人類的探險史就是一部科技發(fā)展史。除了航海技術(shù)的進步之外，定位技術(shù)的發(fā)展幾乎至關(guān)重要。

　　一

　　隨著一聲令下??開始！一名海員把手里的沙漏翻了個身，開始計時，另一名海員手握麻繩，繩子的一頭綁著一塊三角形木板，漂在海面上，另一頭繞在紡錘里，隨著帆船的前行，繩子不斷從紡錘上松開，穿過海員的手心。

　　“停！”掌管沙漏的海員喊了一聲，負責(zé)繩子的海員報出一個數(shù)字，是沙漏計時這段時間里通過他手心的繩節(jié)數(shù)量。這個數(shù)字除以沙漏轉(zhuǎn)一圈所需的時間，就是正在航行的速度。船長得知這個速度后，根據(jù)航行的方向，在海圖上標(biāo)明船只現(xiàn)在的位置。

　　這是18世紀以前的海員們測量航速的標(biāo)準(zhǔn)方法，也是為什么早期的航海速度是以“節(jié)”為單位的。

　　“我們不久就會到達亞洲了！”船長通知全體船員，“大家不要放棄，繼續(xù)前進?！?

　　二

　　這事發(fā)生在1492年10月，那個船長是個西班牙人，名叫克里斯托弗?哥倫布(Christopher Columbus)。他游說西班牙國王，出資建造了3艘小帆船，準(zhǔn)備向西橫跨大西洋，找到一條通向香料王國的新航道。哥倫布事先通過計算，認為亞洲并不遙遠，最多不超過3850公里。可是，他不知道，他使用的數(shù)據(jù)來自阿拉伯國家，阿拉伯的距離單位要比歐洲的長。

　　這種遠距離航行，必須知道船只每時每刻的經(jīng)緯度，否則無法定位。當(dāng)時的歐洲海員都知道怎樣測量緯度，但經(jīng)度卻只有靠猜。為了保險起見，哥倫布把航線定格在北緯28度。他相信地球是圓的，只要沿著這個緯度一直向西，最終肯定能到達亞洲。

　　10月12日，在航行了一個多月后，哥倫布看見了大陸。他原以為那是日本，其實他到達了巴哈馬群島。一個錯誤的計算，讓哥倫布成為第一個發(fā)現(xiàn)美洲大陸的人。

　　回到西班牙后，哥倫布受到了英雄般的禮遇?？墒?，麻煩很快來了。另一個歐洲海上強國葡萄牙也想和西班牙分一杯羹。于是，當(dāng)時的天主教教皇亞歷山大六世于1493年5月4日頒布了《分界線詔書》(Bullof Demarcation)，規(guī)定在亞速爾群島以西100里格(League，約等于4.8公里)的地方劃一條子午線，西邊統(tǒng)統(tǒng)歸西班牙所有，東邊則歸葡萄牙?？墒?，這個規(guī)定形同虛設(shè)，因為沒人知道這條線的具體位置，新大陸到底在線的東邊還是西邊？只有聽天由命了。

　　西班牙人運氣真好。后來得知，按照詔書的規(guī)定，南美大陸的絕大部分土地都落在西班牙這一邊，只有大陸最東邊的一個角被劃在了葡萄牙的名下。于是，如今南美大陸的大部分國家都說西班牙語，而那個角所在的國家巴西則說葡萄牙語。

　　三

　　最早解決的定位問題是方向的測量。只要發(fā)現(xiàn)了磁石的指南功能，剩下的就是如何讓磁石自由轉(zhuǎn)動了。古代的中國人想出的辦法是讓磁石浮在水面上，而不需要水的“旱羅盤”則是外國人發(fā)明的。

　　指南針并不是不可替代的。北半球的人都知道利用北極星辨別方向，太陽的位置也能幫助人們找到北方。相比之下，緯度的測量則需要一點技術(shù)含量，但也不是天大的難題，只需要一臺能夠測量星體高度的象限儀就可以了。把象限儀水平放置，一端對準(zhǔn)北極星，讀出它和水平面的夾角，就是緯度。

　　稍微有點經(jīng)驗的海員還能夠利用太陽的高度測出緯度，只不過需要測量員用一只眼睛直視太陽。據(jù)說，那時的遠洋船上每20個老船長就會有19個因為常年對著太陽看而變成“獨眼龍”。

