《經度法案》開啟航海不迷航的新紀元 │ 科學史上的今天：07/08

2015/07/08 |

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1497 年的今天，葡萄牙航海家達伽馬（Vasco da Gama）從里斯本啟航，成功開啟了連結歐、非、亞洲的航線，成為歐洲第一位繞過非洲南端的好望角，抵達印度的人。達伽馬與哥倫布、麥哲倫等人為大航海時代揭開了序幕，然而當時的航海技術仍無法精確掌握所在位置，每次出航都是生死未卜，迷航或觸礁等事故時有所聞。直到 1714 年，同樣是 7 月 8 日這一天，英國國會通過《經度法案》，重金懸賞在海上測量經度的方法，才終於覓得良方，開啟航海時代的新紀元。

為什麼經度這麼難測量？因為在不同緯度仰望天體的仰角大小不同，還可以藉此得知身處哪個緯度，但東西向的經度並不會有此差異，無法單靠觀測天體就可得知，必須根據當下與出發地的時間差異才能推算出相隔多少經度（地球自轉一圈 24 小時，而東西經各 180 度，所以每差一小時就是相隔 15 度）。但問題就在於如何得知出發地現在幾點？

雖然十五世紀就已經發明用發條驅動的時鐘，但很不準確，一天誤差 15 分鐘以上，直到惠更斯（Christiaan Huygens）在 1656 年發現可以利用鐘擺加以校正，才將誤差縮小每週一分鐘。然而，鐘擺到了搖晃不止的海上根本毫無用武之地，雖然惠更斯後來又發明了可以取代鐘擺的螺旋平衡彈簧，但誤差卻又變大，無法滿足航海的要求。

重賞之下，必有勇夫。年輕的英國鐘錶匠哈里森（John Harrison, 1693－1776）聽聞懸賞之後，決心投入研究。1735 年，他終於推出第一代航海計時器 H1，用平衡彈簧取代鐘擺，經海上實測有不錯的表現，而獲得官方挹注經費繼續研發。1757 年，取得重大突破的 H3 完工，使用膨脹係數不同的兩個金屬片補償彈簧熱脹冷縮所導致的誤差。

不過他發現三年前所設計的懷錶竟然與 H3 的準確性不相上下，除了錶中有他設計的特殊擒縱輪，小型的懷錶也的確比時鐘更能精密加工。於是他予以改良後，於 1761 年發明了 H4 航海錶，經過 81 天航行到牙買加後只慢了 5 秒鐘，經度誤差僅 0.02 度，遠遠優於《經度法案》要求的 0.5 度誤差。

但評審之一的天文學家馬斯基林卻對這奇技淫巧相當反感，認為觀測月亮與恆星夾角的「月角距法」才是正統，因此故意刁難，扣住獎金不發，即使哈里森終於答應要求，於 1765 年交出 H1 到 H4 的設計圖，仍只拿到一半的獎金，另一半要他再做出更優異的 H5 才給。但他與兒子於 1770 年完工後仍被刁難，直到向國會申訴後，才於 1773 年拿到應得的獎金。

1775 年，三年前帶著 H4 的複製品出航的庫克船長（James Cook）完成遍及大洋洲與南極洲的航程返國，極力讚譽哈里森的計時器，讓哈里森得以在隔年離開人世之前見賭自己的發明獲得最大的肯定。他的計時器從此成為標定經度的最佳工具，讓航海不再有迷失方向的危險；而哈里森的許多設計至今也仍在現代鐘錶中繼續運作著。