2013-03-28

十八世紀最重大科學難題




英國倫敦,泰晤士河畔,一支毫不起眼的桅杆,杆上一個飽經風霜的小紅球。這個小紅球從1833年開始就演一幕戲,演到今天從未間斷:
天中午12 55 分,紅球緩緩升至半桅杆,停止三分鐘,然後升到杆頂,再停兩分鐘,一點整它驟然落下。
這幕戲得以上演是因為解決了18世紀最重要的科學難題。演這幕戲球了無數水手的生命。為什麼?背後有個故事。這個故事與你,與我,與世上的個人都有密切的關係,讓我來講這個故事給你們聽聽。

自從遠古時代人類開始航海就不斷的問:「我現在到底在哪裡?」古希臘人,古中國人早已用假想的橫線豎線將全世界劃在方格裡。也就是經緯度。現今我們仍用經緯度標示地理位置:把地球橫的劃上一些平行線、然後縱的劃一些平行線。橫向的平行線叫緯lattitude),縱向的叫經線或子午線(longitude meridian)。
赤道是 緯度 0 度。南極是南緯 90 度;北極是北緯 90 度。總共有 180 度。知道了你的緯度,就知道了你在南北走向的位置。
總共有 360 條;往東有 180 條經;往西也有 180 條。知道了你的經度,就知道你在東西走向的位置。

要知道你的緯度從來就不是問題,因為永遠有個太陽在那裡做基準點。不管季節變遷,太陽幾乎永遠在赤道上面,它永遠不會偏出南、北緯 23.5度(也就是南、北回歸)。你只要知道太陽與海平線之間的角度與季節就可以輕易的算出你的緯度。因此把緯度 0 度訂在赤道從未有人反對。1492 年哥倫布就是利用這方法,在大西洋中順著一條緯一直走就是了。

要知道你的經度可就困難了,因為沒有一個基準點可用。地球不停的自轉,即使你留在原地不動,天上的星宿也一直在變。

18世紀前,全歐洲已經積極的努力了400多年嘗試用觀察天體的運行來定經位。其中不乏史上最傑出的科學家,例如:
Galileo Galilei, Giovanni Domenico Cassini (1625-1712)Christiaan Huygens (1629-1695)Isaac NewtonEdmond Halley (1656-1742)1>。但是沒人成功。

18世紀航海,商業已很發達。但是
次出海都還是看運氣。
到了1707 年,一個大霧天,四艘英國軍艦在直布羅托(Gilbratal )打敗法國的地中海艦隊凱旋歸程中撞上陸地,一天之死了將近兩千水手,原因是他們弄錯了他們的經度--弄錯了東西位置。所有其他歐洲的航海國也都有類似的困難。如何準確的定經位從此成了十八世紀最待解決的科學難題。

各歐洲的大國都懸重賞希望能找出辦法來定經位。
1714 年英國國會懸賞重金(賞金約等今天的一百萬美元)給「能準確的訂出經位的實際可行的辦法」。這就是有名的「1714年經度法案」(Longitude Act of 1714)。

歐洲大國都積極的研究。巴黎、倫敦、柏林等大都市都創建天文台,其目的在觀測、記天體在不同時候的位置希望找到某個基準點以便藉此來定經位。無人成功。顯然要靠觀察天體這條路太複雜不可行。必須另想辦法。

