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《經度法案》開啟航海不迷航的新紀元 │ 科學史上的今天:07/08

Image creator :Mark Morgan© 2010 Flickr

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。

 

 

本文同時收錄於《科學史上的今天:歷史的瞬間,改變世界的起點》,由究竟出版社出版。

 

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關於作者

張瑞棋

1987年清華大學工業工程系畢業,1992年取得美國西北大學工業工程碩士。自小喜愛科學新知,浮沉科技業近二十載後,退休賦閒在家,更成為重度閱讀者。當了中年大叔才成為泛科學專欄作者,著有《科學史上的今天》一書,如今又因翻譯《解事者》,而多了個譯者的身分。

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