被英国学术界打压的乡村木匠,他为人类做了什么?
2019-12-30 08:07

被英国学术界打压的乡村木匠,他为人类做了什么?

本文来自微信公众号: 把科学带回家(steamforkids),编译: 七君,原文标题:《乡村木匠做出改变文明史的发明,被学术界打压而被英王力挺》,题图来自:图虫


如果把你一个人丢在茫茫大海上,没有手机,你怎么知道自己在哪儿?这就是困扰了人类数千年,直到300年前才被解决的难题。


许多人会想当然地认为,能够想出解决办法的,应该是受过良好教育的科学家吧。但实际上,完成这个壮举的,是一个没有受过教育,自学制表技术的乡村木匠——约翰·哈里森(John Harrison)


纬度(横线),经度(竖线)


找到自己在世界上的位置,靠的不是自知之明,而是纬度和经度。人类被这两个坐标困扰了数千年。


在大航海时代刚刚开启的18世纪,人类终于能够测量纬度了。


测量纬度的原理是这样的:太阳不管在哪儿都在正午到达最高点对吧,但是在不同纬度,太阳在正午的位置不同。



比如在赤道,正午的太阳在头顶上,但是在北极,太阳在地平线附近晃悠。不同纬度的正午太阳高度不同,通过这一点就可以推算纬度了。当时的水手能够用六分仪测量太阳的位置,从而得到自己的纬度。



但是,在海上经度却没有准确的测量方式(原因下文会解释)。当时水手的估算方法是计算船的航速。


经度


船上有一些绑着木头的绳子,木头之间的绳子的长度是1.47米。要算航速的时候,水手把木头丢到海里,任由绳子滑入水中。



每一个木头划过,水手就大喊一声“turn”。其他水手记下在一个28秒的沙漏漏完时,滑过的木头的数量,这样就可以测算船速度了。因此这种木头log后来就被当作航海日志,进而变成计算机日志的代名词。


这个方法就叫做航位推测法(dead reckoning)


但是,这样做的误差很大。海水本身相对大陆也在运动,而上面这个方法算的只是船相对海水的速度,而忽略了海水的速度,因此有比较大的误差。


短途旅行可还行,一旦长途旅行,误差逐渐累积,水手要知道自己走了多远就不太可能了。


所以当时航海的主要方法就是等待合适的洋流和风,然后一鼓作气起航。不过这么一来,所有人都知道你要去哪儿了,海盗什么的就可以轻松跟在你屁股后你乘机壁咚你。



有人可能觉得奇怪了,不对啊,那18世纪地图上的经度是怎么测出来的呢?


在地面上测经度和在海面上测经度很不一样。在地面上测经度依靠的是天体。


伽利略在1610年就用自制的天文望远镜观察到了木星的4个卫星。他非常详细地绘制了这4个卫星在每晚7点出现的位置。所以如果能够观星的话,还是可以确定时间的。


木星和四个伽利略卫星


就是依靠伽利略的思路,后来人们才找到了利用日食和恒星位置测量各地的经度的方法,绘制出了精确的陆上地图。


但是,在海上却无法做天文观测。这是因为,观测木星等天体需要强大的远焦天文望远镜,而且对于远焦望远镜来说,观测时不能有抖动,最好心脏都别跳,否则你会觉得星星嗑药了。



1707年10月22日,一支从直布罗陀回来的英国舰队就遇到了经度引发的血案。


由于遭遇了恶劣的天气,他们不知道自己在哪儿,在做什么。他们不要你觉得,他们要自己觉得自己离英国海岸附近礁石密布的锡利群岛很远,但其实他们就在那儿。


结果,在几分钟之内,五艘舰艇中的四艘触礁,几千人落水溺死,英国海军也因此蒙受了巨大的损失。


后来,英国把这个事件定性为国难,举国上下有各种官方和民间的默哀纪念活动。你看,即使是英国这样的海上霸主,也拿经度毫无办法。


痛定思痛,1714年,英国议会设立了经度奖(the longitude act)。这其实就是个赏金任务,谁能在海上找到经度,谁就能拿到2万英镑,相当于现在的139万英镑,970万人民币。


