〔译〕远洋航行

海洋上充满了危险。风暴和汹涌的浪涛可能会倾覆你的船只；你可能会耗尽食物和淡水，或者船员们要遭受营养不良（在维生素C发现以前，患坏血病对于远航是很普遍的事情）；船只还可能搁浅或者撞到暗礁；强风会使船只驶入危险地带，或者更糟，在一个没有风的平静天气里，船只哪里也去不了。即使有幸能免遭自然的恶劣，你还要面对来自人类的敌意：海盗，叛乱，交战中的战斗人员。

然而，海员所面对的那么多挑战里最大的一个莫过于知道自己在哪里。

人类已有一万多年的航海史了。 航行工具从筏子到独木舟再到护卫舰和快速帆船（这还是在蒸汽船和电力航行发明以前）。不过大部分时间，海员们的航程都比较短，并且都是在已知的航线上活动。他们通常都紧贴着海岸线航行。欧洲和北美的贸易家们在地中海航行，或者穿越黑海。亚洲商人们则随着季风穿越印度洋。几乎没有任何人敢贸然闯入辽阔的大西洋和太平洋。

可能是要保证数月的物资供给，也可能是长途航行的不适感阻止了人们向大洋进发，但使人们不愿偏离陆地的最大原因是，在海上船只很快就会迷失方向，人们甚至都来不及修正方位。

今时今日，如下图所示，我们对地球的面貌早已了然于胸。

从一个高耸的有利位置看来，似乎全球旅行是件很容易的事情，而现实却不简单。比如从30米的上空——也就是相当于桅杆的高度——俯瞰的话，最远只能看到19公里处的地平线，这还是在晴朗明净的天气里。这意味着，在一片中等大小的海面甚至一个比较的湖里，船只很容易就会完全看不到任何陆地标志物。

你甚至都不知道何时抵达陆地

如果你想一探究竟，可以这样一试：在地图里定位到旧金山，直到缩放到像下图这样：

现在，在不拉远视图的情况下请将滚动视图到夏威夷岛。

怎么样，要费一阵工夫吧？这相当于你要航行3700㎞之远，而哪怕只是偏离16㎞，你就再也不能到达旧金山了，而是去了太平洋里的另一端。但愿有足够的物资与你同行，并且船员们也不反对你。

向各个方向望去也看不到任何陆地的踪影，只有一望无际的蓝色海水，唯一能安置目光的就剩下天空了。没有地标的辅助定位，海员们就只能靠天空里的标志物来辨别方向了。太阳，月亮和星星便提供了一个全球参考框架来帮助人们导航。

海员们参照这些天体来导航已经有上千年的历史了。太阳东升西落，月亮和星星们也都如此；北极星在夜晚里指向北方。罗盘（可能是中国在11世纪发明的）也被用来帮助指引方向（尽管罗盘的指针会因为靠近有磁性的金属或因为其自身的壳体而发生偏移，直到人类学会了校正这个偏差）。

光找对大方向还不够（有了大方向你当然能帮助你从东非航行到印度），你还要能在海岸的特定地点着陆才行。因此，更精确的导航是必要的。

另外，你还需要知道自己在海上所处的位置。这一点可以通过观星做到。一种最简单不过的方法是借助前文提到的北极星，由于它几乎总是位于北天极的方向（有1度偏差），因此一整年内，在北半球的任何地方都能看到它。由于它固定不动，而地球在旋转，北极星在夜晚的星空里任何时间都待在同样的位置，也就是说，你不但能借助它找到方向，还能判断出你离它的距离远近。

其原理是：假想你在地球北极，那么北极星就会位于你头顶正上方，要看到它，你需要向正上方天空的中心望去。如果你正在赤道上，北极星就在位于地平线上的方向了。假想你一夜间从北极旅行到赤道，那么你会看到北极星在逐渐下降，最终会到地平线。实际上，北极星在天空里的角度和你所在 纬度 是紧密相关的。如果你看到北极星位于地平线上方37度，那么你就在地球北纬37度的地方（当然，会有1度偏差，为了更精确，则需要考虑到当日在整年所处的时间和当前时刻在一天里的时间）。

如果你知道天空里其它任何星体在特定时间相对地球的位置，那么利用北极星辨别方向的原理对该星体也适用，只需要有对应的调整而已。比如，你可以观察当地区域正午时分太阳的最高点，并结合观察时刻在一年当中的时间来确定你的纬度。

这些方法的精确度有多高呢？1分钟（1°/60）纬度大约相当于1.6公里。 如果要到达一个点的视线范围内，例如大约16公里内，则需要在一个度数的1/6之内，或者少于两千分之一。

那么具体如何测量呢？最粗糙的工具是某种十字状的量具（cross-staff，有一种叫做「kamal」）。十字量具由两根呈十字状交叉并且可以调整的棍子组成。将其中一根棍子的一端对准地平线，然后移动另外一根棍子，直到其一端指向要观测的星体——或者指向太阳。背测式测天仪（十字量具的改进版）允许你通过瞄准影子来测量太阳的高度角而不用直视它。亚洲人曾使用过的kamal也类似，不过使用绳子和卡片而不是棍子来组成观测直角。其它工具包括水手使用的星盘（astrolabe，有圆形刻度盘，像量角器）。

