经度的起算点

经度的起算点(一):摸索了两千年

今天,连小学生都知道经纬度是什么。用经纬度来表示一个地方在地球表面上的位置,这已成为人们的一种常识。为了确定这种认识并付诸实用,人类差不多花费了两千年的时间。

最早的认识

所谓测定经度,就是测定某个地方在地球表面东西方向上的位置。我们知道,同一瞬间位于同一纬度不同经度上的地方,有着不同的时间。例如,当北京是晚间8

点钟时,

伦敦却是中午12点钟,这种差别启示了人们,只要知道了某地的当地时间是多少,将它与世界标准时间比较,就可以推算出当地的经度是多少。因此,测定经度的本质就是测定时间。

早在公元前二世纪,古希腊人已经认识到,如果在两个不同的地方观测同一事件,并记下发生这一事件的当地时间,那么,通过计算这两地记下的时间差,就可以求得这两地之间的经度差。问题是怎样来确定两地的时间差呢?

古希腊天文学家喜帕恰斯提出,可以用观测月食来解决这一问题。因为无论对地球上的哪一点来说,月亮进入地球的影子区,是严格在同一瞬间发生的,或者说月食是同时开始的,这起着标准时间的作用。只要记下两地观测到的月食开始时刻,也就是两地看到月食开始的当地时,人们就可以求得两地的经度差了。

但是,喜帕恰斯没有具体解释,应该如何来测定每个地方的地方时。在当时说来,能够用来作为计时仪器的是日晷,这是一种依靠太阳照射下产生的影子来计时的仪器。而当月食发生之时,太阳已落到地平线之下了,日晷计时无从谈起。因此,喜帕恰斯的设想仅只是一种理论上的设想,在当时条件下是不可能实现的。

由于月食发生的机会很少,一年中最多不超过二、三次。为了不放过任何一次机会,据说喜帕恰斯曾编篡了一本六百年月食一览表,真是精神可嘉。

托勒密的贡献

一提到托勒密,人们自然就想起他的"地球中

心说"。这学说是他在他的巨著《天文学大成》里

详加阐述的。托勒密一生主要有两部巨著,另一

部是八卷本的《地理学指南》。这是他编制的一

本地名辞典和地图集。书中给出了几千个地方的

地理位置,堪称是一项伟大成就。

在《地理学指南》这部巨著中,托勒密谈到

了地理位置的确定问题。他提出了一种等间距的

坐标网格,用"度"来进行计算。托勒密可算得上

是第一个明确提出经纬度理论的人。他的理论中,纬度从赤道量起,而经度则从当时所知道的世界最西地点?幸运岛算起。这一切已经和今天的经纬度概念很相接近了。 在托勒密之后的一千多年内,关于确定经度的问题,一直没有获得重大进展。

航海业的需要

从十三世纪起,欧洲的航海事业获得蓬勃发展。在这些大规模的航海活动中,由于要到达一些距离出发港口十分遥远的陌生地方,用罗盘、铅垂线及对船速的估计,来确定这些陌生地方的地理位置,就很不可靠了,航海家们必须求助于天文方法。

当时已经有了航海历,能够比较准确地预报太阳、月亮和诸行星的位置,以及日食、月食等天象发生的较精确的时间。哥伦布就曾利用1494年9月14日的月食,测得了希斯帕尼奥拉港的经度。也有人曾用月掩火星的机会来测定经度。

然而,所有的天文方法都得依靠月食等一类天文现象,而这些天象却是很难见到的。因此,依靠天象来测定经度,一年中也只能进行几次。而航海事业的发展,却要求随时测定船舶位置的经度。正是这种客观需要,把测定经度的理论和实践大大推进了。

新的突破

随着十六世纪的来临,测定经度问题开始从理论上有了突破。

1514年,纽伦堡的约翰·沃纳在托勒密《地理学指南》一书新译本的译注中,提出了一种确定经度的新原理。他根据月亮相对于背景恒星每小时约东移半度的原理,提出了"月距法"。沃纳认为,可以用一种称为"十字杆"的仪器,进行观测工作。

关键性的突破是在1530年取得的。那一年,格玛·弗里西斯在他的著作《天文原理》一书中指出,只要带上一只钟,使它从航海开始的地方起一直保持准确的走动,那么,到一个新地方后,只要一方面记下这只钟的时间,另一方面同时用一台仪器测出当地的地方时,这两个时间之差也就是两地的经度差。这就是所谓的"时计法"的原理。 实际上,测定经度的关键也在这里:一方面需要有一架走得很准的钟,以记录起算点的时间,另一方面必须用天文方法精确地测出当地的地方时。这两点在十六世纪时都做不到,因此,"时计法"再好也只能停留在理论上。然而,随着欧洲各国与印度的海上贸易越来越频繁,确定海上船舶位置的经度变得更为迫切了,以至一些有关国家不得不采用悬赏来寻求解决办法。