英国国会于1714年通过的经度法案,其中设立了经度奖。 @cambridge university library


英国政府还成立了评审委员会(经度局)。委员会里全是有头有脸的科学家和政客,领头的是牛顿爵士。


不过在老百姓的心中,在海上找经度是不可能的事情,只有疯子才会想去拿这个奖。看看英国著名画家威廉·贺加斯(William Hogarth)画的这些嘲讽漫画,你就知道当时大家有多悲观了。


威廉·贺加斯绘制的讽刺追求经度奖的人的漫画 Longitude Lunatics' from 'The Rake's Progress @national maritime museum


不过,刚刚满20岁,从没有上过学的约翰·哈里森却愿意当一个疯子。


约翰·哈里森


他是这样想的:不管你在哪儿,当太阳升至最高点的时候,就是中午12点没错吧,所以不管在哪儿,你都能知道每天中午的时间。


理论上,地球在24小时内匀速转了360度。如果把地球从东到西等分成24个区域,每个区域到达中午12点的时刻都和附近的区域差1个小时。



那么,如果我出发时带着一个伦敦正午时间的钟,走一段时间后在正午看看这个钟,如果伦敦的钟显示下午3点,那么我就可以确定,我和伦敦差3个小时对吧。那我不就可以确定我所在的位置的经度了吗?


这在我们现代人看来很自然的类似于时区的概念,在300年前却是不可能的。为什么?因为当时的钟表的精度太差了。比如,当时最厉害的钟表大师 George Graham 的钟表每走一周,就有几秒的误差。



如果要实现哈里森的目标,那么就要制造一个精度是过去所有钟的50倍的新型钟表出来。


哈里森下定决心,不但要制造出能在海上运行的钟,还要让它的误差保持在一个月2-3秒之内。


听起来很燃,但是等一下,哈里森怎么知道自己的钟的误差够小呢?毕竟他要造的是世界上最“准”的钟啊,别的钟都不能拿来当标准。



哈里森想到了观察夜空的恒星。恒星每晚出现在天空中的某个位置(所以才叫“恒”星嘛),然后因为地球自转“落下”。那我每晚观察同一时刻的同一个恒星,不就可以判断我的表准不准了吗?


但是呢,这个方法有个问题:钟表和太阳日一样,一圈24小时;但是地球自转一圈再看到同一个恒星时,流逝的时间是24小时不到,恒星每天会早出现3分54秒(恒星日和太阳日有差距)



绕太阳转一圈:太阳日。绕某其他恒星转一圈:恒星日。太阳日比恒星日略长。


他想了另一个办法:虽然每天盯同一个恒星会越来越早,但是恒星经过2个位置的用时总是不变的咯。


所以,他把自家东面的窗户和邻居家的烟囱当作标志物,当恒星从一处升起,到另一处消失时迅速记录自己的钟表的时间。因为恒星升落的时间差是固定的,这样就能比对自己造的钟表的误差了。



校准的问题解决了,那么怎么优化机械钟,减少误差呢?


