经 度 之 战
袁越
人类的探险史就是一部科技发展史。除了航海技术的进步之外，定位技术的发展几乎至关重要。
一
“停！”掌管沙漏的海员喊了一声，负责绳子的海员报出一个数字，是沙漏计时这段时间里通过他手心的绳节数量。这个数字除以沙漏转一圈所需的时间，就是正在航行的速度。船长得知这个速度后，根据航行的方向，在海图上标明船只现在的位置。
“我们不久就会到达亚洲了！”船长通知全体船员，“大家不要放弃，继续前进。”
二
这事发生在1492年10月，那个船长是个西班牙人，名叫克里斯托弗·哥伦布（Christopher Columbus）。他游说西班牙国王，出资建造了3艘小帆船，准备向西横跨大西洋，到一条通向香料王国的新航道。哥伦布事先通过计算，认为亚洲并不遥远，最多不超过3850公里。可是，他不知道，他使用的数据来自阿拉伯国家，阿拉伯的距离单位要比欧洲的长。
这种远距离航行，必须知道船只每时每刻的经纬度，否则无法定位。当时的欧洲海员都知道怎样测量纬度，但经度却只有靠猜。为了保险起见，哥伦布把航线定格在北纬28度。他相信地球是圆的，只要沿着这个纬度一直向西，最终肯定能到达亚洲。
10月12日，在航行了一个多月后，哥伦布看见了大陆。他原以为那是日本，其实他到达了巴哈马岛。一个错误的计算，让哥伦布成为第一个发现美洲大陆的人。
郑和下西洋最远回到西班牙后，哥伦布受到了英雄般的礼遇。可是，麻烦很快来了。另一个欧洲海上强国葡萄牙也想和西班牙分一杯羹。于是，当时的天主教教皇亚历山大六世于1493年5月4日颁布
了《分界线诏书》（Bullof Demarcation），规定在亚速尔岛以西100里格（League，约等于4．8公里）的地方划一条子午线，西边统统归西班牙所有，东边则归葡萄牙。可是，这个规定形同虚设，因为没人知道这条线的具体位置，新大陆到底在线的东边还是西边？只有听天由命了。
西班牙人运气真好。后来得知，按照诏书的规定，南美大陆的绝大部分土地都落在西班牙这一边，只有大陆最东边的一个角被划在了葡萄牙的名下。于是，如今南美大陆的大部分国家都说西班牙语，而那个角所在的国家巴西则说葡萄牙语。
三
最早解决的定位问题是方向的测量。只要发现了磁石的指南功能，剩下的就是如何让磁石自由转动了。古代的中国人想出的办法是让磁石浮在水面上，而不需要水的“旱罗盘”则是外国人发明的。
指南针并不是不可替代的。北半球的人都知道利用北极星辨别方向，太阳的位置也能帮助人们到北方。相比之下，纬度的测量则需要一点技术含量，但也不是天大的难题，只需要
一台能够测量星体高度的象限仪就可以了。把象限仪水平放置，一端对准北极星，读出它和水平面的夹角，就是纬度。
稍微有点经验的海员还能够利用太阳的高度测出纬度，只不过需要测量员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个因为常年对着太阳看而变成“独眼龙”。
无论是用指南针指南，还是测量天体高度，都需要一个稳定的地平线，于是人们发明了“常平架”（Gimbal）。类似中国古代制作的“卧褥香炉”，无论太太小们怎么转动这个镂花铁球，里面的熏香始终直立不倒，香灰也不会倒洒出来弄脏被褥。
有了常平架，纬度就变成了一个非常容易测量的参数，因为纬度是由自然法则确定的，赤道就是零纬度，两极则是90度，无论哪里都一样。经度就不同了，地球一直在转，没有任何天然的办法确定零经度的位置，只能人为规定。同样，也没有任何天体能够用来直观地显示经度的差异。
于是，古代的航海只能沿着海岸线走，否则等待船员的就是死亡。当初郑和下西洋就是如
此，所以他最远只能到达非洲，不可能发现隔海相望的美洲大陆。不仅是郑和，世界上所有那些往来于欧亚非之间的商船都必须沿着固定的航道行驶，依靠汪洋中的海岛确定自己的位置，这就给了海盗以可乘之机，他们只要守在航线上，自然就会有商船送上门来。
渴望测量经度的不仅仅是海员，制图师们更是离不开经度。事实上，生活在公元前2世纪的古希腊地理学家托勒密（Ptolemy）是最早利用经纬度绘制地图的人。可是，由于无法准确测量经度，他只能凭借对距离的估计，大致标出某地的相对位置。托勒密的方法一直延续了1000多年，但此法显然不够严密，所以那时的地图大都不准，夸大了陆地的面积，低估了海洋的范围。
难道经度就无法测量吗？窍门其实是有的，那就是时间。地球每24小时自转一周，也就是360度。于是，每个小时就相当于经度的15度。只要知道两地的时间差异，就可以知道两者之间的经度差了。举例来说，如果知道某地的正午12点正好是伦敦的上午10点，那么就说明此地在伦敦东边30度的地方。
于是，经度的问题就转换成一个等价的问题：如何测量两地的时间差。
1530年，荷兰数学家伽玛·弗里西斯（Gemma Frisius）提出用钟表来测量时间差。按照他的设想，可以制作一台钟表，始终保持某地（比如伦敦）的时间，然后带着它来到新的地点，利用太阳高度测量当地时间，再和伦敦钟表做对比，就能知道此地和伦敦的经度差。这个设想看似简单，但在弗里西斯的时代，钟表的制作工艺非常原始，每天快慢几分钟是家常便饭，这样的精度根本无法胜任测量经度的工作。
