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独眼龙”海盗船长们的“GPS”

  无论是看西方的小说还是电影,我们往往会发现中世纪或近代的海盗船长往往都是“独眼龙”,这似乎成了海盗的专用标志。那么,这究竟是海盗船长们格斗的留下的“光荣印记”?还是为了耍帅扮酷的派头?或者说另有隐情呢?今天我们就从技术的角度告诉大家,其实不仅是海盗,古代几乎所有船长的独眼都是一种职业病! 

                      

  1 独眼的海盗船长。 

  自古至今,在漂浮不定浩瀚茫茫的大海里航行,船长们首先要解决的问题就是导航的问题,否则就会偏离正常航线,将船行驶到陌生危险的水域而丧身在茫茫大海之中。现在的船长可以通过先进的“GPS”系统精确地实现导航,其偏差甚至不超过10米。可是在古代的船长缺少这样的便利,他们只能通过古老的科学——天文学这个天然的“GPS”为自己导航。 

  导航,其实就是确定自己在地球上的位置。早在两千多年前的古希腊时代,人们就已经提出地球是球体的观点了,古希腊的埃拉托色尼甚至已经测得地球圆周长约为39360公里,与地球实际周长(40076公里)已经相当得接近了,并且提出用平行于赤道的纬度圈和垂直于赤道的经度线组成的地理坐标系统来标定地球上的位置。人们只要精确测量出所在地的经度和纬度,就可以清晰地知道自己在地球上的位置了。 

  运用天文学的方法测量纬度相对简单很多,北极星的地平高度就是当地的地理纬度,船员们只需在夜晚通过测量北极星的高度或者其他一些亮星的位置就可以判断自己所处的纬度了。但是经度的测量却相当麻烦,这是因为地球在不停地转动,没有一个固定的星星对应经度。早年科学家们认为既然纬度问题可以用天文观测的方法解决,那么经度问题也可以解决,于是各天文学家都致力于编制最精确的星表来解决经度的问题,用这种方法尝试测量经度的科学家有伽利略,牛顿,哈雷等当时最顶级的科学家,可是他们都未能突破经度准确测量的难题。                          

  2 古代航海时用来测量天体的六分仪。 

  到了十八世纪的时候,经度的测量误差还是超过了好几度,实际地理误差超过200英里。水手因为无法确定自己的位置而失事的事情不断发生,1707年,一支战胜了法国的英国舰队返航时遇到大雾,因为无法确认位置而撞到了英格兰南部的礁石堆中,四艘战舰带着2000多人葬身海底。这使得英国人痛定思痛,决心解决经度难题,1714年英国成立了一个经度委员会,设置了2万英镑(相当于当时船长200年的工资)的巨额奖金悬赏可将经度确定到半度以内的人。 

  这时有两种经度测量的方法被人们所使用,即月距法和钟表法。前者通过精确的星表和月球位置获得经度,后者通过航行中的钟表与标准钟表的时间差异确定经度位置。令人没想到的是,这个千年难题最终被一个木匠出身的钟表匠哈里森所发明的航海钟给解决了。 

  那么他的钟表是如何测量经度的呢?我们知道地球每24小时自西向东均匀地转动一周,每小时转动15度,每四分钟便转1度。而遥远的星星可以认为是不动的,所以假设当某一时刻S星在A地的上中天的位置(即距离天顶最近),一个小时之后S到了B地的上中天位置,我们便可以知道AB 的经度相差15度,并且AB的东方。于是测量经度的问题就变为精确测量同一天体上中天的时间差的问题,时间差换算成经度差的公式也非常简单:1h(小时)=15度,1min(分钟)=15角分,1s(秒)=15角秒。1760年哈里森发明的几近完美的航海钟H4终于问世,在1762年从伦敦跨过大西洋到牙买加的81天的航行中,H4总共慢了5秒,相当于实际距离误差仅3公里,误差率远小于指定的标准。不过由于月距法的天文学家的阻挠,直到1773年他才在英国国王的干涉下,如愿以偿地获得了最高奖的所有奖金,这一刻哈里森已经80岁高龄了。                        

  3 哈里森发明的航海钟 

  虽然这个钟表匠最终战胜了天文学家的月距法而赢得大奖,但是这种方法的原理仍然是天文学的内容,应该说是钟表匠联手天文学家发明的“GPS”共同解决了经度测量的难题。不过这个“GPS”可苦了古代的船长们,为了确定船只的经度纬度,船长们必须借助天文学家的望远镜仔细观测天体上中天的时刻,有时甚至需要看刺眼的太阳,通过望远镜用一只眼睛直视太阳,久而久之眼睛会被烧伤,视力退化,于是船长们一个个地变成了“独眼龙”! 

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作者:王科超

单位:中科院紫金山天文台

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