杰出的木匠约翰·哈里森

1.大海航行定位的难题

13世纪开始，人类进入了大规模远洋航海的时代。紧接着的一个难题就是航海船舶定位的问题。

船舶在浩瀚的大洋里，看不到任何标志物，四面都是一望无际的海洋，准确位置很难定位。在现今，这根本不成问题，有GPS或北斗导航系统，不论你在哪里，它可以告诉你的准确位置，误差不会超过一米！

可是在13世纪到19世纪，这的确是一个很大的难题。

1492年8月3日，哥伦布受西班牙女王伊莎贝拉一世派遣，带着给印度君主和中国皇帝的国书，率船员87人，分乘三艘百十来吨的帆船，9月6日从哥美拉岛启航，驶向无边无际的陌生海洋。9月9日进入远洋深航行状态。10月12日抵达当地印第安人所称的瓜纳哈尼岛，他误认为这就是亚洲大陆，到达了印度。却不知歪打正着，发现了美洲新大陆。这还算是幸运的一次迷航。

1707年10月 ，英国海军上将克劳迪斯里·肖维尔爵士率领舰队在地中海打败了法国舰队。可是在返航途中遇到了大雾，有12天见不到太阳。船员们只能通过对航速的估算，判断自己的位置。当将军惊恐地发现舰队驶进了有许多暗礁的锡利群岛中间时，为时已晚，在大雾弥漫的晚上，10月22日晚又遭到大风，整个舰队的5艘军舰包括旗舰在内的4艘撞上暗礁并在短短的几分钟内迅速沉没，1600多名水兵被淹死，肖维尔也死在锡利群岛。

1707英国海难沉船

 17世纪正是欧洲几个发达国家航海飞速发展的时代，一年有成千艘的船舶航行在大海上。为了使航行不迷失方向，迫切需要在大海上确定准确位置的方法。于是欧洲各国都先后榜出悬赏，以求提供定位方法。1598年西班牙国王腓力三世悬赏一千克朗、荷兰悬赏一万佛罗林、法国悬赏十万里弗。而英国在对1707年的事故仔细调查后于1714年经议会通过设立两万英镑的奖金悬赏，称为《经度法案》，并且在议会下设立经度委员会，专门处理关于经度测量的申请和鉴定。经度委员会聘请当时皇家学会会长的牛顿为顾问。

同时，荷兰于1633年在莱顿大学建立天文台，英国在1675年建立了格林威治天文台。当时天文台的首要任务就是研究确定大洋中航行位置的方法。

2. 天文学家的办法

人们想象中把地球划分为经纬的网格。以赤道大圆为纬线的零度，南北极为九十度，其余按照地面离开赤道的倾斜度的平行圆为纬线，纬线在南半球的叫南纬，在北半球的叫北纬。连接南北极的大圆称为经线，也叫子午线，这是因为处于同一条经线上所有地方，都是具有相同的本地时间，即同处于午时或子时。经线绕地球一周共有360度，当时英国以过格林威治天文台的那条经线为零度，后来被国际所认可。

所谓准确确定地址，就是要确定所处地点的经度和纬度。

要确定纬度，在当时的条件下没有多少困难。这只要测量当地北极星的仰角，就大致不错。如果位于南半球，则只要测量与某个恒星的仰角，然后根据星图查出这个恒星与北极星的夹角，就可以间接算出当地的纬度。

要确定当地的经度，在当时的条件下，就有困难了。当时要确定所在地方的当地时间是没有困难的，但是地球是在旋转的。每4分钟准确转过一度。赤道上一度的距离是111km，一度的六十分之一，称分，一分的距离是111/60=1.85km，这就是一海里。

现在我们考虑一艘船，它启航时地点的经纬度是知道的，启航的时间也是知道的，在它航行了一段时间后，当地的时间可以凭太阳的位置测量出来，如果它能够知道此时启航点的当地时间，由两地的时间差就能够算出两地的经度差。也就能够准确得到当地的经度。所以准确确定地址问题，也就是确定经度。通常称经度问题。

看来，准确定位问题最后归结于：要随时随刻掌握启航点的当地时间。可惜，那个时代的钟表只有发明于1656年的惠更斯的摆钟，它经不起船舶在波浪上颠簸，准确度也不够，派不上用场。