既然人工制造的机械装置无法准确计时，人们很自然地把目光转向天空。事实上，人类早期对天文的兴趣绝大部分来自计时的需要，因为人们发现，只有天体的移动是完全守时的，太阳、月亮和星星组成了一个巨大的“天钟”，替人类预报时间。
1514年，德国天文学家约翰尼斯·沃纳（Johann Werner）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。他假定地球上观察到的月亮行为都是一样的，只要在两地分别观测月亮，准确记下它移动到某个位置的时间，就能算出两地的经度差。
但是，这个“月距法”也有自己的问题，那就是缺乏准确而又完整的星表。再加上月亮的移动规律仍然无法预测，因此也还有很多工作要做。
就这样，两个几乎同时被提出来的方法开始了一场测量经度的争夺战。这场战争过程曲折离奇，战况惊心动魄，不亚于任何一个优秀小说家编出来的惊险故事。这个故事背后折射出来的关于人类科技发展的经验教训更是值得后人玩味。
四
在叙述这场战争之前，先来看看在此之前进行的几次小战役。
制作地图的人都知道，为了测量某地的经度，他只需要等到一个共同的天文事件，然后让各地的天文学家在这个事件发生时准确记下当地时间就可以了。这个天文事件可以是月亮和某个星星相遇的时刻，也可以是月食。事实上，很早就有人利用发生月食的机会，测量出了不少大城市的准确经度。
但是，这个方法一来不能经常使用，二来不适用于远距离测量，因为月食覆盖的范围并不大。天文学家需要到一个天文事件，发生的频率足够大，距离地球也足够远，对于地球上所有的观察者来说都是同时发生的。
1610年，著名的意大利天文学家伽利略（Galileo）通过自制的望远镜，到了这样一个
天文事件。他发现，木星有4颗卫星，它们以极快的速度绕着木星公转，转速和轨道都极有规律。伽利略潜心观察了6年，确定无误后把结果写成一个奏折，上交给了西班牙国王菲利普三世。
为什么要给西班牙呢？因为伽利略想拿到一笔奖金！原来，哥伦布发现美洲的壮举在欧洲引发了一股航海热，可随之而来的却是灾难，因为大批船只因为测不出自己的准确位置而迷失大海。航海大国西班牙的损失尤其惨重。1598年,菲利普三世颁布诏书，宣布设立经度奖金，任何人只要出海上测量经度的方法，就可以获得2000杜卡托（Ducat，西班牙货币）的奖励。可是，这份诏书一经颁布，立刻招来不少自认为聪明的家伙，西班牙政府不得不面对一大堆不切实际的设想，评审官们很快就厌倦了，伽利略的想法连带着遭了殃，被西班牙政府打入冷宫。
好在不仅是西班牙对解决经度问题感兴趣，包括葡萄牙和意大利在内的许多欧洲国家都出台了各自的奖励措施。伽利略没有放弃自己的想法，他继续观察木星，不断修改自己的数据，并于1638年把这个方法提交给了荷兰政府。因为一些意外的原因，荷兰政府直到1641年才决定派国内顶尖科学家克里斯蒂安·惠更斯（Christiaan Huygens）前往意大利和伽利略讨论此法的可行性。可是，还没等两人会面，伽利略就去世了，这个方法被搁置了起来。
伽利略并没有把所有的时间都花在观察木星上。他兴趣广泛，在多个领域都有高深的造诣。他曾经第一次提出了用摆锤测量时间的原理，据说这个想法源自他年轻时的一次神秘经历。他发现从教堂屋顶上垂下来的油灯被风吹得摇摇晃晃，他用自己的脉搏测量了摆动一次所需的时间，发现这个时间不但非常恒定，而且与灯绳的长度有关。他非常想利用摆锤的这一特性制作一台摆钟，但一直没到合适的机会。
有趣的是，这个想法最终被惠更斯解决了。惠更斯坚称自己没有接触过伽利略的设想，制作摆钟的想法完全是自己独立想出来的。1656年，他制作出世界上第一台摆钟，并于两年后出版了一本描述摆钟原理的专著《时钟》（Horologium）。惠更斯发明摆钟是为了更准确地描述天体的行为，而这样做的最终目的是为了解决经度问题。事实上，他曾经专门为航海而制作了两台航海钟（Marine Timekeeper），并曾经出海进行过检验。可是，钟摆只能在平静的海面上使用，一旦出现风浪，摆钟就不准了。为此惠更斯发明了螺旋平衡弹簧，代替钟摆，并申请了法国专利。
可是，在惠更斯打算申请英国专利的时候，遇到了英国科学家罗伯特·胡克（Robert Hooke）的挑战。这个胡克可是大名鼎鼎，他是个科学多面手，曾经用显微镜观察生物，发
明了细胞（Cell）这个词。另外，他在光学、引力理论、地震学、蒸汽机制造和弹簧原理等领域取得过很大的成绩。事实上，正是在发明平衡弹簧的过程中，胡克提出了著名的“弹簧原理”，即“弹簧产生的弹力和拉长的长度成正比”。胡克指责惠更斯偷窃了他的弹簧式钟表设计，两人为此数次大动干戈，最后谁也拿不出足够的证据证明对方剽窃，这个螺旋平衡弹簧的专利最后也就不了了之。
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