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格林威治天文台——时间和空间的实践出发点 精选

已有 15500 次阅读 2016-1-10 12:03 |个人分类:海外浏览|系统分类:海外观察| 格林威治天文台

   时间和空间,是最具哲学含义的物理量,是存在的基本属性,隐含着事物演化的特征和范围。在来到格林威治之前,我一直以为它们是抽象的。然而这个抽象的概念在这里得到了最好的落实。

格林威治天文台

   冬天的格林威治,白短夜长。然而格林威治天文台向我缓缓地拉开了时间和空间神秘的面纱,向我讲述了人们从这里出发,为定时定点在黑暗中摸索走过的漫长道路,告诉我人们如何在浩瀚的宇空里找到地球的轨道,在茫茫的大海中定准自己的位置。在我们随意一瞥就能知道时间,打开手机GPS就可以使用卫星精准定位的今天,回顾这段历史,令人感慨不已。我一直以为,科学上的重大进展一定是在理论上先有突破,然后才是技术问题的解决。然而在这里,我却看到了一个工匠用技术作为钥匙解决重大问题的实例。

   天文学是数学最早的源学之一。甚至后来牛顿发明微积分都和天文有关。早在古希腊,公元2世纪,推崇地心说的天文学家托勒密绘制了人类第一本地图集,为27张地图标出了经纬线。纬线为地球上平行的由赤道向两极逐渐缩小的同轴圆圈;经线为经过两极的大小相同的圆圈;托勒密以此建立了地球最初的方位系统。这个系统尽管很理想,然而远离实测,地点位置自然也就不那么精确了。后来人们根据这些不精确的海图地图去海上探险经商,自然会付出更大的代价。1675年在英王查理二世的支持下,在伦敦附近的格林威治一个小山坡上建立了天文台。


天文台前格林威治时间钟


天文台里的天文望远镜

   随着国际商贸的不断发展,航海业的需求也越来越大。特别作为岛国的英国,对航海业更是依赖。但海难就像幽灵一样如影随行,那时的商船有很多不能到达目的地,其原因就是海员不能准确地确定自己在海上的位置,偏离航道而触礁。那时人类只会运用纬度导航,因为天上的星星随着地球的自转自东向西运动着,纬度测量就相对简单。海员们就可以用望远镜、海图和罗盘通过测量北极星和其他星体的位置来判断自己所处的纬度。那些传说中的独眼龙船长是真的——他们大多数人会因为长期测日而被烧瞎了眼睛。但经度测量一直就是个难题。1492年,哥伦布跨越大西洋也是沿北纬28度纬度这条直直的航线航行去发现美洲新大陆的。而在古代航海通常是靠测量航速和其他办法来粗略估算船的相对经度,各种奇怪的方法如伤狗法,海上声光法也都被尝试过。到了18世纪,在伽利略晚年贡献的基础上,法国皇家科学院攻克了陆上经度问题可以通过木星卫星确定。然而这个方法却不能用到海上定位。


天文台外的望远镜

   170710月,英国海军上将肖维尔爵士率领一支英国舰队战胜法国人得胜归来,但是在地中海返航途中遇到10多天的大雾,导致4艘战舰触礁沉没,近2千名水手葬身海底。这一悲剧引发了军方和航商一起向英国政府施压。1714年英国国会邀请牛顿做顾问,成立了经度委员会,英国政府还颁布了一项《经度法案》,悬赏2万英镑解决经度问题:领赏的条件是将经度确定到半度范围内,并且方法可推广应用。当时的2万英镑相当于今天是约两百多万英镑的巨款!而在这先后,西班牙、意大利、荷兰、法国等欧洲航海大国,也都纷纷开出高额赏金求解经度。而当时通行的想法是这个问题还是要通过天文学的研究来解决,例如后来一直进行的月距法。挑战这个难题的包括了当时那些如雷贯耳的大家,如伽利略、牛顿、卡西尼、惠更斯和哈雷等。有一度“经度的测定”被人们传成了造永动机那样的想做而做不到的不可能事件。例如在《格利佛游记》里的船长想象他成仙时的希望是:目睹彗星的回归,汹涌的大河变成小溪和“经度的测定及永动机、万能药及其他美妙绝伦的发明”。


 (约翰.哈里森)  