既然确定大海航行位置的经度如此重要，而且又有丰厚的奖励。所以这个问题吸引了不少能人和著名学者的投入。

较早关心这个问题的有意大利著名科学家伽利略。1610年，伽利略发现了木星的四颗最大的卫星，后来他建议，可以预测这些星星的日食时间，以便把它们当作天钟使用。如果木星卫星的日食能够在海上被观测到，领航员就可以从陆地天文台制作的表格中查找日食的时间，他就可以将这个时间与通过太阳得出的当地时间进行比较，计算出他所在的经度。最早这样的表格是在1668年出版的，后来被定期刊登在《航海天文历》（Nautical Almanac）。然而这种方法存在严重的问题: 虽然日食每周发生四次，但是木星可能离太阳太近，或者低于地平线，以致无法观察。同时，在海上操作一个硕大的望远镜几乎是不可能的。后来经过研究，认为这种方法是不现实的。退出了竞赛。

伽利略像

从古代开始人们就认识到，在所有天体中，月亮在天空中相对其他天体运动最快的，它每小时移动大约是0.5度（约相当于月球的直径）。于是天文学家们就设想，如果在船舶启航时记住月亮相对于其他天体的位置，船舶行进中又不断观测他的位置，就能够推断月亮位置形成的时差。从而确定所在的经度。这就是所谓月距法。

大科学家牛顿，以及格林威治天文台的前几任台长弗拉姆斯蒂德、哈雷、马斯基林等都沿着这个思路研究。他们通过观测制订了精密的星图和月球运行轨迹图。还把不同季节月球与著名恒星的角度制表，并且纳入航海年鉴。

牛顿在1721年给当时海军大臣的信中说:”一只好的时钟可以在海上维持几天的测算，与天文观测校对时间：在一种更好的表问世之前，要达到这个目的，一只好的钻石表特就足够了。但一旦在海上迷失经度，用任何表也难将它找回来.”这话的意思，要准确测定经度，最后还得以天文观测为准。月距法，就是当时天文界支持最多的方法。

遗憾的是，月距法经过大约两百年的不断完善和考验，最终得到的结论是，它的误差大约是一度。前面说过，经度的一度在赤道附近相当于111km的距离，这实在不能满足需要，后来就逐渐淘汰了。

弗莱姆斯蒂德像

   3.一位木匠的挑战

约翰·哈里森（John Harrison,1693－1776）出生于英国的约克郡。他父亲是木匠，他从小也学习木工成为一名技艺优良的木匠。哈里森没有上过学，但自学过不少关于技艺和力学的书。而后他对人造钟表产生了浓厚的兴趣。在他不到20岁的时候就造出了一台木制的钟。不久他在当地就因为会造钟小有名气。1720年左右他被约请为一座教堂尖塔里设计和制作一架塔钟，于1722年完成。

约翰·哈里森像

议会关于经度问题的悬赏，在几年后终于传到哈里森耳朵里。制作钟表很拿手的哈里森那时才二十多岁，艺高年轻，哈里森决定一试身手。不过，他认识到，这对他也是很严重的挑战。因为那悬赏的《经度法案》，以法律的名义宣布：任何人只要能找出在海上测量经度的方法，要求经过六个星期航行后误差在1度以内的奖1万英镑；误差在2/3度以内的奖1.5万英镑；误差在0.5度以内的奖2万英镑。而2万英镑，相当于当时一位船长200年的收入 。能够解决这个问题不仅很风光，也是一笔巨大的财富。但是也是巨大的挑战。需要认真对待。因为它要求钟表的误差每天不能超过3秒。这在当时是有一定难度的。

为了迎战这新的任务，哈里森需要进行认真的准备，实际上是要设计和制造一台新的准确度的钟。为此他经过四年的精心计算和设计，提出他的方案。根据后来几十年他在技术上实现的方案，他的构思大致是：

不再使用钟摆，因为它不能经受船舶的颠簸。代之以可旋转的有弹簧连接可摆动的刚体（棒或轮）振子，为了消除船舶颠簸的影响，振子的旋转轴必须精确处于刚体的质心。为了消除温度的影响，摆动的刚体用热膨胀不同的金属制成，以抵偿温度变化对转动惯量的影响。传动零件尽量减少摩擦力，避免使用润滑油，以免除由于温度改变影响油的粘性。改进钟表的擒纵装置。可能的话，轴承采用耐磨的宝石。等等。

有了这些精密的思考，哈里森才胸有成竹地走向伦敦，访问经度委员会。哈里森拜访了第二任格林威治天文台台长哈雷。第一任台长弗莱姆斯蒂德已于1720年去世，尽管哈雷也是月距论者，寄希望于天文学家解决经度问题，他还是把哈里森介绍给皇家学会以制造精密钟表的专家格雷厄姆。哈里森是幸运的，格雷厄姆大哈里森20多岁，以长者的风度接待了哈里森。经过一天的交谈，格雷厄姆弄清楚了哈里森的方案。他给哈里森以极大的鼓励和支持，并且免息借给哈里森一笔钱，也不必急于归还。

