“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”

——索贝尔

从15世纪起，在地圆说的引领下，极具探索精神的欧洲把眼光投向了海洋，无数的探险家在彼时杨帆出海，寻找着通往东方的贸易路线和潜在的贸易伙伴。在当时，远洋航行意味着冒险，因为航船无法准确测量经度，容易在没有参照物的海洋之中迷失方向。也是在这个地理大发现的时代，无数科学发现和技术因此诞生。今天上知天文，下晓地理的小测和大家一起回顾历史上测量“纬度”和“经度”的故事。

经纬度的发明

人类至少在公元前3世纪，就知道用经纬度来描述地球。大约在公元150年时，希腊地理学家托勒密在他绘制的人类第一本地图集中，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坐标系统。令人遗憾的是相当长的时间里，人类只会运用纬度导航。甚至，连哥伦布跨越大西洋发现美洲，也是沿纬度航行。

纬度的测量

先来讲讲神奇的纬度测量，在陆地上的人们，最敏感的纬度。不同的纬度，直接就影响正午太阳直射地面的角度。早在2000多年前的古希腊，纬度就已经可以精确测量了。“地理学之父”埃拉托色尼(Eratosthenes)在此基础上，还测定了地球圆周长为39690公里，与地球实际周长（40076公里）相当相近。其实，纬度测量的原理是相当简单和神奇的。我们认为北极星相对地球是静止不动的，通过测定北极星在当地的地平高度，根据纬度和地平高度的数学关系，就可以推算出当地的地理纬度。而地球圆周长的测量，就可以测定同一子午面的两地间纬度差和距离，然后推算得出。

地球圆周测量实验

埃拉托色尼找到了埃及的塞恩和亚历山大灯塔，在这里夏至正午的阳光可以直射入井底。这表明此刻太阳光线正好垂直于塞恩的地面。然后测量亚历山大灯塔高度与影长，计算出入射光线夹角约为7度12分，约等于圆周角360度的1/50。他知道两点的距离约为5000希腊里，也就是说5000希腊里是地球周长的1/50，由此推算地球周长约为25万希腊里。经过考证，当时的1希腊里约为今天的157.5米，25.2万希腊里约为39690千米。这个结果与现代测量的赤道周长40076千米仅相差386千米，精确度达到99%以上。

埃拉托色尼的测量方案

时间也可以测量空间

虽然纬度可以被精确测定，但对于经度的测量，一直到大航海时代仍旧一筹莫展。在浩瀚的海洋之中，远洋航行的孤舟最困难和凶险的就是找不到自己的位置。其实，欧洲的科学家一直都在力图解决这个难题。地球自转一周360度，要经历24个小时。1530年，荷兰天文学家伽玛·弗里西斯（Gemma Frisius）提出了“以时间确定经度”的设想。根据地方时与经度差异的关系，如果知道两个地方时间差和地球自转的速度，就能知道经度差异。他设想携带钟表去航海，到达新的地点后利用太阳高度测量当地时间，再做对比就能知道到达地和出发地的经度差。可当时的钟表技术却无法支持这样一个“ 聪明的构想”。就连牛顿也认为，“钟表法”理论上是可行的，但是由于船只的运动，远洋途中湿度、温度和重力的不断变化，能够在这样状态中准确行走的钟表很难造出来。

“经度奖金”的设立

这个经度测量的问题一直没解决，为出海埋下了巨大的隐患。1707年，英国海军上将克劳迪斯里·肖维尔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锡利群岛中间时，为时已晚，在大雾弥漫的晚上，整个舰队的5艘军舰有4艘撞上暗礁并迅速沉没，1600多名水兵被淹死，肖维尔也死在锡利群岛。这个事件引起了英国举国震惊，为了解决如何在海上确定航船的经度这个难题，英国国会成立了一个“经度委员会”（Longitude Board），还通过了《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，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。

海上定位工具

一个聪明的“设想”等待一个天才的“实干家”