　　無論是用指南針指南，還是測量天體高度，都需要一個穩(wěn)定的地平線，于是人們發(fā)明了“常平架”(Gimbal)。類似中國古代制作的“臥褥香爐”，無論太太小姐們怎么轉(zhuǎn)動這個鏤花鐵球，里面的熏香始終直立不倒，香灰也不會倒灑出來弄臟被褥。

　　有了常平架，緯度就變成了一個非常容易測量的參數(shù)，因為緯度是由自然法則確定的，赤道就是零緯度，兩極則是90度，無論哪里都一樣。經(jīng)度就不同了，地球一直在轉(zhuǎn)，沒有任何天然的辦法確定零經(jīng)度的位置，只能人為規(guī)定。同樣，也沒有任何天體能夠用來直觀地顯示經(jīng)度的差異。

　　于是，古代的航海只能沿著海岸線走，否則等待船員的就是死亡。當(dāng)初鄭和下西洋就是如此，所以他最遠只能到達非洲，不可能發(fā)現(xiàn)隔海相望的美洲大陸。不僅是鄭和，世界上所有那些往來于歐亞非之間的商船都必須沿著固定的航道行駛，依靠汪洋中的海島確定自己的位置，這就給了海盜以可乘之機，他們只要守在航線上，自然就會有商船送上門來。

　　渴望測量經(jīng)度的不僅僅是海員，制圖師們更是離不開經(jīng)度。事實上，生活在公元前2世紀的古希臘地理學(xué)家托勒密(Ptolemy)是最早利用經(jīng)緯度繪制地圖的人?？墒牵捎跓o法準(zhǔn)確測量經(jīng)度，他只能憑借對距離的估計，大致標(biāo)出某地的相對位置。托勒密的方法一直延續(xù)了1000多年，但此法顯然不夠嚴密，所以那時的地圖大都不準(zhǔn)，夸大了陸地的面積，低估了海洋的范圍。

　　難道經(jīng)度就無法測量嗎？竅門其實是有的，那就是時間。地球每24小時自轉(zhuǎn)一周，也就是360度。于是，每個小時就相當(dāng)于經(jīng)度的15度。只要知道兩地的時間差異，就可以知道兩者之間的經(jīng)度差了。舉例來說，如果知道某地的正午12點正好是倫敦的上午10點，那么就說明此地在倫敦東邊30度的地方。

　　于是，經(jīng)度的問題就轉(zhuǎn)換成一個等價的問題：如何測量兩地的時間差。

　　1530年，荷蘭數(shù)學(xué)家伽瑪?弗里西斯(Gemma Frisius)提出用鐘表來測量時間差。按照他的設(shè)想，可以制作一臺鐘表，始終保持某地(比如倫敦)的時間，然后帶著它來到新的地點，利用太陽高度測量當(dāng)?shù)貢r間，再和倫敦鐘表做對比，就能知道此地和倫敦的經(jīng)度差。這個設(shè)想看似簡單，但在弗里西斯的時代，鐘表的制作工藝非常原始，每天快慢幾分鐘是家常便飯，這樣的精度根本無法勝任測量經(jīng)度的工作。

　　既然人工制造的機械裝置無法準(zhǔn)確計時，人們很自然地把目光轉(zhuǎn)向天空。事實上，人類早期對天文的興趣絕大部分來自計時的需要，因為人們發(fā)現(xiàn)，只有天體的移動是完全守時的，太陽、月亮和星星組成了一個巨大的“天鐘”，替人類預(yù)報時間。

　　1514年，德國天文學(xué)家約翰尼斯?沃納(Johann Werner)提出利用月亮的移動來測量經(jīng)度。他通過觀測發(fā)現(xiàn)，月亮在天空中的相對位置每時每刻都在改變，大約每小時移動一個月亮直徑的距離。他假定地球上觀察到的月亮行為都是一樣的，只要在兩地分別觀測月亮，準(zhǔn)確記下它移動到某個位置的時間，就能算出兩地的經(jīng)度差。