大家都清楚地球自轉一圈 24 小時,地球有 360 條經。也就是小時的時差相當于經度 15度的差別(360/24)。如果你的位置與你出港的港口相差一小時,你離它就是經度 15度;差兩小時,就是 30度差。你如果要用這個辦法來定經位,你就必須知道你的時間和出港港口的時間。要知道你所在地的時間很容易:太陽在一天中達到最高點時是正午 12點。要知道出港港口的時間不容易。帶個錶吧。要是可靠的錶。
船在海上顛簸,所有的鐘擺都不管用。海上氣急遽變化,改變鐘錶潤滑油的黏滯度使得齒輪轉速時快時慢,也是不可靠。要怎麼樣才能製造一個錶,不管海上天氣如何巨變,不管風浪如何顛簸,它都能可靠地告訴你出港港口的時間呢?很多人嘗試,沒有人成功。直到一個英國人成功的設計並製造了幾個錶。
因此,天下午一點整,所有要出海的船長,以那個紅球掉下來的時間調整他的錶。那是出港港口的時間。靠這個錶知道了港口的時間,在船上等太陽到最高點知道當地的時間,兩個時間相減,就知道兩地間的時差,知道了時差就知道了兩地相差經度多少度。一小時是 15度。地球的圓周是 40075 公里(在赤道上時)。因此差一小時,你就知道你離港口 2672 公里(4007515)。
如果他有一個這樣的錶帶在船上,他就知道他的經位。這個錶的發明解決了18世紀最重要的科學難題。
1773 年英國國會頒獎給這個錶匠,離1714 年懸賞,為期 66 年。這個錶匠名叫 John Harrison。他出身寒微,終身沒有受過正規教育,連錶匠的學徒都沒幹過。幾千年人類航海的難題,數百年的科學難題,無數偉大的科學家,花費無數的金錢精力無法解決的難題靠他解決了。

下一個問題:經度零度 線(Prime meridian)要設在那裡?

法國的拿破崙要它經過巴黎。英國政府下令要它經過英國皇家天文台,那個小紅球的所在地。那是倫敦郊外的格林威治村。爭吵了111年,終於,1884 年國際子午線會議 位(International Meridian Conference)正式通過大英帝國經的定位。必竟,英國人解決了這個問題,大英帝國的話自然最有份量。

從此格林威治時間是全世界公認的標準時間。格林威治的凌晨是一天的開始:以東 15度是清晨一點,以西 15度是凌晨前一點鐘。倫敦以西叫西半球,以東叫東半球。伊拉克所以在中東,台灣所以在遠東,以倫敦的眼光為基準點。這一來,不論是在空間 (子午線,東西定位)上或時間(國際標準時間)上,倫敦都是世界的中心。還不只這樣,現在的天文學家用Astronomical standard Time,也是以格林威治時間作標準。倫敦也成了宇宙的中心。

英國成為世界的中心靠的是什麼?不是她的軍力或政治影響力,不是她的許多科學家,不是她的工商實力,靠的是一位出身寒微,沒有受過傳統教育的英國公民。

買張機票去格林威治。在「老」天文台 Flamsteed House),你還可看到這個小紅球仍然在演同一幕,不過大概沒人靠它對錶了。附屬的博物館中,Harrison 的錶 (其時是鐘)仍在那裡供人瞻仰。在「新」天文館前的廣場,天黑後,雷射光射向夜空將地球分為兩半。你可以同時踏東、西半球。
阿!有一天我一定要去參觀,尤其是「老」天文台。
       The Museum is located in Greenwich, a short walk from the Cutty Sark DLR, local bus stops and Maze Hill and Greenwich stations. The Royal Observatory and Planetarium are in Greenwich Park.

*****附註:
1Giovanni Domenico Cassini (1625-1712) Christiaan Huygens (1629-1695)都是17-18 世紀偉大的天文學家。美國太空總署一艘太空船在2004年到達土星(Saturn)。這個太空計劃,名Cassini-Huygens Mission,以他們的姓命名。
Edmond Halley (1656-1742), 哈雷慧星以他命名。
2Harrison 的錶:用鑽石減低磨擦力因而不需用滑潤劑。滑潤劑因氣而改變黏滯度影嚮錶走得快慢。以前的錶是多少「石」,指多少用鑽石。
3 Greenwich的發音是gre-nitch,不是green-witch。格林威治,雖錯,但是以訛傳訛,似乎已被公認。
3>The Time Ball at the Flamesteed House
<4> Harrison’s watches; You can see them at the Greenwich Meridian House
Darwin’s Beagle Carried One


*****
參考資料:
-   Longitude—The Story of a lone genius who solved the greatest scientific problem of his time. ISBN: 0-14-025879-5 by Dava Sobel .
-   Google for “time ball”

No comments: