“把科學帶回家” 提供
如果把你一個人丟在茫茫大海上，沒有手機，你怎麼知道自己在哪兒？這就是困擾了人類數千年，直到300年前才被解決的難題。
許多人會想當然地認為，能夠想出解決辦法的，應該是受過良好教育的科學家吧。但實際上，完成這個壯舉的，是一個沒有受過教育，自學制表技術的鄉村木匠——約翰·哈里森（John Harrison）。
參考資料 Lost at Sea: The Search for Longitude 等
編譯 七君
緯度（橫線），經度（豎線）
找到自己在世界上的位置，靠的不是自知之明，而是緯度和經度。人類被這兩個座標困擾了數千年。
在大航海時代剛剛開啟的18世紀，人類終於能夠測量緯度了。
測量緯度的原理是這樣的：太陽不管在哪兒都在正午到達最高點對吧，但是在不同緯度，太陽在正午的位置不同。
比如在赤道，正午的太陽在頭頂上，但是在北極，太陽在地平線附近晃悠。不同緯度的正午太陽高度不同，通過這一點就可以推算緯度了。當時的水手能夠用六分儀測量太陽的位置，從而得到自己的緯度。
但是，在海上經度卻沒有準確的測量方式（原因下文會解釋）。當時水手的估算方法是計算船的航速。
經度
船上有一些綁著木頭的繩子，木頭之間的繩子的長度是1.47米。要算航速的時候，水手把木頭丟到海里，任由繩子滑入水中。
每一個木頭劃過，水手就大喊一聲“turn”。其他水手記下在一個28秒的沙漏漏完時，滑過的木頭的數量，這樣就可以測算船速度了。因此這種木頭log後來就被當作航海日誌，進而變成計算機日誌的代名詞。
這個方法就叫做航位推測法（dead reckoning）。
但是，這樣做的誤差很大。海水本身相對大陸也在運動，而上面這個方法算的只是船相對海水的速度，而忽略了海水的速度，因此有比較大的誤差。
短途旅行可還行，一旦長途旅行，誤差逐漸累積，水手要知道自己走了多遠就不太可能了。
所以當時航海的主要方法就是等待合適的洋流和風，然後一鼓作氣起航。不過這麼一來，所有人都知道你要去哪兒了，海盜什麼的就可以輕鬆跟在你屁股後你乘機壁咚你。
有人可能覺得奇怪了，不對啊，那18世紀地圖上的經度是怎麼測出來的呢？
在地面上測經度和在海面上測經度很不一樣。在地面上測經度依靠的是天體。
伽利略在1610年就用自制的天文望遠鏡觀察到了木星的4個衛星。他非常詳細地繪製了這4個衛星在每晚7點出現的位置。所以如果能夠觀星的話，還是可以確定時間的。
木星和四個伽利略衛星
就是依靠伽利略的思路，後來人們才找到了利用日食和恆星位置測量各地的經度的方法，繪製出了精確的陸上地圖。
但是，在海上卻無法做天文觀測。這是因為，觀測木星等天體需要強大的遠焦天文望遠鏡，而且對於遠焦望遠鏡來說，觀測時不能有抖動，最好心臟都別跳（原理點我），否則你會覺得星星嗑藥了。
1707年10月22日，一支從直布羅陀回來的英國艦隊就遇到了經度引發的血案。
由於遭遇了惡劣的天氣，他們不知道自己在哪兒，在做什麼。他們不要你覺得，他們要自己覺得自己離英國海岸附近礁石密佈的錫利群島很遠，但其實他們就在那兒。
結果，在幾分鐘之內，五艘艦艇中的四艘觸礁，幾千人落水溺死，英國海軍也因此蒙受了巨大的損失。
後來，英國把這個事件定性為國難，舉國上下有各種官方和民間的默哀紀念活動。你看，即使是英國這樣的海上霸主，也拿經度毫無辦法。
痛定思痛，1714年，英國議會設立了經度獎（the longitude act）。這其實就是個賞金任務，誰能在海上找到經度，誰就能拿到2萬英鎊，相當於現在的139萬英鎊，970萬人民幣。
英國國會於1714年通過的經度法案，其中設立了經度獎。 @cambridge university library
英國政府還成立了評審委員會（經度局）。委員會里全是有頭有臉的科學家和政客，領頭的是牛頓爵士。
不過在老百姓的心中，在海上找經度是不可能的事情，只有瘋子才會想去拿這個獎。看看英國著名畫家威廉·賀加斯（William Hogarth）畫的這些嘲諷漫畫，你就知道當時大家有多悲觀了。
威廉·賀加斯繪製的諷刺追求經度獎的人的漫畫 Longitude Lunatics' from 'The Rake's Progress
不過，剛剛滿20歲，從沒有上過學的約翰·哈里森卻願意當一個瘋子。
約翰·哈里森
他是這樣想的：不管你在哪兒，當太陽昇至最高點的時候，就是中午12點沒錯吧，所以不管在哪兒，你都能知道每天中午的時間。
理論上，地球在24小時內勻速轉了360度。如果把地球從東到西等分成24個區域，每個區域到達中午12點的時刻都和附近的區域差1個小時。
那麼，如果我出發時帶著一個倫敦正午時間的鐘，走一段時間後在正午看看這個鍾，如果倫敦的鐘顯示下午3點，那麼我就可以確定，我和倫敦差3個小時對吧。那我不就可以確定我所在的位置的經度了嗎？
這在我們現代人看來很自然的類似於時區的概念，在300年前卻是不可能的。為什麼？因為當時的鐘錶的精度太差了。比如，當時最厲害的鐘表大師 George Graham 的鐘表每走一週，就有幾秒的誤差。
如果要實現哈里森的目標，那麼就要製造一個精度是過去所有鐘的50倍的新型鐘錶出來。
哈里森下定決心，不但要製造出能在海上運行的鐘，還要讓它的誤差保持在一個月2-3秒之內。
聽起來很燃，但是等一下，哈里森怎麼知道自己的鐘的誤差夠小呢？畢竟他要造的是世界上最“準”的鐘啊，別的鍾都不能拿來當標準。
哈里森想到了觀察夜空的恆星。恆星每晚出現在天空中的某個位置（所以才叫“恆”星嘛），然後因為地球自轉“落下”。那我每晚觀察同一時刻的同一個恆星，不就可以判斷我的表準不準了嗎？
但是呢，這個方法有個問題：鐘錶和太陽日一樣，一圈24小時；但是地球自轉一圈再看到同一個恆星時，流逝的時間是24小時不到，恆星每天會早出現3分54秒（恆星日和太陽日有差距）。
繞太陽轉一圈：太陽日。繞某其他恆星轉一圈：恆星日。太陽日比恆星日略長。
他想了另一個辦法：雖然每天盯同一個恆星會越來越早，但是恆星經過2個位置的用時總是不變的咯。
所以，他把自家東面的窗戶和鄰居家的煙囪當作標誌物，當恆星從一處升起，到另一處消失時迅速記錄自己的鐘表的時間。因為恆星升落的時間差是固定的，這樣就能比對自己造的鐘表的誤差了。
校準的問題解決了，那麼怎麼優化機械鐘，減少誤差呢？
我們先來看一下最早的機械鐘——擺鐘的基本原理。擺鐘的原理其實不復雜，中學我們就知道，1米長的鐘擺的半週期是1秒。
像上面這樣，用重物拉扯齒輪轉動，然後做一個頭部是Y型的鐘擺卡在齒輪上，那麼鐘擺擺動時，齒輪就會按1秒一停的節奏轉動了。
這個Y型的裝置，就是個簡單的擒縱機構，也就是滴答調時的機構。這個鍾其實我們在家裡也能做，只不過誤差比較大。
機械鐘誤差的第一大來源，就是摩擦。因為零部件容易卡住，所以當時的鐘錶要時不時上點油潤滑一下。可是潤滑油本身氧化了以後就會變得粘稠，把零件整個黏住。
