科学网—《时间演义》第7回：哈里森铸航海魂，经度难题终破解
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2026-7-28 07:33
| 个人分类: 时间演义 | 系统分类: 科普集锦
海水茫茫路几千，一时差错命难全。
能工手挫铁心胆，从此波涛有准弦。
话说摆钟问世之后，欧洲大陆的时间精度突飞猛进。教堂的塔楼 装上了钟，市民广场装上了钟，有钱人家的客厅也装上了钟。
城市的节奏被一根根摆锤校准了，像一支被统一了节拍的乐队。
可是到了海上，时间又变成了混沌。
一、
1707年，深秋，英吉利海峡。
四艘英国军舰在大雾中航行。舰长们知道自己离海岸不远，但他们 不知道自己在哪里。海图上有经度线，可没有人能在船上确定经度。 纬度可以靠太阳高度来测，经度却需要知道两地的时间差——出发 地和当前位置之间的时间差。
那时候，军舰上没有精确的时钟。
当晚，大雾中传来礁石撞裂帆船的闷响，四艘军舰撞上了锡利群岛 的礁石。两千名水手丧生，尸体被海浪冲上沙滩，白花花的一片， 像被海水吐出来的碎木头。
消息传回伦敦，国会震怒。可愤怒解决不了问题。真正的问题是需 要一个海上能用的准确时钟。
只要你在船上带一台足够准的钟，出发时校准为格林威治时间，到了 海上再对比当地正午太阳到达最高点的时间。两个时间的差，乘以地 球每小时自转15度，就是你的经度。
问题在于，在大海上，摆钟就变成了废物。
摆钟在陆地上很可靠，但在海上就成了一个"醉汉"。这是因为船体的 摇晃会让摆锤的摆动变得极不稳定，就像我观测一颗受到大气扰动的 星星那样。而且，不同纬度的重力差异也会影响摆钟的走时精度。这 在漫长的航海旅途中会积累成巨大的误差，无法起到准确计时的作用。
二、
1714年，英国国会通过了《经度法案》。悬赏金额巨大得惊人：谁能 把经度确定到半度以内（即两分钟的时间差），奖励两万英镑。
两万英镑是什么概念？相当于一个熟练工匠几百年的工钱。
消息传遍欧洲。数学家、天文学家、航海家、钟表匠——无数人涌入 伦敦，带着图纸、模型、承诺和谎言。
有人提议在海面上每隔几海里沉一艘燃火的船做信号，有人提议用狗 来闻海底的气味判断位置，有人提议用月光照射磁针产生某种神秘读 数。没有一个靠谱的。
而与此同时，在遥远的约克郡，一个叫约翰·哈里森的木匠正在村里 修理一架坏了的落地钟。他听说《经度法案》的消息时，正在调整钟 摆的长度。他抬起头，手里的螺丝刀停在半空，停顿了片刻，然后继 续拧。
他没说什么。但他的妻子注意到，那天晚上他睡得比平时晚了很多。
图7.1: 英国制表匠约翰·哈里森
三、
哈里森1693年出生在约克郡一个普通农家。他的父亲是个木匠，他 从小跟着做木活。他没有受过正规的学校教育，但手比任何人都巧。 他做过木头钟，用木头齿轮代替金属齿轮——木头不会生锈，不会 被腐蚀，只要油脂足够，摩擦力比金属还小。
他做的木头钟，精度能超过当时大多数金属钟。
四十岁那年，哈里森决定挑战经度难题。他在自家工坊里关起门来， 花了五年时间，造出了一台他称之为H1的时钟。
那是一台三十多公斤重的铁铜混合体，方方正正，像一个被压扁了 的箱子。它没有摆锤——哈里森用一对平衡弹簧代替了摆锤，再用 一组对称的金属臂抵消船体摇晃的影响。他把这台装置装上一条船， 从伦敦开往里斯本。航行结束后，船长看H1的误差——仅仅几秒钟。
伦敦的经度委员会收到报告后很满意，给了他一笔资助，让他继 续 改进。
哈里森说：“好，我再造一台。”
他花了五年又造出了H2。又花了十几年造出了H3。
H3比H1和H2都复杂，齿轮更多，弹簧更精密。但哈里森仍然不满意。 他知道，即使H3接近完美，它也太大了。真正实用的航海钟，必须小 到能揣进怀里，受海浪颠簸而不坏，被海水腐蚀而不坏，在热带和寒 带温差极大的情况下依然保持精度。
H3完成的那年，哈里森已经六十一岁了。他的头发白了，手开始有些 抖。但他在工坊里对所有助手说：
“我要重新来过。”
四、
于是，H4就被制造出来了。
