diǎn)，很快就被放棄。此后的19年里，哈里森一直在反復(fù)地重造H3，為他提供資金的經(jīng)度委員會(huì)開(kāi)始失去耐性和信心了。

1753年，哈里森委托一位鐘表師按照他的設(shè)計(jì)造一個(gè)懷表式的小鐘，用來(lái)檢驗(yàn)大鐘的精度。當(dāng)他試用了這塊表之后，立刻醒悟到自己27年來(lái)完全走錯(cuò)了路：用高頻振子來(lái)制造小型的鐘表，會(huì)比大鐘穩(wěn)定得多。當(dāng)然這也不能怪他，在那個(gè)時(shí)代，根本沒(méi)有人會(huì)想到懷表這樣的小東西可以作為嚴(yán)格的計(jì)時(shí)器。1755年，哈里森再次向經(jīng)度委員會(huì)申請(qǐng)資金制造H4，但后者已經(jīng)不喜歡航海鐘這個(gè)主意了。1731年，約翰·哈德利發(fā)明了反射式象限儀，使航海者可以更精確方便地測(cè)定天體之間的夾角。與此同時(shí)，新出版的月亮運(yùn)動(dòng)圖表給老的“月距法”——用月亮相對(duì)于恒星的視運(yùn)動(dòng)來(lái)確定經(jīng)度——注入了新的活力。

盡管如此，哈里森仍于1763年拿出了與他的前三個(gè)航海鐘完全不同的H4：一塊直徑13厘米、．重1 45千克的大懷表。他的兒子威廉帶著H4兩度出海測(cè)試其性能。在第二次航行中，H4在47天的時(shí)間里誤差為39．2秒，比經(jīng)度委員會(huì)最高獎(jiǎng)金所要求的還要精確。然而經(jīng)度委員會(huì)說(shuō)，這可能只是一個(gè)僥幸。他們要求哈里森把H4的制造方法交給格林尼治天文臺(tái)臺(tái)長(zhǎng)，才能獲得2萬(wàn)英鎊獎(jiǎng)金的一半，另一半則要其他鐘表商按照哈里森的設(shè)計(jì)造出相同的表來(lái)通過(guò)可重復(fù)實(shí)驗(yàn)(這倒是非常正確的)才支付。哈里森起初不同意，但委員會(huì)的態(tài)度非常強(qiáng)硬，他只好屈服了。于是，其他的鐘表匠來(lái)制造H4的副本，而哈里森和兒子則著手制造H5。其間又有種種波折，最終在國(guó)王查理三世的幫助下，哈里森終于拿到了剩下的獎(jiǎng)金，但不是以獎(jiǎng)金的名義。所以嚴(yán)格說(shuō)來(lái)，哈里森并沒(méi)有獲得經(jīng)度委員會(huì)的全部獎(jiǎng)金，但他被承認(rèn)為解決經(jīng)度問(wèn)題的人，這也就夠了。

1766年，當(dāng)時(shí)的天文臺(tái)臺(tái)長(zhǎng)馬斯克林內(nèi)出版了英國(guó)第一本航海歷，其中以3小時(shí)為間隔，給出全年月亮相對(duì)于太陽(yáng)和主要恒星的位置。航海者查閱航海歷，對(duì)照頭頂?shù)男强請(qǐng)D像，可以確定自己所在地的當(dāng)?shù)貢r(shí)間。哈里森的H4則解決了航船上如何得知格林尼治時(shí)間的問(wèn)題。時(shí)間差即為經(jīng)度差，人類終于能夠準(zhǔn)確定位經(jīng)度了!盡管早期一位鐘表匠造一塊懷表要花幾年時(shí)間，但此后幾十年里，航海鐘還是逐漸得到普遍應(yīng)用，裝備于貿(mào)易船、漁船和英國(guó)皇家海軍。英國(guó)的對(duì)外擴(kuò)張與侵略史里，航海鐘的推動(dòng)作用不可忽視。現(xiàn)在我們有了原子鐘和全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)，可以迅速準(zhǔn)確地計(jì)量時(shí)間、定位經(jīng)緯度，比航海鐘和航海歷要方便得多了。但在那個(gè)時(shí)代，H4的問(wèn)世的確是一項(xiàng)重大變革。