随后哈里森就以毕生的精力投入航海钟的制作于改进。

哈里森花了5年时间，于1735年终于造出了第一台航海钟（后人把它命名为H1，意思是哈里森1号）。这台重达34公斤的庞然大物采用了哈里森发明的“蚂蚱腿”装置，即用两根弹簧把两个金属钟摆的两头连在一起。这样一来，钟摆的摆动频率摆脱了重力影响，不怕海上的颠簸了。哈里森带着H1进行了一次短途航海旅行，结果证明用它来测量经度比当时所有的方法都要准确。

哈里森所制造的H1型航海钟

　　到此，哈里森并不满足，他想出了不少改进办法，又制作了一台H2。没等H2完工，哈里森又发现了一个致命缺点，便又开始制作H3。H3花了他19年时间，这期间他几乎没有任何经济来源，全凭“经度委员会”预支给他的2500英镑养家糊口。H1、H2和H3都是庞然大物，因为当时的钟表界都认为只有大的钟表才会准确。

后来哈里森偶然意识到，小型高频振子才是避免受环境影响的最佳办法。那时哈里森已经60岁了，他开始制作H4。6年后也就是1759年，哈里森终于造出了一块只比怀表大一点的航海表H4，直径仅13cm。这H4携带方便，准确性也大大提高了。“经度委员会”让哈里森的儿子带着H4远征牙买加，经过8l天的海上航行，H4只慢了5秒钟，误差大致相当于3公里，远小于“经度委员会”制定的最大限度。按理应该可以得到这2万英镑的奖金了。

哈里森的H4型航海钟

但是，还是有人作梗。1766年皇家天文台第五任台长内维尔·马斯克林内(Nevil Maskelyne)在前人工作的基础上出版了英国第一本遵照月距法编制的《航海历》，船长们可以用它来确定经度。但是这个方法需要大量数学计算，测一次至少需要4个小时，很麻烦，不方便。马斯克林内也想拿到这笔奖金。由于他本人是皇家天文台台长，同时也是“经度委员会”的成员，因此他得以利用手中的权力，不断刁难哈里森，拒绝承认H4的准确性。“经度委员会”毕竟不是马斯克林一个人说了算，他们决定先奖励哈里森l万英镑(扣除已经预支给他的那些经费)，其余的钱要等到其他钟表匠复制出同样精确的H4后再发给他。这个决定倒也相当公正，可哈里森等不及了。他亲自找当时的英国国王乔治三世（上访告御状），国王听完来龙去脉后大吃一惊，对哈里森说：“我的上帝，哈里森，我要给你公正!”

有了国王的支持。“经度委员会”再也不敢给哈里森穿小鞋了。1773年，哈里森终于在80岁时候拿到了全额奖金。这4块钟表耗尽了哈里森的心血，就在拿到奖金3年后，1776年，他在伦敦去世了。

1769年，在79岁高龄时，在儿子的帮助下哈里森造出了H5，震惊科学界。当时的乔治二世国王亲自佩戴H5进行航行测试，误差仅在8秒以内。

哈里森制造的H5型航海钟

哈里森从二十多岁直到他八十岁高龄，一直为航海钟殚精竭虑，孜孜不倦，贡献了毕生的精力，取得了辉煌的业绩，享誉全球。

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哈里森，以一位没有学历，自学成才的木匠，以毕生的精力，精益求精地制作航海钟，达到航海的经度需求，影响了二百年的航海事业，为人类航海贸易做出了杰出贡献。

航海钟的制成，开辟了钟表制造的新时代，由于大量社会需求，推动了机械制造业、冶金业、采矿业的发展，推动了近代产业革命。

钟表的发展又为欧洲的现代技术发展培训了人才。蒸汽机的发明者英国人瓦特（1736－1819），纺织机的发明者英国人阿克赖特（1732－1792），蒸汽机为动力的轮船的发明者美国人富尔顿（1765－1815），蒸汽机车的发明者英国人斯梯文森（1781－1848）等，他们青少年时代都曾经当过修表学徒或制做匠，他们可以通过钟表学习机械传动和有关的力学知识。

他们都是一批工匠，他们都没有读大学的经历，因为在他们那个时候大学的工科还没有产生，修表几乎是获得与工程有关的知识唯一最好的途径，或者需要向有关的力学专家请教，这就是科学与工匠的真正结合。十八世纪开始的近代产业革命的主力就是这批没有受过高等教育的工匠。哈里森是他们中最杰出的代表。这就是后人所说的“工匠精神”。

参考文献

[2] 戴瓦 索贝尔，经度，海南出版社，1999

[3] David H.Clark and Stephen P.H.Clark, Newton’s tyranny, W.H. Freeman and Company,2000

[4] 武际可. 谈谈工匠精神[J]. 力学与实践, 2018, 40(6): 710-716.

                                           20250504