它与前辈们完全不同，它不再有三十公斤。它只有十三厘米直径，像 一只大号的怀表。它的内部有一千多个零件，每一个都是哈里森亲手 打磨的。齿轮的齿形是他用锉刀一个一个锉出来的，弹簧的厚度是他 用手感摸出来的，连游丝的长短都是靠目测调整的。
图7.2: 约翰·哈里森制造的钟表H4
那个年代没有车床，没有精密量具。每一片齿轮都是手工锯出来的， 每一根轴都是手工磨出来的。一个齿轮如果多了一根头发的厚度，整 台钟就会被卡住。哈里森用一个放大镜和一双开始长老年斑的手，把 这些零件一个一个地校准。
他的妻子有时会给他送饭。她推开工坊的门，看到丈夫趴在桌前，脸 贴得离零件极近，手里的锉刀来回推拉，发出细而持续的沙沙声。她 把饭放在桌上，他没有抬头。她站了一会儿，关上门走了，门缝里漏 出的灯光很暗，像一盏快要燃尽的油灯。
“如果我不能把这个时钟造出来，”哈里森在某个深夜对助手说，声 音沙哑，手里还攥着一片没有磨完的铜片，“那我这辈子就白活了。”
助手问：“您造出来了呢？”
哈里森沉默了很久，然后说：
“那我就可以安心死了。”
五、
1761年，H4装上了一艘名叫“德普特福德”号的军舰，驶往牙买加。 哈里森已经太老了，无法亲自出海。他的儿子威廉替父上船。
出发前，哈里森把H4交到威廉手里，握着儿子的手腕，好一会儿没说 话。然后他说：“别摔着它。”
航行持续了八十一天。风浪、暴雨、烈日的温差——威廉一路小心翼 翼地守着H4，像守着一个刚出生的婴儿。抵达牙买加的时候，全船的 水手都围过来，看威廉打开H4的盖子。
误差——五。
所有人都屏住了呼吸。然后威廉大笑起来，笑声在船舱里回荡。
“八十一天的航行时间，”他喊道，“钟表的误差——只有五秒！”
船舱里安静了一瞬，然后爆发出欢呼声。八十一天的航行，误差只有 五秒。这远远超出了经度法案的要求。如果把这个误差换算成经度， 大约是一点二五海里——几乎可以忽略不计。
消息传回伦敦，经度委员会炸了锅。一方面，他们知道这是个了不起 的成就；另一方面，两万英镑的奖金，相当于今天几百万英镑，他们 不愿意轻易拿出来。
有人开始质疑：“一个乡村木匠，怎么可能造出比皇家天文学家还精 确的钟？这一定是作弊。”
有人要求拆开H4检查。哈里森拒绝了：“拆开再装上，就不准了。”
委员会拖延了一年，两年，三年。
六、
哈里森老了。他七十九岁那年，依然拿不到奖金。他把H4送到经度委 员会指定的观测台进行正式测试，测试通过了，委员会又找新的借口。 他们要求哈里森再交一台H4的副本，才肯全额付款。
哈里森的嘴唇在颤抖。他已经没有力气再复制一台了。
最后，他做了一个决定：去找国王。
乔治三世是个对科学感兴趣的人。他亲自召见了哈里森，听他讲述H4 的故事。听完之后，国王沉默了片刻，然后说：
“上帝作证，哈里森，这些混蛋在耍你。我来给你主持公道。”
国王亲自把H4拿到他自己的私人天文台做了测试。结果再一次证明：完 美无缺。
在国王的干预下，经度委员会终于支付了大部分奖金。哈里森在八十 岁那年，终于拿到了两万英镑中的大部分。他握着那沓钱，双手抖得 厉害，抖得钱币在布袋里哗哗作响。
有人问他打算怎么花。他想了想，说：
“先换一把好锉刀。”
七、
1776年，约翰·哈里森去世，享年八十三岁。他被安葬在伦敦的圣保 罗大教堂，和英国的英雄们比邻。
H4被收藏在格林威治的国家航海博物馆。今天你去看它，会看到一个 巴掌大的银制表壳，里面是密密麻麻的齿轮、弹簧和游丝。它安静地 躺在玻璃罩里，不再滴答作响，像一位完成了使命的老兵。
那些齿轮上的齿痕，是哈里森用一把锉刀、一双肉眼、一盏油灯、几十 年的时间和一身的执拗，亲手磨出来的。
今天我们知道，他的H4比任何一颗还在呼吸的心跳都要稳定。但这份稳 定不是来自数学或理论，是来自一个有血有肉的人，在工坊里把生命一 点一点地磨进了每一铜片里。
而他留下了一个悬而未决的问题：精度能不能再高一点？
几百年后，有人找到了答案。那个答案藏在一种叫石英的石头里，藏在 一种叫铯的金属里。它们比任何齿轮都稳定，比任何弹簧都均匀，而且 它们不需要一个老头子蹲在工坊里磨上好些年。
欲知后事如何，我们下回分解。
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