经度之战

2020-05-08 16:17张璋
科普童话·学霸日记 2020年1期
关键词:经度木星钟表

张璋

一艘船在茫茫大海上行进,如果这时有人问:“船长,什么时候能到达目的地?”

一个三年级小学生都能回答出这个问题:只需要用路程除以速度即可。可对于生活在18世纪以前的船长来说,他可能会在胸前画一个十字架,嘴里默念:“上帝保佑你。”

太阳定位法

16世纪,被无数人追捧的航海家其实是个高危职业。

对于每一个踏上航海之路的人来说,他们依靠的除了船长以外,就是头顶上那个看着就不靠谱儿,却是到达目的地的唯一参照物——太阳。

当然,依靠观察太阳来测算位置的方法存在极大误差,其引起的后果就是船只偏离航线,距离目的地越来越远,更严重的可能导致船只驶进神秘海域,连人带船神秘消失。

如果想要改变这种情况,就需要提高定位的准确性,于是,18世纪的人们遭遇了有史以来最棘手的难题——经度问题。从此,开启了长达一个世纪的经度之战。

看起来这是一个不太难的问题,但在18世纪以前,却是一个世界性的难题。当时的英国国王甚至成立了经度局,并设置了高额奖金来奖励有办法准确测量经度的人。

一个多世纪的时间里,人们提出了很多办法,有些科学家致力于用天文方法来定位经度,有些人致力于用精确的钟表来定位经度,还有一些办法现在看起来很可笑。现为同学们介绍一些在当时比较流行的几种方法。

钟表定时差

1530年,荷兰数学家伽玛·弗里西斯提出用钟表来测量时间差。

使用方法:设想有这样一台钟表,始终保持某地(比如伦敦)的时间,然后带着它来到新的地点,利用太阳高度测量当地时间,再和伦敦钟表做对比,就能知道此地和伦敦的经度差。

Pass原因:这个设想看似简单,但在弗里西斯生活的时代,钟表的制作工艺非常原始,每天快慢几分钟是家常便饭,这样的精度根本无法胜任测量经度的工作。

月距定位法

1514年,德国天文学家约翰尼斯·沃纳提出利用月亮的移动来测量经度。

使用方法:他通过观测发现,月亮在天空中的相对位置每时每刻都在改变,大约每小时移动一个月亮直径的距离。他假定地球上观察到的月亮行为都是一样的,只要在两地分别观测月亮,准确记下它移动到某个位置的时间,就能算出两地的经度差。

Pass原因:“月距法”缺乏准确而又完整的星表。再加上月亮的移动规律仍然无法预测,因此“月距法”也被放弃。

木星定位法

1613年,伽利略通过自制望远镜夜观天象,发现木星有4颗卫星,以极快的速度绕着木星公转,转速和轨道都极有规律。由此触发灵感,发明了一个“导航头盔”。

使用方法:通过两只眼睛分别观测木星及其卫星,就能算出准确的时间,进而推算出经度。

Pass原因:对观测者要求过高,且在波浪起伏的大海上根本无法运用。

1714年7月8日,英国政府正式颁布了一项“经度法案”,法案规定,凡是有办法在地球赤道上将经度确定到半度范围内的人,奖励两万英镑;将经度确定到2/3度范围内的人,奖励1.5万英镑;将经度确定到一度范围内的人,奖励1万英镑。

正所谓重赏之下必有勇夫。有个名叫杰瑞米·塔克的人提出过一个值得一提的方法。他设计了一台小巧的摆钟,把它放进一个真空容器里,这样就避免了气压和湿度的影响。

使用方法:他设想这台“精密时计”被放在一个常平架上,这样就杜绝了船只摇晃产生的影响。

Pass原因:可是,这样一台钟表并不能抵抗温度的变化。要知道,摆钟的速度和钟摆长度有很大的关系,长度的微小变化就将带来巨大的差异。事实上,塔克经过实验后承认,他设计的这台“精密时计”即使在最完美的情况下,也远远达不到经度委员会的要求。

各种方法相继失败,难道真的没有一个人能破解这个世界难题?别着急,经度之战的主角,即将登场。他就是哈里森。

哈里森的“精密计时”

由于测量经度的关键是要知道船上的准确时间,而当时最高端的计时工具也无法在海上使用,那制造一个能在海上使用的钟表不就行了?

经过周密的实验与计算,哈里森直接拿掉了碍事的钟摆,制造出一系列几乎不存在摩擦的时钟,无论周围如何摇晃,钟表内的部件总能保持完美平衡。

这就是最早的航海钟,由于精确度极高,又被称为“精密计时”。有了它,船长们终于能够轻松算出经度了。

困扰整个世界一个多世纪的难题就这样被解开。现如今,定位已经成为一项驾轻就熟的科技,但前人的智慧与对未知的探索,是值得我们反思学习的。

什么是经度?

如果你把纬线想象成由赤道向南北两极逐渐缩小的圆圈,那么经线就是经由南极与北极的无数个圆圈,这些圆圈周长相同,但角度不等。

要定位经度,窍门其实是有的,那就是时间。地球每24小时自转一周,也就是360度。于是,每个小时就相当于经度的15度。只要知道两地的时间差异,就可以知道两者之间的经度差了。举例来说,如果知道某地的正午12点正好是伦敦的上午10点,那么就说明此地在伦敦东边30度的地方。

于是,经度的问题就转换成一个时间问题:如何测量两地之间的时间差。

1714年7月8日,英国政府正式颁布了一项“经度法案”,法案规定,凡是有办法在地球赤道上将经度确定到半度范围内的人,奖励两万英镑;将经度确定到2/3度范围内的人,奖励1.5萬英镑;将经度确定到一度范围内的人,奖励1万英镑。

猜你喜欢
经度木星钟表
对时差计算方法的探讨
第十章 ”大力士“木星
丽娜认钟表
木星地貌
大力士“木星”
藏起来的钟表
奇怪的钟表
巧用规律妙解“日期变更题”
如何计算地方时