我们先来看一下最早的机械钟——摆钟的基本原理。摆钟的原理其实不复杂,中学我们就知道,1米长的钟摆的周期是1秒。



像上面这样,用重物拉扯齿轮转动,然后做一个头部是Y型的钟摆卡在齿轮上,那么钟摆摆动时,齿轮就会按1秒一停的节奏转动了。


这个Y型的装置,就是个简单的擒纵机构,也就是滴答调时的机构。这个钟其实我们在家里也能做,只不过误差比较大。


机械钟误差的第一大来源,就是摩擦。因为零部件容易卡住,所以当时的钟表要时不时上点油润滑一下。可是润滑油本身氧化了以后就会变得粘稠,把零件整个黏住。


传统摆钟的锚形擒纵器 @wikipedia


为了对付这个问题,哈里森设计了蚱蜢擒纵器,它和过去的擒纵机构不同,不会和齿轮有较大的摩擦。


哈里森发明的蚱蜢擒纵器 @wikipedia


为了彻底解决摩擦的问题,他还用了一种自带润滑油的木头——美洲亚热带地区的愈疮木(lignum vitae)。愈疮木富含天然树脂,因此永远不会干裂。他是第一个采用了这种材质制造钟表零件的人。


愈疮木的花朵


经过这样的改良后,哈里森摆钟的误差就从每天几分钟,下降到了一周1分钟。


在英国北林肯郡的布罗克莱斯比庄园的养马场还保留着哈里森在1722年制造的一个木质摆钟。300年过去了,它从没上过润滑油,每周只需要上一次发条就可以了。



哈里森为布罗克莱斯比庄园设计制造的木质摆钟,采用了蚱蜢擒纵器。


第二个问题,就是金属的热胀冷缩。


我们刚刚说过,单摆的周期和长度有关。但是金属在不同温度下会发生热胀冷缩,长度会发生变化,因此钟摆周期就会跟着变,那么摆钟就走不准了。


哈里森也想到了方法。他注意到黄铜和铁在遇热时的膨胀速率不同,他就用这两种金属相互制约,在1726年制造出了不随温度变化的栅形补偿摆(gridiron pendulum)


利用膨胀速率不同的金属制造的不随温度改变长度的栅形补偿摆 @wikipedia


当然,这样优秀的摆钟还是无法成为海钟,因为大海的问题不仅仅是摩擦,还有湿度大、腐蚀强、气压和温度多变的问题。此外,不同纬度的重力也有轻微变化。更关键的是,海上的船会晃啊!在第一次出海测试的时候,旱鸭子哈里森就被晃吐了。


于是,哈里森干脆取消了钟摆,用弹簧代替。这个名叫 H-1 的钟就是他的第一次冲击经度奖的参赛作品,弹簧的设计摆脱了重力的影响,让H-1能在不稳定的环境里维持振动。


H-1 @national maritime museum


1736年,哈里森带着自己的H-1上了前往里斯本的 The Centurian 号测试。


在回程的路上,他们也经过了出过大事的锡利群岛,不过大家就陆地的方位产生了分歧。船长用保守的航位推测法指了一个方向,哈里森却指了另外一个方向。有惊无险地上岸后,船长才意识到哈里森的时钟是对的。


船长事后还写了一份报告:“虽然哈里森先生吐了一路,但是海洋的运动并没有影响他的计时器。”


现在,我们不清楚H-1的精度具体如何,但是一般认为它的误差在一天5-10秒之内。可是,这样的误差没有打动评委。


于是哈里森开始接着研发H-2、H-3。


H-2一个月只有1秒的误差,是当时世界上最精确的计时器。更厉害的是,这个钟全是木头做的。


再来看看澳大利亚国家海事博物馆复制的哈里森的H-3。相信你会被它的美震撼。



在哈里森玩命研发的期间,天文学家们也没闲着,他们试图用比较方便观察的月球来当作判断时间的基准,因为月球每分钟的位置都不同。


当时,皇家天文台台长内维尔·马斯基林 (Nevil Maskelyne)发明了一种利用月球相对恒星位置推测经度的方法《航海历》。但是这个方法需要4个小时的计算,等你算出来了这结果也就没用了。



而到了18世纪50年代,哈里森开始研发不被看好的怀表。


当时怀表的精度还不如摆钟,每天的误差达到1分钟的怀表就算hin优秀了。但是在1759年,66岁的哈里森制造出了H-4怀表,要和马斯基林的《航海历》一争高下。


怀表H-4 @national maritime museum


来看一下钟表匠人 Derek Pratt 做的这个华丽丽的复制品——



评委会让一艘船带着锁在盒子里的H-4从英国的朴次茅斯开到加勒比海的岛国巴巴多斯。因为途中经过了热带,所以H-4经历了50摄氏度的温差。


1764年5月13日,船抵达了目的地,整整46天没有调时的H-4立刻接受了检验。H-4的精度如何呢?