悬赏征求经度

1567年,西班牙国王菲利浦二世为解决海上经度测定问题,提出了一笔赏金。金

币的吸引力固然大,但要得到它可真不容易。至于

社会上一些人的无知妄说,听了后更使人受不了。

《唐·吉诃德传》的作者,大名鼎鼎的塞万提斯等

一些西班牙作家,竟嘲笑起"有那么几个疯子"妄图

找到"经度"。

1598年,菲利浦三世为能够"发现经度"的人

提供了一笔总数为9千块旧金币的赏金,其中1千

块作为研究工作资助。然而,始终没有人能够有幸

领取这笔为数不小的赏金。

差不多与此同时,荷兰国会为解决经度问题提供了一笔高达3万弗洛林的奖金,以当时的兑换比价计,相当于9千镑! 据说,葡萄牙和威尼斯也提供过数量不等的经度奖,此风盛行一时,直到十八世纪初,法国议会还在为有关进一步研究经度测定的工作,提供各种单项赏金。

伽里略请奖

应征西班牙经度奖最有名的人物,当数意大利天文学家伽里略。

伽里略用他制作的望远镜,发现了木星的卫星和卫星食现象。卫星食出现的时刻,对地球上任何地方的人来说几乎是严格相同的,因而就可以利用这一现象来测定两地的经度差,其原理同月食法是一样的。而且木星卫星食的现象,平均每个晚上可以发生一、二次,比一年只有一、二次的月食要常见得多,因此,只要能对木星的卫星食现象作出准确预报,测定经度的问题也就基本解决了。

1616年,伽里略以这个方法向西班牙申请经度奖,但西班牙人对此不感兴趣。经过一番旷日持久的书信往来,到1632年,伽里略放弃了应征西班牙经度奖的念头,1636年,他向荷兰进行试探,并声称为了完善他的预报表,已花了整整24个年头。荷兰议会被伽里略的方法所深深打动,有意要采纳他的建议。但是,双方的磋商十分困难,因为这时伽里略由于宣传哥白尼的日心说而实际上已经被软禁在佛罗伦萨郊区的家中,受到宗教裁判所的严密监视。据说,宗教裁判所拒绝让伽里略去接受荷兰政府奖赏给他的金项链。

1642年,伽里略与世长辞,他发现的测经度方法也无法付诸实现。但是,人类在解决经度测定问题上,仍然朝着既定的目标在一步一步迈进。

建立天文台

1657年,一个新的转折点出现了。著名的荷兰天文学家、物理学家惠更斯发明了摆钟,从而为测定经度提供了高精度的计时仪器。

在这之前,巴黎皇家学院的医生兼数学家莫林,由于考虑了月亮视差的效应,从而对测定经度的月距法作了重大改进。他提议要使他的这一建议付诸实用,应该建立一个天文台来提供必要的资料。莫林的提议推动了经度测定工作的进展,因为天文台的建立,对解决经度测定问题起了重大的作用。

十七世纪下半叶,法国国王路易十四在他的财政大臣科尔伯特的怂恿下,决心使法国在科学上及海上处于世界领先地位。1666年,成立了法国科学院,1667年,建立了巴黎天文台。

不料新成立的法国科学院,却给这位法国国王带来了很大的不快。在巴黎天文台第一任台长卡西尼等人领导之下重新绘制的法国地图,比原来那张不太准确的法国地图上的面积缩小了好多。路易十四抱怨他的科学家们说,他们这么一测量使他失去的土地,比法国军队通过打仗所占领的土地还要多。这位堂堂国王对科学的无知,已经到了令人发笑的地步。

在英国,1662年建立了伦敦皇家科学院。1667年初,皇家科学院开始制订建立天文台的计划,经过好多人的努力,终于在1676年9月15日建成了格林尼治天文台。天文学家约翰·弗兰斯提德为第一任台长,并于第二天立即开始用台上的大六分仪进行天文观测。

各国天文台的相继建立,为编制高精度的天体位置表铺平了道路。1757年,船用六分仪问世。这是一种手持的轻便仪器,它可以测量天体的高度角和水平角,

将所得结

果与天文台编制的星表对照,就可以测定船舶所在地的当地时间,从而最终解决了海上船舶的经度测定问题。此时距离喜帕恰斯的月食法,已经有两千年之久。

人类最终找到了测定经度的方法,但这个领域的发展并没有就此止步。特别是进入二十世纪后,随着卫星、激光、无线电等技术手段的出现,经度的测定正在朝着更高精度的方向发展。


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