　　但是，這個“月距法”也有自己的問題，那就是缺乏準(zhǔn)確而又完整的星表。再加上月亮的移動規(guī)律仍然無法預(yù)測，因此也還有很多工作要做。

　　就這樣，兩個幾乎同時被提出來的方法開始了一場測量經(jīng)度的爭奪戰(zhàn)。這場戰(zhàn)爭過程曲折離奇，戰(zhàn)況驚心動魄，不亞于任何一個優(yōu)秀小說家編出來的驚險故事。這個故事背后折射出來的關(guān)于人類科技發(fā)展的經(jīng)驗教訓(xùn)更是值得后人玩味。

　　四

　　在敘述這場戰(zhàn)爭之前，先來看看在此之前進行的幾次小戰(zhàn)役。

　　制作地圖的人都知道，為了測量某地的經(jīng)度，他只需要等到一個共同的天文事件，然后讓各地的天文學(xué)家在這個事件發(fā)生時準(zhǔn)確記下當(dāng)?shù)貢r間就可以了。這個天文事件可以是月亮和某個星星相遇的時刻，也可以是月食。事實上，很早就有人利用發(fā)生月食的機會，測量出了不少大城市的準(zhǔn)確經(jīng)度。

　　但是，這個方法一來不能經(jīng)常使用，二來不適用于遠距離測量，因為月食覆蓋的范圍并不大。天文學(xué)家需要找到一個天文事件，發(fā)生的頻率足夠大，距離地球也足夠遠，對于地球上所有的觀察者來說都是同時發(fā)生的。

　　1610年，著名的意大利天文學(xué)家伽利略(Galileo)通過自制的望遠鏡，找到了這樣一個天文事件。他發(fā)現(xiàn)，木星有4顆衛(wèi)星，它們以極快的速度繞著木星公轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速和軌道都極有規(guī)律。伽利略潛心觀察了6年，確定無誤后把結(jié)果寫成一個奏折，上交給了西班牙國王菲利普三世。

　　為什么要給西班牙呢？因為伽利略想拿到一筆獎金！原來，哥倫布發(fā)現(xiàn)美洲的壯舉在歐洲引發(fā)了一股航海熱，可隨之而來的卻是災(zāi)難，因為大批船只因為測不出自己的準(zhǔn)確位置而迷失大海。航海大國西班牙的損失尤其慘重。1598年,菲利普三世頒布詔書，宣布設(shè)立經(jīng)度獎金，任何人只要找出海上測量經(jīng)度的方法，就可以獲得2000杜卡托(Ducat，西班牙貨幣)的獎勵。可是，這份詔書一經(jīng)頒布，立刻招來不少自認為聰明的家伙，西班牙政府不得不面對一大堆不切實際的設(shè)想，評審官們很快就厭倦了，伽利略的想法連帶著遭了殃，被西班牙政府打入冷宮。

　　好在不僅是西班牙對解決經(jīng)度問題感興趣，包括葡萄牙和意大利在內(nèi)的許多歐洲國家都出臺了各自的獎勵措施。伽利略沒有放棄自己的想法，他繼續(xù)觀察木星，不斷修改自己的數(shù)據(jù)，并于1638年把這個方法提交給了荷蘭政府。因為一些意外的原因，荷蘭政府直到1641年才決定派國內(nèi)頂尖科學(xué)家克里斯蒂安?惠更斯(Christiaan Huygens)前往意大利和伽利略討論此法的可行性?？墒牵€沒等兩人會面，伽利略就去世了，這個方法被擱置了起來。

　　伽利略并沒有把所有的時間都花在觀察木星上。他興趣廣泛，在多個領(lǐng)域都有高深的造詣。他曾經(jīng)第一次提出了用擺錘測量時間的原理，據(jù)說這個想法源自他年輕時的一次神秘經(jīng)歷。他發(fā)現(xiàn)從教堂屋頂上垂下來的油燈被風(fēng)吹得搖搖晃晃，他用自己的脈搏測量了擺動一次所需的時間，發(fā)現(xiàn)這個時間不但非常恒定，而且與燈繩的長度有關(guān)。他非常想利用擺錘的這一特性制作一臺擺鐘，但一直沒找到合適的機會。

