站在时间和空间的起点 ——访格林尼治天文台 文 图 /安宁檬 ...

    站在时间和空间的起点
        ——访格林尼治天文台
                       安宁檬

地球上的任何一点，都可以是时间和空间的起点。然而，地球上的人们要相互交往，必须要有一个统一的标准来确定时间，并确定彼此在空间的位置，这是在我走出格林尼治天文台后才慢慢领悟到的。






格林尼治天文台（Royal Greenwich Observatory, RGO）坐落在英国伦敦俯瞰着泰晤士河的一座小山上。





走进天文台的时候，我这个对天文知之不多的人，不解的是，天文台里并没有我想象的那么多天文望远镜来仰望星空（有一些），更多的是各式各样的计时器，而且分秒必争地走着，时刻提醒着人们，“时间”对于人类的重要。





自从人类知道地球是圆的以后，就提出了纬度和经度的概念。公元15世纪，人类航海事业迅速发展，在茫茫大海上，准确测定船舶的位置成了一个迫在眉睫的问题。而要测定这个位置需要两个参数：经度和纬度。纬度的起点可以由地球自转轴决定为“赤道”，人们由此可以通过观测太阳和北极星的高度来测定自己所在的纬度位置（据说在很多航海故事中看到的那些独眼龙船长是真的，他们因为长期测日而被烧坏了眼睛）。但经度测量一直都是个难题，因为理论上任何一条经线都可以被定为本初子午线。





据记载，1676年，比较尊重科学的英国国王查理二世，听说通过观测月亮和星星可以测出经度，便向当时著名的英国天文学家约翰 .弗拉姆斯提德(John Flamsteed)请教，弗拉姆斯提德等人请求国王建立一个天文台来从事这项工作，格林尼治天文台由此诞生。弗拉姆斯提德被任命为第一任格林尼治皇家天文台台长。这项差事薪俸极微，既无助手亦无仪器，台长需为建造仪器而四处化缘。但他仍含辛茹苦地工作了40年，夜以继日地使用简陋的仪器记录每颗恒星穿越子午线的确切时间和高度，以此完成必要的计算。尽管这样，还是没有找到准确确定经度的方法。





当时的格林尼治天文台是英国人“时间的标杆”。弗拉姆斯提德依靠钟摆长达3.96米的吊钟(惠更斯摆钟)，为英国人校正时间。这座庞大的摆钟每4秒摆动一次，每天的误差只有7秒。天文台屋顶有一个红色圆球，每天中午12点59分准时升起，13点正准时落下，当时的伦敦居民均习惯每天中午看一下红球，校正自家时间。








从16世纪开始，海员们用罗盘、铅垂线或大致估计的船速来确定自己在海上的位置，但这些简单的仪器只提供一艘船的航向和速度的基本信息，被称为“死亡推算”。由于航海家难以测量经度，经常发生航船错估位置而触礁的海难。1707年10月，英国舰队在战胜法国舰队胜利返航的途中，遭遇大雾迷失了方向，4艘英国军舰因定位混乱，在西西里岛附近撞上岛礁而沉没，死亡2000多人，震惊世界。





英国军舰沉没事件让英国意识到确定经度的重要性。于是，1714年英国国会通过了《经度法案》(Longitude Act)，悬赏2万英镑解决经度问题。规定任何人只要能找出在海上测量经度的方法，将经度准确到半度范围内（即时间上的误差一天不超过3秒），并且方法可推广应用，便可以拿到2万英镑的奖金。这笔钱在当时可是巨款，为了公正地找出获胜者，英国国会特此成立了“经度委员会”，请来包括牛顿在内的许多著名科学家担任评委。





早在1530年就有科学家提出，航海时只要带上一座准确计时的钟，把这座钟记录的家乡时间与当地时间比较，利用时差就可以测算出船舶所在位置的经度。这是一个用时间确定空间的方案：地球每天（24小时）转动一周为360度，每小时的时差就应该是360度除以24等于15度。因此，只要知道时差，就能计算出所在地的经度。但问题是当时的钟表都要靠钟摆的摆动来计量时间，航行中的船只无法保持水平，晃来晃去，“时间”就不见了。因此最关键的是，要有能抵御摇晃的准确的计时工具。





一位名不见经传的、叫约翰.哈里森（John Harrison 1693– 1776)的英国钟表匠，开始用自己的办法向天文学家们发起了挑战。他的方案最精华的部分，是造一只能抵御风浪的钟，把出发地的时间准确地带到五湖四海。