在经历了6周不调时、50摄氏度的温差后,H-4的误差却只有30秒,比马斯基林的《航海历》准多了。这是前所未闻的。就这样,GPS的始祖,人类的第一个经线仪诞生了。



最关键的是,经度奖的颁奖条件是,只要误差小于2分钟就可以了,也就是说H-4已经超额完成任务。


但是,评委们却不相信H-4的真实性。而这背后最大的原因,就是马斯基林是评委主席(此时牛顿已亲自升天),所以他们我不听我不听地100块都不给哈里森。但奇怪的是,这些人却口嫌体正直地扣押了H-4。


image.png

英王乔治三世 @wikipedia


但是,就和任何爽文一样,打辅助的大侠出现了。


听说了哈里森受到了这样不公正的对待,亲测过H-4 而成为它的忠粉的英王乔治三世气炸了,决定滥用权力拔刀相助。他说:“上帝啊,哈里森,我要你受到公正的待遇。”都18世纪了,你们真是够了,快把钱给老爷爷好吗!


在英王气鼓鼓的抗议下,委员会勉强答应给哈里森有条件的奖金,条件是交出设计图纸,并要求已经70高龄、老眼昏花的哈里森多造几个复制品来让英国海军测试。


哈里森能怎么样,他也很绝望啊,只能干呗。


1772年,首批登陆澳大利亚东岸的欧洲人、在澳洲家喻户晓的英国皇家海军军官詹姆斯·库克就拿到了一个H4的复制品K1。


库克船长


K1误差从不超过8秒,所以库克船长也变成了K1的脑残粉,他说这个表是“永远不会背叛我们的朋友”。


怀表 K1


好吧,磨磨唧唧的委员会终于同意付款了,不过是在哈里森80岁的时候,而且还不是全额奖金,只是其中的一小部分。2年后,哈里森就去世了。他死后英国制表匠 John Arnold 改良了他的设计,让经线仪变得平民化。


全球化1.0达成。


不过,哈里森走的时候可以说是失望透顶了。不仅是委员会的态度,世人大都不相信他的钟表设计制造技艺。


哈里森在死前曾称,他“可以制造一个走100天误差不超过1秒的计时器”,但是却遭到了同代人的一万点伤害,他们觉得没文化的乡巴佬就别搞笑了好吗。



2018年谷歌的哈里森涂鸦


250年后,这个叫做 Clock B 的机械钟才获得学术界认可。根据哈里森在250年前的设计图纸复制的 Clock B 在2015年被吉尼斯纪录收录,成为“世界上最精准的机械摆钟”。


 Clock B


在格林威治天文台的官方测试中,Clock B在连续运行100天后,误差只有5/8秒,完全符合哈里森的预言。要知道,这样精度的钟表直到20世纪才诞生。


格林威治天文台的台长 Rory McEvoy 不禁称赞:“这是个伟大的成就,一个饱受羞辱的大师终于被平反。”


2006年,英国王家胜迹西敏寺为哈里森建了一块纪念牌,承认其为“英国制表业之父”。


西敏寺的哈里森纪念牌


对了,八卦一下。其实马斯基林一开始不给哈里森奖金一点也不奇怪。这个家伙在整整40年里一比不落地记录了自己花的每一毛钱,堪称行走的支付宝账单。


最后解答部分网友的困惑:哈里森和马斯基林都不是处女座。


本文来自微信公众号: 把科学带回家(steamforkids),编译: 七君

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