   在这个背景下,1730年,经度委员会成立15年后,牛顿也离世3年,一个不起眼的没有受过正规教育,出身木匠的钟表匠登场了。他就是当时37岁的约翰.哈里森(John Harrison (1693– 1776))。他来到格林威治,向经度委员会委员、皇家天文台第二任天文官哈雷递交了一份用精密航海钟表解决海上经度测量难题的方案。这是一个用时间确定空间的方案:360度的地球大圆,24小时转动一周,每小时经度的15度。再可根据纬度将所在经度与出发点之间换算成距离。所以,只要知道出发地和所在地的时间,就能推算出所在地的经度。这个想法本身并不新鲜,之前也有人提过。然而当时制作的计时器主要是摆钟,这种摆钟一到风浪颠簸的海上就失去了准头,因而这想法不过是空想。哈里森的方案最精华的部分是如何造一只能抵御风浪的钟,把出发地的时间准确地带到五湖四海。经度委员会都是些天文家、物理家、航海家和数学家,却没有懂钟表制作的,方案自然不大有人信,但哈里森还是得到了一些支持,有人自掏腰包拿出钱来作为哈里森的启动资金。

(哈里森的H系列)

哈里森的H3

   随后,哈里森花了5年时间终于造出了第一台航海专用钟H1号。1736年往返里斯本的海上试验,证明了H1测量的经度比当时所有的方法都要准确。虽然其精度还达不到那2万赏金的标准,但已使委员会印象深刻并资助了500英镑。5年后H2完工,正值英国和西班牙的战争。哈里森为解决偏摇误差,忽然放弃了H2的很多相当成熟的平衡设计,一头扎入H3的研制,委员会给了他又一个500英镑资助。这样又过了17年,H3才问世,但平衡问题始终没有彻底解决。后来,与日具增的技术使他意识到并有了可能:小体积可能对克服这个困难上更有利。到了1760年,当哈里森向经度委员会交出了他满意的怀表大小的H4时,他航海时钟的研制已过了30年。时针、分针、秒针皆在一个表面上的H4,是一块不受晃动、湿度和温度干扰的上一次发条就可走30小时的大怀表。1762年经度委员会让哈里森的儿子带着H4跨过大西洋到牙买加,经过9天航行,H4总共慢了5秒,误差率远远小于经度委员会制定的半度之内(即误差一天不超过3秒)的最严限度。鉴于当时有委员会成员主持的月距定位法也在竞争奖金,哈里森受到了不公平的待遇。经度委员会只同意发一半赏金,剩下的钱要求哈里森再做H4的海上测试以证明第一次测试不是“走运”,并证明H4可复制才能发。1772年,钟表匠肯德尔用复制的H4驶往南极。在零度以下的寒冷天气中,复制的航海钟发挥了完美的功能。一年后,在英王乔治三世的亲自过问下,已经80岁的哈里森,终于得到了最高奖的余款8750英镑。可是哈里森却没有足够的时间和精力来享受实质上的百万富翁的生活,3年后,哈里森,在他83岁生日3月24日,精准地掌控时间回到了他的生命原点。


哈里森的H4

   “他成功地用第四维——时间维,将三维球面上的点,连接在一起。从星体手中艰难地夺过了世界的位置信息,并将这个秘密锁进了一块怀表。”——美国作家戴威尔.索贝尔在她的著作《经度》里这样写道。


(天文台里的现代钟表

   今天从H1H4,四代哈里森航海钟表静静地坐落在风平浪静的格林威治天文博物馆里,仍然可以精确的计时。博物馆里还展示了先进的原子钟等钟表更反衬了H4的伟大。由于哈里森的巨大贡献,1884年在华盛顿召开的国际子午线大会,投票确立了格林威治为全球本初子午线。格林威治因为领先掌控了经度的计算而把零度子午线锁定在自己的天文台上,尽管因地理原因,今天GPS的定位系统的子午线与这条刻在天文台广场上的线有了些偏差。同时,格林威治时间也成了世界标准时间。空间和时间的结合就这样在这里完美地实现。

天文台庭院里的零点子午线

(天文台庭院里的零点子午线(近景))

   从天文台出来,天色已黑。然而标志着零度子午线的绿色激光线,幽幽地射向远方,直指那未知的空域和未来。


(天文台里射出的的零点子午激光线)



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