| 1610年，伽利略發(fā)現(xiàn)了木星的四顆最大的衛(wèi)星，后來他建議，也許可以預(yù)測它們的日食時間，以便把它們當作天鐘使用。如果木星衛(wèi)星的日食能夠在海上被觀測到，領(lǐng)航員就可以從陸地天文臺制作的表格中查找日食的時間，他就可以將這個時間與通過太陽得出的當?shù)貢r間進行比較，計算出他所在的經(jīng)度。第一個這樣的表格是在1668年出版的，后來被定期刊登在《航海天文歷》（Nautical Almanac）。然而這種方法存在嚴重的問題: 雖然日食每周發(fā)生四次，但是木星可能離太陽太近，或者低于地平線，以致無法觀察。同時，在海上操作一個碩大的望遠鏡幾乎是不可能的。1762年，克里斯托弗·歐文（Christopher Irwin）設(shè)計了一種特殊船用座椅，可以讓觀察者坐著使用望遠鏡，而不受船只顛簸的干擾。1764年進行了一次海上試驗，但是失敗了。埃德蒙·哈雷（Edmund Halley）曾研究過利用木星衛(wèi)星的日食來解決經(jīng)度問題的可能性，但他認為在海上使用這種方法不切實際。 
盡管利用木星的衛(wèi)星來作為時間標準是不可行的，但似乎仍然可能在天空中找到解決經(jīng)度問題的方法。自1645年起，科學(xué)家們開始在牛津和倫敦開會，他們討論的主要問題之一就是經(jīng)度，最著名的團體是在格雷欣學(xué)院（Gresham College），其成員包括克里斯多佛·雷恩（Christopher Wren）和羅伯特?胡克（Robert Hooke）。1662年，格雷欣（Gresham）小組與其他科學(xué)家一起成立了倫敦皇家學(xué)會（Royal Society of London），以推廣自然知識為務(wù)。查理二世（Charles II）授予了他們皇家特許，皇家學(xué)會的明確目標之一就是“尋找經(jīng)度”。接下來的十年里，喬納斯·摩爾（Jonas Moore），一位數(shù)學(xué)家和測量員，加入了塞繆爾·佩皮斯（Samuel Pepys）的行列，在基督醫(yī)院內(nèi)建立了皇家數(shù)學(xué)學(xué)校（Royal Mathematics School），具體目的是訓(xùn)練男孩們的導(dǎo)航技術(shù)。1675年，在格林威治（Greenwich）建立了皇家天文臺（Royal Observatory），其目的是“矯正天體運動的表格和恒星的位置，以便人們能夠在海上找到他們渴望的經(jīng)度，從而完善導(dǎo)航技術(shù)”。1675年3月，查理二世任命約翰·弗拉姆斯蒂德（John Flamsteed）為皇家天文學(xué)家（Astronomer Royal），年薪100英鎊。第二年，他搬進了這座由克里斯多佛·雷恩（Christopher Wren）設(shè)計的大樓里，開始了他的天體觀察。他的主要任務(wù)是整理一份可觀測恒星的目錄。弗拉姆斯蒂德被認為是一個過激而不妥協(xié)的人，不幸的是，他與本應(yīng)成為他盟友的埃德蒙·哈雷（Edmund Halley）為敵。不顧他的反對，以艾薩克·牛頓（Isaac Newton）為首的皇家學(xué)會還是催促他發(fā)表他那尚未完成的恒星目錄，1712年，他的觀察記錄由哈雷編輯并出版了，印刷了400份，憤怒的弗拉姆斯蒂德設(shè)法獲得了300份并燒毀了它們。最終，在1725年，也就是他去世后的第六年，弗拉姆斯蒂德的目錄還是出版了，其中包含了3000顆恒星的數(shù)據(jù)。
約翰·弗拉姆斯蒂德（John Flamsteed）這種計算海上時間的方法依賴于月亮在天空中相對較快的運動，相比于其他天體，它每小時的運動速度大約是0.5度（大致相當于它自己的直徑）。隨著月亮的升起，它會經(jīng)過幾顆可辨認的恒星。領(lǐng)航員需要的是一組表格，提供在某一確定的經(jīng)度上（例如格林威治）月球和選定恒星之間不斷變化的角度的每日預(yù)測。當一個特定的恒星與月球成一定角度時，表格會提供當時在格林威治的時間。當領(lǐng)航員觀察到月亮和恒星之間成那個角度，他就會知道格林威治的時間。當?shù)貢r間和格林威治時間的差值，就可以讓他計算出經(jīng)度。月距法的運用最早是由約翰·沃納（Johan Werner）在1514年提出的。然而，在接下來的兩個世紀里，有兩個難題阻礙了對這種方法的深入研究。首先，在現(xiàn)代四分儀發(fā)展之前，角度的測量無法擁有足夠的精度；其次，無法預(yù)測月球的運動。