傳統擺鐘的錨形擒縱器 @wikipedia
為了對付這個問題，哈里森設計了蚱蜢擒縱器，它和過去的擒縱機構不同，不會和齒輪有較大的摩擦。
哈里森發明的蚱蜢擒縱器 @wikipedia
為了徹底解決摩擦的問題，他還用了一種自帶潤滑油的木頭——美洲亞熱帶地區的愈瘡木（lignum vitae）。愈瘡木富含天然樹脂，因此永遠不會乾裂。他是第一個採用了這種材質製造鐘錶零件的人。
愈瘡木的花朵
經過這樣的改良後，哈里森擺鐘的誤差就從每天幾分鐘，下降到了一週1分鐘。
在英國北林肯郡的布羅克萊斯比莊園的養馬場還保留著哈里森在1722年製造的一個木質擺鐘。300年過去了，它從沒上過潤滑油，每週只需要上一次發條就可以了。
哈里森為布羅克萊斯比莊園設計製造的木質擺鐘，採用了蚱蜢擒縱器。
第二個問題，就是金屬的熱脹冷縮。
我們剛剛說過，單擺的週期和長度有關。但是金屬在不同溫度下會發生熱脹冷縮，長度會發生變化，因此鐘擺週期就會跟著變，那麼擺鐘就走不準了。
哈里森也想到了方法。他注意到黃銅和鐵在遇熱時的膨脹速率不同，他就用這兩種金屬相互制約，在1726年製造出了不隨溫度變化的柵形補償擺（gridiron pendulum）。
利用膨脹速率不同的金屬製造的不隨溫度改變長度的柵形補償擺 @wikipedia
當然，這樣優秀的擺鐘還是無法成為海鍾，因為大海的問題不僅僅是摩擦，還有溼度大、腐蝕強、氣壓和溫度多變的問題。此外，不同緯度的重力也有輕微變化。更關鍵的是，海上的船會晃啊！在第一次出海測試的時候，旱鴨子哈里森就被晃吐了。
於是，哈里森乾脆取消了鐘擺，用彈簧代替。這個名叫 H-1 的鐘就是他的第一次衝擊經度獎的參賽作品，彈簧的設計擺脫了重力的影響，讓H-1能在不穩定的環境裡維持振動。
H-1 @national maritime museum
1736年，哈里森帶著自己的H-1上了前往裡斯本的 The Centurian 號測試。
在回程的路上，他們也經過了出過大事的錫利群島，不過大家就陸地的方位產生了分歧。船長用保守的航位推測法指了一個方向，哈里森卻指了另外一個方向。有驚無險地上岸後，船長才意識到哈里森的時鐘是對的。
船長事後還寫了一份報告：“雖然哈里森先生吐了一路，但是海洋的運動並沒有影響他的計時器。”
現在，我們不清楚H-1的精度具體如何，但是一般認為它的誤差在一天5-10秒之內。可是，這樣的誤差沒有打動評委。
於是哈里森開始接著研發H-2、H-3。
H-2一個月只有1秒的誤差，是當時世界上最精確的計時器。更厲害的是，這個鍾全是木頭做的。
再來看看澳大利亞國家海事博物館複製的哈里森的H-3。相信你會被它的美震撼。
在哈里森玩命研發的期間，天文學家們也沒閒著，他們試圖用比較方便觀察的月球來當作判斷時間的基準，因為月球每分鐘的位置都不同。
當時，皇家天文臺臺長內維爾·馬斯基林 （Nevil Maskelyne）發明了一種利用月球相對恆星位置推測經度的方法《航海曆》。但是這個方法需要4個小時的計算，等你算出來了這結果也就沒用了。
而到了18世紀50年代，哈里森開始研發不被看好的懷錶。
當時懷錶的精度還不如擺鐘，每天的誤差達到1分鐘的懷錶就算hin優秀了。但是在1759年，66歲的哈里森製造出了H-4懷錶，要和馬斯基林的《航海曆》一爭高下。
懷錶H-4 @national maritime museum
來看一下鐘錶匠人 Derek Pratt 做的這個華麗麗的複製品——
