第2章 科学(2)

苦心研究了37年之后，弗拉姆斯蒂德获取的数据已经非常丰富，这让迫切需要这些资料来研究月球运行规律的牛顿异常兴奋，但弗拉姆斯蒂德坚持认为这些数据还不完美。心急的牛顿只得指使好友哈雷把资料偷了出来，此举彻底惹怒了弗拉姆斯蒂德，他不仅索回了大部分数据，还负气烧毁了很多设备。1727年，牛顿带着未能破解月球运动理论的遗憾与世长辞。

巧合的是，就在牛顿辞世的这一年，两个年轻人也投身经度难题的破解，分别从“钟表法”和“月距法”两个方面做出了重大突破。

约翰·哈里森本是一名籍籍无名的英国木匠，言语木讷的他却拥有极强的机械天赋和动手能力。他发现，当时最精确的钟，就是在伽利略单摆理论的基础上由惠更斯发明出来的摆钟。哈里森意识到，钟表走时不准确，一部分原因出现在惠更斯的设计缺陷上：钟表的擒纵器在传递发条能量时，总是会造成新的摩擦力，这种摩擦难以消除，又不易量化；在重力恒定的前提下，钟摆的运动频率因长度而不同，那么，热胀冷缩所引发的钟摆长度的变化，也会造成钟表不够准确；最后，传统摆钟也无法规避船只晃动对钟摆的影响。

为了减少擒纵器摩擦带来的误差，哈里森发明了新式擒纵器——“蚂蚱”，这种擒纵器尽量减少部件之间的接触，通过巧妙的力学平衡来达到有节奏传输发条能量的目的；随后，他又发现可以利用不同金属的热胀冷缩比的差别，来抵消气温对钟摆长度的影响；而要解决船身晃动的问题，他设计了一个哑铃状的钟摆，左右两侧的钟摆两端分别以弹簧相连，那么无论那边的受到晃动影响，都会被另一方的抵消，这就最大程度上解决了船身摇晃的问题。

天文学家哈雷和钟表专家乔治·格雷厄姆注意到了哈里森的研究，在他们的资助下，1736年，第一台航海钟——H1横空出世，经过海上测试，H1已经可以把经度确定到2/3度的水平。此后的几十年里，哈里森不断完善自己的设计，相继推出了可以抵消船只转向离心力影响的H2，以及采用夹圈轴承减少摩擦的H3。到了1759年，哈里森拿出了仅有13公分、1.5公斤的H4，引发了学术界的巨大轰动。

同样在牛顿去世那一年，一个20岁的瑞士小伙子继承了牛顿的研究，他通过分析弗拉姆斯蒂德的星图，以数学公式的形式推算出了月球运行的轨迹。这个小伙子就是数学巨匠欧拉——一个在眼睛瞎了之后，还可以用心算研究微积分的男人。

我们可以看出，这个时候，钟表法和月距法的竞争已经白热化，两者都已经做到了理论的初步实现，现在要做的，就是比试谁的精度更高。

1761年，库克船长等多名航海家开始了对这两种定位方法的海上测试，实验结果表明，钟表法和月距法都非常成功。

但月距法还存在一个很大的问题：它需要运行大量的数学计算，一个熟练的导航员也需要算四五个小时才能得出结果，这个复杂的计算过程中出任何差错，都会导致结果谬之千里。月距法的领头人物马斯卡林显然意识到了月距法在计算上的困难，决定采用一种暴力破局的方式——他雇用了一大群学生，提前算好每年的月球轨迹，然后印刷成册子，这样水手们只需要购买当年的数据直接查阅就可以了。1766年，马斯卡林出版了第一卷《航海年鉴和天文星历》，且此后每年都会出版第二年的《年鉴》，这本年鉴甚至出版到了今天。由于《年鉴》始终把格林尼治天文台的位置作为本初子午线，世界各国也不得不接受了这种经度和时区的划分方法。