到了十八世紀中葉，天體的相對角度可以被精確測量。現(xiàn)在所需要的就是能夠用來預(yù)測在某一天中月球相對于某些顯著的恒星或太陽的位置的表格。第一份這樣的表格是由在哥廷根（G?ttingen）的托拜厄斯·邁爾（Tobias Mayer）教授整理的，并于1755年提供給海軍部。它們在皇家天文臺進行了測試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)可以計算出半度以內(nèi)的經(jīng)度，與航位推算比較是一個相當大的進步。為了測試月距法在海上的應(yīng)用，后來成為皇家天文學(xué)家的內(nèi)維爾·馬斯克林博士（Dr Neville Maskelyne），在前往圣赫勒拿島（St Helena）途中進行測試。他發(fā)現(xiàn)這種方法很有效，并在1763年出版了英國海員指南（British Mariners' Guide），其中闡述了他計算經(jīng)度的方法。1767年，第一本《航海天文歷》（Nautical Almanac）出版了，提供了1767年全年在格林威治每三小時計算一次的太陽和七顆選定恒星與月球的距離。從那時起直到1907年停產(chǎn)，《航海天文歷》都出版了經(jīng)過艱苦計算的月球距離表格。
內(nèi)維爾·馬斯克林（ Neville Maskelyne）
《航海天文歷》（Nautical Almanac）既然月距法已經(jīng)試驗并通過了，那么經(jīng)度問題也就應(yīng)該解決了。然而，它在實際執(zhí)行中存在嚴重的問題。最早在1764年嘗試這種方法的船只之一，東印度公司的埃格蒙特號（Egmont）在一份報告中提到了一個問題；在經(jīng)度委員會的作證中，查爾斯·米爾斯（Charles Mears）先生說：在他最后一次的航行中，他發(fā)現(xiàn)用馬斯基林（Maskelyne）先生所指定的方法進行觀察非常有用，并不困難，每次的觀察不會超過四個小時就能得到結(jié)果，當靠近已知經(jīng)度的陸地時，一般誤差能夠在1°以內(nèi)。這是一個令人心酸的事實，水手們?yōu)榱私鉀Q經(jīng)度問題而不顧一切，四個小時的艱苦計算，只為在1°之內(nèi)找到自己的位置，而這依然被認為是可以接受的。在使用這種方法的早期，人們認為觀測者需配上三個助手：兩個人同時觀測月球和恒星的高度，另一個人記錄時間。其中一人需要變身為一臺熟練的“計算機”，進行復(fù)雜的計算，包括修正由折射或大氣彎曲效應(yīng)和地球弧度引起的誤差，在許多計算中的任何一個小錯誤都可能導(dǎo)致災(zāi)難性的經(jīng)度錯位；同樣，對月球距離的實際觀測必須非常精確——夜間在海上輪船甲板上的俯仰絕非易事。這個世紀后期出版的表格減少了計算的時間。然而，這種方法一直費力且困難，經(jīng)度的最終確定，其精確度很少超過1°。
由于地球繞太陽的橢圓軌道和地軸的傾斜，如果用太陽來測量，一天在一年中的時間是不同的。由于時鐘把一天分成相等的部分，根據(jù)時鐘計算的中午時間，在一年中的不同時間，最極端時會比太陽中午晚14分28秒或者早16分11秒。日晷得出的時間當然是太陽時間。在機械時計發(fā)明之前，日和小時的長短不是問題；然而，隨著十七世紀時鐘精確度的不斷提高，就需要一種新的時間計量概念。計算出太陽日的平均長度，這就是所謂的“平均太陽時間”。因此，為了利用太陽準確地找到時間（正如領(lǐng)航員需要做的那樣），必須考慮到太陽時和平均時之間的差異；這就是所謂的時差（equation of time）。一個簡單的每日對照表，就解決了這個問題。如果你有一個良好的日晷，你會發(fā)現(xiàn)上面刻有一個表格；查出日期，在顯示的時間上加或減去給定的時間，你就有了平均時。下次在你聽航運預(yù)報時，請注意時間是“格林尼治平均時間”。 |
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