格林尼治平均時(shí)間

19世紀(jì)中葉，英國(guó)各城鎮(zhèn)還是各用各的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)，以太陽(yáng)在本地子午線上方的時(shí)間為正午，因此盡管英國(guó)本土的東西跨度不大，各城鎮(zhèn)的時(shí)間仍不免會(huì)相差幾分鐘，在美國(guó)這樣的大國(guó)就更嚴(yán)重了。有一段時(shí)間，美國(guó)的80個(gè)鐵路系統(tǒng)各自按當(dāng)?shù)貢r(shí)間運(yùn)作，火車時(shí)間表對(duì)乘客來(lái)說(shuō)簡(jiǎn)直是一場(chǎng)噩夢(mèng)，他們到一個(gè)地方就得重新校準(zhǔn)一下自己的表，以免誤車?，F(xiàn)代的鐵路、郵政、電報(bào)系統(tǒng)都需要一個(gè)全國(guó)乃至全球統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間。

從1833年開(kāi)始，每天13時(shí)，格林尼治天文臺(tái)頂端風(fēng)向標(biāo)上的一個(gè)紅色皮球就會(huì)升起又落下，泰晤士河上的航船根據(jù)這個(gè)“時(shí)間球”調(diào)整時(shí)鐘。選在13時(shí)的原因，是正午時(shí)分太陽(yáng)過(guò)子午線上方時(shí)天文學(xué)家們太忙了，顧不上時(shí)間球的事。這是世界最早的公共標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間服務(wù)項(xiàng)目之一，也是當(dāng)年吸引游客的一大景觀。后來(lái)時(shí)間球被雷打壞了，換成了金屬球。此后，天文臺(tái)又開(kāi)始通過(guò)人工校準(zhǔn)或電脈沖的方式向全國(guó)發(fā)送格林尼治時(shí)間。1880年8月2日起，格林尼治平均時(shí)間被定為英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間。

格林尼治平均時(shí)間的“平均”是什么意思?由于地球自轉(zhuǎn)軸的傾斜和公轉(zhuǎn)速度不完全均勻，每一天的長(zhǎng)短并不完全一樣，因此日晷等天文儀器指示的時(shí)間與鐘表指示的時(shí)間會(huì)有一些差異，最多可達(dá)到16分鐘之多?！捌骄?yáng)日”是以一年的時(shí)間總長(zhǎng)度除以天數(shù)所得的平均數(shù)值，以此衡量的時(shí)間稱為平均時(shí)間。1884年10月的國(guó)際子午線大會(huì)，不僅確定了格林尼治子午線為國(guó)際本初子午線，并且同意以格林尼治平均時(shí)間為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間。

格林尼治的退隱

進(jìn)入20世紀(jì)，科學(xué)家們逐漸感覺(jué)到，格林尼治不再是一個(gè)適宜做天文學(xué)研究的地方。附近的電站和火車干擾磁力儀器，空氣污染、光污染日趨嚴(yán)重，影響天文觀測(cè)效果，再加上戰(zhàn)爭(zhēng)的壓力，天文臺(tái)的觀測(cè)和研究工作陸續(xù)分離出去。1946年，天文臺(tái)宣布搬遷到蘇塞克斯郡；1948年，臺(tái)長(zhǎng)離開(kāi)，從此“皇家天文學(xué)家”不再是格林尼治天文臺(tái)臺(tái)長(zhǎng)的同義詞。1954年5月進(jìn)行了最后一次定點(diǎn)觀測(cè)，格林尼治小山作為英國(guó)第一天文臺(tái)所在地的歷史結(jié)束?，F(xiàn)在，大多數(shù)觀測(cè)數(shù)據(jù)和研究資料藏于劍橋，觀測(cè)和研究工作分散于愛(ài)丁堡天文臺(tái)、加納利群島的北半球天文臺(tái)等地。