出身木匠的哈里森从21岁开始，痴迷地研究航海钟。在国会颁布了悬赏令之后，他花了5年时间，经过不懈努力，终于造出了第一台航海钟（后人把它命名为H1，即哈里森1号）。这台1米见方、重达34公斤的庞然大物（下图），采用了哈里森发明的“蚂蚱腿”装置，即用弹簧把两个金属钟摆的两头连在一起，抛弃了随地球重力偏向而失准的钟摆，使用了金属的发条，并且采用对称的结构来平衡海上颠簸。哈里森带着H1进行了一次短途航海旅行，结果证明用它来测量经度比当时所有的方法都要准确。





接着哈里森又研制H2、H3，仅H3就花了他19年的时间，但仍然庞大笨重（下图）。





一个偶然事件让哈里森意识到，小型高频振子才是避免受环境影响的最佳办法。那时哈里森已经60岁了，他开始制作H4。6年后也就是1759年，哈里森终于造出了一块只比怀表大一点的航海表H4。这是一块不受晃动、湿度和温度干扰的、上一次发条就能走30小时的大怀表。这个大怀表携带方便，准确性大大提高。经度委员会让哈里森的儿子带着H4远征牙买加，经过两个月的海上航行，H4只慢了5秒钟，误差远远小于经度委员会制定的半度之内的限度。





经过很多波折，在哈里森80岁时，终于得到了国会悬赏的那笔奖金，这距他当年揭榜已经过去了43年。他用了整整一生来完成自己的心愿，却没有时间来享受给他的奖励。3年后，他在弥留之际，全神贯注地听着他一辈子倾听的钟表的滴答声，安详地离开了这个世界。美国作家戴威尔.索贝尔在她的著作《经度》里这样写道：“哈里森成功地用第四维——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。”





后来H4被复制，由大名鼎鼎的库克船长带着环球试航3年，经过了热带和寒带，这个表从未有超过8秒的误差。自那以后，海员们都会一手拿着哈里森航海表，另一只手拿着第五任格林尼治天文台台长马斯克林内、在前人经验基础上制定的《航海历》，确定航行中的位置。在海上的准确定位促进了英国航海业的飞速发展，继而为大英帝国的崛起打下了基础。





从18到19世纪，工业化的发展改变了人们的工作、旅行和交流方式，快速列车和电报的产生意味着每个城市保持各自的当地时间已经不再现实，世界需要一个统一的标准来计时。





格林尼治天文台成为世界最负盛名的天文台的重要原因之一，就是人们在这里找到了世界通用的“经度”。于是1884年10月13日，在华盛顿召开的国际天文学家代表会议决定，以经过英国伦敦格林尼治天文台中星仪所在的经线，作为全球时间和经度计量的标准经线，即0°经线——“本初子午线”，将它作为计算地理的起点和世界标准“时区”的起点。经度值自本初子午线开始，分别向东、西计量，各自0°-180°和0-12时。本初子午线以东为东经，以西为西经。从此，地球被分成了东西两个半球。世界各地其他时区的地方时间，都以格林尼治时间为标准。重大国际事件，也多以格林尼治时间来记录，防止史料的紊乱。





铜质“本初子午线”从格林尼治天文台子午宫里笔直地伸出来，镶嵌在地上，东西两边刻有一些城市的经度。子午宫的墙上，标有“本初子午线”标记，正对地上的铜质子午线，以红线为0经度，分列东、西两半球。子午宫尖顶下方的小方孔，会在夜晚放出绿色的子午激光线，射向浩瀚的夜空。








我站在计时极准的格林尼治时钟下，想着祖国的北京时间，它与0经度的伦敦时差是8个小时，以此乘以15，可以推算出北京的经度为东经120度左右（北京中心城区实际经度为东经116°23′）。又想到我的家乡成都，它位于东经103度，可以推算出成都与北京的时差将近一个小时，因此成都的早晨，天总是比北京亮得晚一些。我第一次领悟到“时间”与“空间”有如此紧密的联系，对“时空”的概念，也有了更深刻的理解。我从心底佩服前人的智慧，对这些为人类作出卓越贡献的科学家，怀着深深的敬意。





本帖最后由 安宁檬 于 2019-6-16 09:08 编辑

站在“本初子午线”上，可以同时脚踏东西两个半球，感觉很神奇。我意识到我正站在时间和空间的起点上。人生有若干的起点，领悟到一些东西也可以算做一个新的起点吧。有起点就意味着有希望的远方，我于是对未来便怀了更多的信心和憧憬。



2019年6月