这个时候，一个百年不遇的天才，约翰·哈里森（John Harrison）出现了。27岁时，他为当地一位爵士在庄园里建造了一座塔钟，每个月误差不超过1秒钟，准确性远远超过格林尼治天文台的钟。在“经度委员会”的资助下，哈里森于1735年，成功地做出来了第一台航海钟H1，很好地解决了误差、船只晃动、暴晒高温等问题。H1 重达42公斤，被装在一个长宽高均为1.3米左右的铜壳内。后来，经过不断更新和改进，哈里森相继造出H2、H3。直到1759年，世界上最精美的航海钟表H4问世了，直径13厘米，重1.45公斤，可以很容易地装进一个银表盒里随身携带。他的经度钟彻底摆脱了地球引力，并在热胀冷缩和润滑等方面做了技术改进。在航海中检验时，H4每次为船定位都被证明是正确的，在海上漂泊了3个月只慢了5秒钟。经过经度委员会仔细分析数据，发现H4能够将经度确定在10英里的范围内。

值得一提的一个小细节是，哈里森的航海钟造价非常昂贵。他原始设计的H4，并没有真正装配给海轮。后来法国钟表匠罗伊发明了革命性的钟表棘爪擒纵机构，这从根本上解决了颠簸和温度对钟表误差的影响，今天的机械钟还在使用这个原理。这一个简单的机构，就省下了哈里森钟里面一大堆零件，也让远洋航行的船只能用上精密确定经度的航海钟了。

哈里森航海钟模型

直到1825年，航海中发明60多年后，英国的舰船才普遍航上航海钟。回溯到，1530年“以时间确定经度”的设想的提出，没想到，一个“经度钟”竟制约了远洋航海近三百年。由此，海上经度测量更加准确，远洋航行正式从纬度时代跨入经纬度定位的新时代。后来，国际经度会议把经过格林尼冶的经线正式确定为零度经线、世界时间计量和经度计量的标准子午线——“本初子午线”。这条原来是航海钟参考的“时间起点”，真正被确认为一条零度经线，影响现今的时区体系。

“用时间测量空间”的后续——卫星导航

历史总是惊人的相似，而科学的原理也是如此。用时间测量空间的科学思路仍沿用至今。如今我们生活中难以忽略的导航工具——全球导航卫星系统（GNSS），其核心思想也是利用时间测量空间。最初，这最初也是为了解决军事潜艇海上定位的问题所设计的。卫星和地面接收机分别测定卫星电磁波信号播发和接收到的时间，再把两个时间做差乘以光速，就可以获得卫星到接收机的距离。而地面观测到多颗卫星，就可以获得多个星地距离。就可以获得地面接收机的三维坐标了。只不过，如今计量时间的钟，从航海钟变成了几亿年不差1秒的原子钟，原本只能获得经纬度，而GNSS却能提供三维坐标和精确到纳秒的时间信息，在一望无际的海洋上再也不怕找不到自己的位置。

美国的哲学家杜威曾说，科学的每一项巨大成就，都是以大胆的幻想为出发点的。而我们对测定经度和纬度的科学研究过程，恰恰就是基于伟大的设想和猜测。一个睿智的设想和方案指引着后继者继续攻坚克难，最终带领着我们走向科学的圣地。我们应该对历史上这些对科学发现做出过杰出贡献的科学家们，不吝啬自己的赞美。这让我们了解他们功勋，缅怀他们的成绩，并继续在巨人的肩膀上，朝着更高的科学目标进发。

部分图片来自网络

参考文献

[1]达娃·索贝尔,肖明波.经度[M].上海人民出版社,2015.

[2]周冉.整整四个世纪,欧洲都在寻找测量经度的方法 格林尼治天文台:时间旅行者的原点[J].国家人文历史,2019(09):118-125.

[3]任常成.区时换算与经纬度测量仪[J].教学仪器与实验,2010,26(04):44-45.

[4]於朝斌.测量经度的简易方法[J].中学地理教学参考,2005(Z2):60-61.

[5]山边.早期的经度测量[N]. 中国测绘报,2005/05/27.