評委會讓一艘船帶著鎖在盒子裡的H-4從英國的樸次茅斯開到加勒比海的島國巴巴多斯。因為途中經過了熱帶，所以H-4經歷了50攝氏度的溫差。
1764年5月13日，船抵達了目的地，整整46天沒有調時的H-4立刻接受了檢驗。H-4的精度如何呢？
在經歷了6周不調時、50攝氏度的溫差後，H-4的誤差卻只有30秒，比馬斯基林的《航海曆》準多了。這是前所未聞的。就這樣，GPS的始祖，人類的第一個經線儀誕生了。
最關鍵的是，經度獎的頒獎條件是，只要誤差小於2分鐘就可以了，也就是說H-4已經超額完成任務。
但是，評委們卻不相信H-4的真實性。而這背後最大的原因，就是馬斯基林是評委主席（此時牛頓已親自昇天），所以他們我不聽我不聽地100塊都不給哈里森。但奇怪的是，這些人卻口嫌體正直地扣押了H-4。emmm
英王喬治三世 @wikipedia
但是，就和任何爽文一樣，打輔助的大俠出現了。
聽說了哈里森受到了這樣不公正的對待，親測過H-4 而成為它的忠粉的英王喬治三世氣炸了，決定濫用權力拔刀相助。他說：“上帝啊，哈里森，我要你受到公正的待遇。”都18世紀了，你們真是夠了，快把錢給老爺爺好嗎！
在英王氣鼓鼓的抗議下，委員會勉強答應給哈里森有條件的獎金，條件是交出設計圖紙，並要求已經70高齡、老眼昏花的哈里森多造幾個複製品來讓英國海軍測試。
哈里森能怎麼樣，他也很絕望啊，只能幹唄。
1772年，首批登陸澳大利亞東岸的歐洲人、在澳洲家喻戶曉的英國皇家海軍軍官詹姆斯·庫克就拿到了一個H4的複製品K1。
庫克船長
K1誤差從不超過8秒，所以庫克船長也變成了K1的腦殘粉，他說這個表是“永遠不會背叛我們的朋友”。
懷錶 K1
好吧，磨磨唧唧的委員會終於同意付款了，不過是在哈里森80歲的時候，而且還不是全額獎金，只是其中的一小部分。2年後，哈里森就去世了。他死後英國製表匠 John Arnold 改良了他的設計，讓經線儀變得平民化。
全球化1.0達成。
不過，哈里森走的時候可以說是失望透頂了。不僅是委員會的態度，世人大都不相信他的鐘表設計製造技藝。
哈里森在死前曾稱，他“可以製造一個走100天誤差不超過1秒的計時器”，但是卻遭到了同代人的一萬點傷害，他們覺得沒文化的鄉巴佬就別搞笑了好嗎。
2018年穀歌的哈里森塗鴉
250年後，這個叫做 Clock B 的機械鐘才獲得學術界認可。根據哈里森在250年前的設計圖紙複製的 Clock B 在2015年被吉尼斯紀錄收錄，成為“世界上最精準的機械擺鐘”。
Clock B
在格林威治天文臺的官方測試中，Clock B在連續運行100天后，誤差只有5/8秒，完全符合哈里森的預言。要知道，這樣精度的鐘表直到20世紀才誕生。
格林威治天文臺的臺長 Rory McEvoy 不禁稱讚：“這是個偉大的成就，一個飽受羞辱的大師終於被平反。”
2006年，英國王家勝蹟西敏寺為哈里森建了一塊紀念牌，承認其為“英國製表業之父”。
西敏寺的哈里森紀念牌
對了，八卦一下。其實馬斯基林一開始不給哈里森獎金一點也不奇怪。這個傢伙在整整40年裡一比不落地記錄了自己花的每一毛錢，堪稱行走的支付寶賬單。
最後解答部分網友的困惑：哈里森和馬斯基林都不是處女座。
https://shimo.im/docs/9jGD6W3pkXrCpgWd/
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