因为各种限制因素，所有这些工具都很难达到精确的测量。最大的问题就是人必须在用一时间瞄准两个物体：地平线和天体。因此，使用者必须在握持并调整器具时保持器具稳定不动。想象在随着海浪中摇曳的甲板上操作这些器具会有多么困难。

解决方案有，用镜子能得到地平线和观测目标组成的图景。这类反射装置设计的顶峰是一种叫做「六分仪」的测量器具（之所以叫这个名字是因为它有60°的弦对弧角度，即六分之一圆周，由于镜子的反射效应，它最大能测量的高度角是120°）。根据设计不同，六分仪或者能将地平线和观察目标分列左右显示，或者将两者叠映显示。它有可以对角度进行微调的刻度盘和一个精密量具，使用者可以从中读取到精确单位为十分之一度的数值。 而且，它带有有色镜片，在瞄准太阳时能降低眩光。

在十八世纪三十年代六分仪发明出来后，领航员就能精确地确定纬度了。另一个问题来了，人们又是如何精确地确定经度呢？其实这个问题困扰了人们好几个世纪。

事实上，经度的确定是更棘手的问题。长期以来，水手们不得不通过“船位推测法”来估计经度。他们在船后部用绳子拖曳着圆木和船一起在水中航行，并定期观察从水中拉出了多长绳子来测算行船速度（他们会通过计算以相等间隔绑在绳子上的绳结的数量来测算速度） ，因此会用术语“结”来衡量航速）。用速度乘以时间即可得知航行距离。但是无法精确或连续地测量速度，并且由于在任何情况下测量的速度都只是 相对于水流的速度 ，这意味着强烈的水流可能会大大降低测量准度。 更糟糕的是，随着一系列的估算，错误会累积，并且在到达已知的地标以前，计算不能重置、校准，也无法验证测量结果。

船位推测法如此不可靠，以至于常见的导航方法是先到达所需的纬度（因为更容易地对其进行测量），然后简单地向东或向西航行直到到达目的地。显然，这不是最短和最快的航线，而且要依赖航行方向，因此可能有时不得不逆风航行。同样，它假设您至少知道自己是位于目的地的东边还是西边，尤其当你前往一个小岛时，这是很难确定的。 最后，虽然此方法可用于/找到/某个地点，但却难以/避免/危险区域，例如浅滩或礁石，这意味着沉船或搁浅难以避免。因此， 需要一种更好的方法。

而棘手的经度测量问题是如此重要，也如此令人恼火，以致于这变成了科学史上的一大挑战难题。政府时不时为解决该问题提供丰厚的奖励，其中就包括1714年《英国经度法案》设立的10,000英镑悬赏。这甚至被当时的诗人演唱，例如，摘自1660年题为“格雷沙姆学院的巴拉德（Ballad of Gresham College）”的一首诗 ”：

确定经度的难处在于，依照定义，地球沿经度旋转变化正好与经度的分布方向同步。也就是说，你在任何经度上观察到的天象——日落，或者头顶正上方的星体——和1小时前位于你正东向15°的人，或者1小时后位于你正西向15°的人看到的一模一样。为了确定经度，你必须知道你所的处地点和一个时间已知的参考点之间的 时间差 ，比如格林威治、英格兰（如今正位于本初子午线上，经度为0）。例如，如果你注意到本地正午时间正好是格林尼治标准时间的下午4点，那么你所在的经度就是格林威治以西四个小时或60度。 本地正午时间很容易确定：观察太阳移动，它在天空最高点的时候就是正午时间。 但是，如何在大洋中间 确切地 知道格林威治几点钟了？ 再说一遍，请记住我们所要求的精度：如果你的时间设定偏离了一分钟，那么经度上你会得到四分之一度的误差，但是距离上（在赤道附近）却会产生大约16英里的偏差，这足以使你错过目标而令你完全迷失在海上。

像确定纬度一样，最早确定经度也是通过天文手段。 我说过/几乎/你在天空中观察到的一切几乎都取决于时间和经度，但是也/并非完全如此/。 星体的上升和降落以及它们的高度角在这里是没有用的，但是其他事件可以用作全球的绝对参考时间点。

例如，月食对地球上所有的观测者而言都是同时发生的。如果你知道日食发生的确切时间，并且观察到了它，则可以使用它来确定格林尼治标准时间。由于月食罕有发生，利用月食-地月食-是不切实际的。但有更实用的方法：使用其它天体的月亮（卫星），尤其是木星的卫星。伽利略发现了木星的前四个卫星，他还发现它们进出木星的阴影足够频繁和可预测，因此人可以使用它们的月食作为一种绝对的天体时钟。 实际上，此方法曾用于在陆地上确定纬度，帮助提高了世界地图的准确性。 但在船上这个方法也是难以操作的，受制于观测木星所需望远镜的大小，并且在船起伏和滚动时很难将行星保持在视线范围内。