而哈里森的航海钟也没有停止优化的脚步，1770年，已经垂垂老矣的哈里森推出了再次升级的H5航海钟，英国国王乔治三世马上命令御用天文台对H5进行测试，测试结果非常精确。1776年3月24日，哈里森去世，作为一个一辈子追求准时的木匠，哈里森去世的日期也相当精确——他是在生日那天去世的。

自此之后，人类终于可以准确地知道自己在哪里，要去何方，我们第一次掌握了全球范围内的定位技术。这套经纬度定位方式是如此精确，以至于一直沿用了200多年，甚至我们现在用的卫星定位，其实也是时钟法的一个升级版本。

以美国的GPS系统为例，卫星1它发出信号，我们手里的设备接收这个信号，卫星发给你的信号是什么内容呢？是它上边所携带的卫星钟在发射信号的时候的时间t1，和它所在的太空中的坐标X，Y，Z，你的接收机自己带一个时间t2，两者相减再与光速相除，就是你和这颗卫星的距离。

但在这颗卫星1看来，和它保持这个距离的其实并不止你所在的这一个点，而是所有和它保持相同距离的一个圆。所以你需要卫星2的信号，这样可以确定你在卫星1和卫星2重合的一个面上，再引入卫星3的信号，才可以大致确定你的位置。问题在于，时间总是有误差的，GPS的时间，是通过地面基站上的原子钟，每天更新一次，而你手持设备上的时间，则误差更大，那么就需要引入卫星4的信号，通过一系列复杂的公式来抵消这个误差。这也就是为什么我们的GPS仪器接收到的卫星信号越多，定位就越精确的原因。

不过，人类的定位需求真的被彻底满足了吗？其实并没有，虽然在地球上，只要有GPS覆盖的地方，我们就不需要再为这个问题发愁，但是，我们的征途是星辰大海，我们已经征服了大海，接下来，势必就是星辰！

我们现在的很多卫星和飞船，在低于导航卫星的轨道之下的时候，依然可以和地面上一样采用卫星定位，但一些深空探测器，或者我们未来会制造出的星际飞船，则无法享受这个待遇，它们必须找到新的导航方式，而目前看来，脉冲星定位或许是一个可行的办法。

脉冲星在自转过程中，会按照周期性发射稳定频率的电磁辐射，我们可以把它们简单地设为灯塔，尽管我们并不知道这座灯塔和我们的相对位置信息，但我们可以在地面或太空设立三个观测站，用脉冲星信号到达各观测站的时间差，算出脉冲星与地球的相对方位，而通过对不同方向的多颗脉冲星信号测定，就可以获得脉冲星列阵。那么和航行在海上的船只一样，我们只要有一台足够精确的钟表可以记录地球的时间数据，再把飞船上接受的脉冲星信号与地球数据相对比，就可以算出飞船相对于脉冲星或地球的位置。

我们现在回头来看看，人类一路走来，先是不知东西，继而学会了根据太阳星辰分别方向，随后可以利用地标和方向行走四方，然后战战兢兢地沿着海岸踏入了海洋，又壮着胆子用天文、海文知识慢慢走向深海，再通过星空定位了纬度，最终在激烈的角逐中确定了经度……直到今天，我们掏出手机，就可以很方便地指示任何方位。在这漫长的岁月里，为了解决这个关于定位的最初问题，汇聚了全人类顶级的智慧，推动了无数个行业和科学门类的发展，甚至还将在更为久远的未来持续地探索下去。

让我们回到开头的那三个问题：我们是谁，我们从哪里来，到哪里去？这些问题可能永远没有答案，但波澜壮阔的人类文明史和闪耀的群星又仿佛在回应：“真理的大海，让未发现的一切事物躺卧在我的眼前，任我去探寻！”我们为探求未知而来，前行的步伐，就是我们的命运。

【责任编辑：刘维佳】