　　有趣的是，這個想法最終被惠更斯解決了。惠更斯堅稱自己沒有接觸過伽利略的設(shè)想，制作擺鐘的想法完全是自己獨立想出來的。1656年，他制作出世界上第一臺擺鐘，并于兩年后出版了一本描述擺鐘原理的專著《時鐘》(Horologium)?；莞拱l(fā)明擺鐘是為了更準(zhǔn)確地描述天體的行為，而這樣做的最終目的是為了解決經(jīng)度問題。事實上，他曾經(jīng)專門為航海而制作了兩臺航海鐘(Marine Timekeeper)，并曾經(jīng)出海進行過檢驗。可是，鐘擺只能在平靜的海面上使用，一旦出現(xiàn)風(fēng)浪，擺鐘就不準(zhǔn)了。為此惠更斯發(fā)明了螺旋平衡彈簧，代替鐘擺，并申請了法國專利。

　　可是，在惠更斯打算申請英國專利的時候，遇到了英國科學(xué)家羅伯特?胡克(Robert Hooke)的挑戰(zhàn)。這個胡克可是大名鼎鼎，他是個科學(xué)多面手，曾經(jīng)用顯微鏡觀察生物，發(fā)明了細胞(Cell)這個詞。另外，他在光學(xué)、引力理論、地震學(xué)、蒸汽機制造和彈簧原理等領(lǐng)域取得過很大的成績。事實上，正是在發(fā)明平衡彈簧的過程中，胡克提出了著名的“彈簧原理”，即“彈簧產(chǎn)生的彈力和拉長的長度成正比”。胡克指責(zé)惠更斯偷竊了他的彈簧式鐘表設(shè)計，兩人為此數(shù)次大動干戈，最后誰也拿不出足夠的證據(jù)證明對方剽竊，這個螺旋平衡彈簧的專利最后也就不了了之。

　　兩人都試圖利用這個彈簧，制造一種能夠在海上使用的擺鐘，但做出來的樣品鐘準(zhǔn)確度仍然太低，海員們不可能依靠它來確定經(jīng)度。天文學(xué)家們非常樂于看到這一點，他們想，既然胡克和惠更斯這兩位科學(xué)界公認的領(lǐng)袖人物都不能做出完美的航海鐘，那么解決經(jīng)度問題就只能依靠上天賜予人類的“天鐘”了。

　　值得一提的是，除了利用時間來測量經(jīng)度之外，還有一種方法曾經(jīng)得到了許多科學(xué)家的支持，這就是“磁偏法”。原來，哥倫布在那次發(fā)現(xiàn)美洲之旅時發(fā)現(xiàn)，指南針和北極星所指的北方有微小的差異，后來有人正確地解釋了這一偏差，是因為磁極和真正的北極(自轉(zhuǎn)軸)并不重合造成的。不少科學(xué)家知道這件事后都很激動，他們相信這個差異就是測量經(jīng)度的鑰匙，只要找出磁偏角和經(jīng)度之間的對應(yīng)關(guān)系就行了。為此歐洲有一大批科學(xué)家投入了大量人力物力，可最終發(fā)現(xiàn)這個差異實在是太小了，無法用來準(zhǔn)確測量經(jīng)度。于是這個設(shè)想最終只能被放棄了。

　　五

　　惠更斯發(fā)明擺鐘的1656年，正是歐洲科技高速發(fā)展的時期。天文學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、數(shù)學(xué)等領(lǐng)域都涌現(xiàn)出一大批杰出的人才?？上У氖牵麄兩⒉荚跉W洲各國，平時很少交往，惠更斯和胡克關(guān)于螺旋平衡彈簧專利的爭執(zhí)就是這種隔離的后果。

　　漸漸地，科學(xué)家們意識到這種隔離必須被打破，科學(xué)家們必須學(xué)會合作，因為他們正處在知識飛速增長的時期，光靠一個孤獨天才的個人奮斗是不夠的。尤其是這個經(jīng)度問題，實在是太復(fù)雜了，光靠一個人或者一個國家的力量根本解決不了。

　　法國最先擔(dān)當(dāng)起了帶頭人的角色。當(dāng)時的法國國王路易十四是一個很有野心的人，他知道，要想征服世界，必須先了解世界，而科學(xué)是了解世界的最佳途徑。1666年，當(dāng)時年僅28歲的路易國王授權(quán)法國總理科爾波特，成立了“皇家科學(xué)院”。科爾波特本人就是一個業(yè)余科學(xué)家，他充分利用了國王給予他的權(quán)力，花重金把一大批歐洲頂尖科學(xué)家招到法國，在皇家科學(xué)院任職?；莞咕褪堑谝慌徽衼淼耐鈬茖W(xué)家，可惜他不喜歡法國，在服務(wù)了15年后還是回到了荷蘭。

　　在所有科學(xué)領(lǐng)域中，路易國王最感興趣的就是經(jīng)度的測量。1667年，在科爾波特的親自主持下，法國政府花重金購置了當(dāng)時世界上最好的天文望遠鏡，并在巴黎近郊建造了巴黎天文臺。法國人打算在這里徹底解決經(jīng)度問題，然后名正言順地把巴黎天文臺所在地定為本初子午線。

　　在1667年到1669年這三年里，巴黎天文臺組織人馬對月亮進行了細致的觀察，結(jié)果他們認為月亮的運行軌跡太復(fù)雜，無法準(zhǔn)確地預(yù)測，因此“月距法”很難被用來測量經(jīng)度。法國皇家科學(xué)院的科學(xué)家們得知這一結(jié)論后，統(tǒng)一了認識，決定推廣伽利略提出的“木星衛(wèi)星法”。這個方法的成功歸功于一個名叫喬萬尼?多曼尼克?卡西尼(Giovanni Domenico Cassini)的意大利人，此人是個少年天才，25歲時就被任命為意大利博洛尼亞大學(xué)的天文學(xué)首席教授。他也對木星的衛(wèi)星運動很感興趣，并經(jīng)過16年的觀察，于1668年出版了一本手冊，詳細記錄了這4顆衛(wèi)星的運動軌跡和星蝕時間表，這是當(dāng)時出版的最精確的木星衛(wèi)星星表，有了這張表，世界各地的天文學(xué)家完全可以通過觀測衛(wèi)星的出沒，測出所在地的準(zhǔn)確經(jīng)度。

　　1669年，科爾波特邀請卡西尼來法國擔(dān)任巴黎天文臺臺長。在卡西尼的主持下，歐洲所有的天文學(xué)家都參與了法國主持的測量歐洲計劃，最終畫出了一份相當(dāng)準(zhǔn)確的新版歐洲地圖。據(jù)說當(dāng)路易十四看到新地圖后抱怨說，他丟在天文學(xué)家手里的土地比丟在敵人手里的還多。

　　抱怨歸抱怨，路易十四仍然出資支持巴黎天文臺派遣好幾支“天文觀測小分隊”，帶著望遠鏡乘坐遠洋帆船駛向世界各地，通過觀測木星的衛(wèi)星，測出準(zhǔn)確的經(jīng)度。這個龐大的計劃也得到了歐洲其他各國的響應(yīng)，并紛紛派出自己的“小分隊”。就這樣，一張新的世界地圖被畫了出來，人類終于第一次準(zhǔn)確地知道了地球家園的樣子。

　　有趣的是，天文學(xué)家們在為地球造像的同時卻無意間解決了好幾個基本的科學(xué)問題。在此之前，人們一直認為地球是一個標(biāo)準(zhǔn)的圓球，但是很多被派往世界各地的觀測小分隊都抱怨說，他們的擺鐘怎么也調(diào)不準(zhǔn)。根據(jù)惠更斯提出的鐘擺原理，在重力恒定的情況下，鐘擺的擺動時間只和鐘擺長度有關(guān)系。可是無論科學(xué)家們?nèi)绾涡Ｕ姅[長度，在地球的某些地方測出來的擺動時間都不對。牛頓根據(jù)這些數(shù)據(jù)，得出了一個令人吃驚的結(jié)論：地球不是標(biāo)準(zhǔn)的圓球體。當(dāng)然，這個假說現(xiàn)在已經(jīng)被證實了，地球確實是個扁圓型的球體，赤道的半徑最大，而且北半球比南半球要小一些。

　　再舉一個例子。丹麥天文學(xué)家奧勒?雷默(Ole Roemer)在巴黎天文臺工作期間，發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)厍蜻\行到距離木星最近的軌道時，木星衛(wèi)星現(xiàn)身的時間總要早那么幾分鐘，他正確地把這一現(xiàn)象解釋為光是有速度的。1676年，雷默首次利用木星衛(wèi)星的“星蝕”，測出了光速(他測出的光速比實際速度稍慢)。

　　就這樣，人類對經(jīng)度的探索引發(fā)了一場真正的科學(xué)革命。