1700年代开发了一种不同的方法，它的观测对象还是月球，但不是观测月食。而是使用月球与太阳或某些已知恒星之间的精确角距离。月亮和地平线之间的角度取决于经度和时间，而天空中两个天体之间的角度则不然。月亮相对于太阳和恒星的位置改变足够快，因此它们间的角度可以用来推断时间。要做到这一点，需要提前一整年中对月亮的位置进行逐个小时精确的预测（因为探险之旅可能要持续数年才能最终返回家园）。直到几十年内进行了数以万计的仔细观察，并且直到牛顿的引力理论可以用于理解月球轨道上复杂而细微的变化（这不仅受地球影响，也受太阳和潮汐的影响）。这个成果终于在十八世纪诞生了。这些观测来自于从格林威治的天文台，这就是为什么今天本初子午线在那里的原有了。

所谓的月球观测法行之有效，但也并非没有缺点。 首先，月亮必须是可见的：云层可能会遮挡月亮，阻碍观测进行，平且在一个月的一部分时间里，月亮离太阳太近了。 其次，计算困难。 该方法的第一个版本需要四个小时才能完成，不过后来，预先计算的表格将其缩短到半个小时。 最后，考虑进影响观测的各种因素，数据还要进行许多调整，这可能会在计算中引入误差。

幸运的是，在月球观测法被提出的同时，另一种完全不同的思路创建了新的方法，该方法在概念和操作上更为简单，甚至在技术上也更为简单。

毕竟，如果您想知道现在几点了，那么你真正需要的只是一块手表。

一块质量上乘的表。 太好了，以致于它有一个特殊的名字：/航海精密记时计/，这只手表可以在远洋航行时使用，并且仍然能精确地保持时间。 借助精密计时器，可以将本地时间的任何观测结果立即与格林尼治标准时间进行比较，只需将此时差乘以15度/每小时，而不需再进行复杂的计算。

但是对精密记时计的要求很严格。 它必须能承受船舶在水上的摇晃和沉浮，因此不能基于摆锤装置制造。 鉴于离电子学的建立还有一个多世纪远，这意味着它必须基于发条。 当它在上发条时必须保持继续运转，这与某些发条手表不同，后者在缠绕时走针会停下来或向后跑。 当温度变化，它不能加快或减慢速度，这是一个普遍的问题，因为手表的金属零件在寒冷时会略微收缩而在热量中会膨胀。 而且它必须被很精确地调整，以保证在长达数月的漫长航海中，它的前后误差不会超过几秒钟。

这些问题被钟表匠约翰·哈里森（John Harrison）解决了。 哈里森接受过木匠训练，但由于对获得经度奖的梦想而激发了他追求钟表精确度和准确性的热情，并驱使他在几十年的时间里开发了一系列精密计时器的模型。 最初的型号就是一个钟表，体积大且笨重，但他的努力在1759年达到顶峰，最著名的是直径约五英寸的大型表，称为“ H4”（表示哈里森的第4个型号）。

精密计时器比起月球观测法有很多优点：该方法执行速度快，不需要专门技能来确定时间，可以在每月的任何时间和任何天气下执行，并且相对精确。 但是，它也有缺点。 最初的精密计时器很昂贵，不过其成本最终由跟随哈里森的工匠和工程师们降低了。 与月球不同，这些设备可能会破裂或失调。它们的发条必须每天被上紧而不能有任何闪失，并且在整个航行过程中都要被持续不断和恰当的维护，如果同步失调，他们将无法再重设校正。

幸运的是，月球观测法和精密计时器能很好地相辅相成，弥补了彼此的不足。 因此，最终的解决方案是同时使用这两种方法：将多个精密计时器带上船（如果可以的话）。 每当无法观测到月亮时，便可以转而借助精密计时器。如果需要的话，又可以用月球观测法来校准天文钟表并将其重置。

借助六分仪，月球观测法和海洋精密计时器，航海技艺得以完善。 现在可以精确而有时效地到达目的地，再加之发现了能消除坏血病的营养标准，这些创新使远洋航行比以往任何时候都更加安全。

拥有这些新工具和技术的航海国家在十八世纪和十九世纪派遣了探险家，以完成对从十五世纪就开始了的发现世界的伟业。 这些大胆的冒险家，例如著名的詹姆斯·库克船长，绘制了海岸线图，发现了包括夏威夷在内的岛屿。 他们绘制了自然港口图，并发现了新的航道。 他们冒着遭遇浅滩和礁石的危险（例如澳大利亚沿海的大堡礁），并在地图上标出这些危险，以便将来的船长避开这些地方。 他们绘制了世界季风图，他们发现海洋上的风向不是完全随机的，而是按纬度、海洋区域和一年当中的季节显示出规律的模式。 他们绘制了地球磁场分布图，发现了磁北和真北之间的磁偏角。

到十八世纪晚期，我们便拥有了一张在今天看来都十分容易辨认的世界地图：

在二十世纪，电子技术逐渐取代了这些方法，首先是无线电，然后是雷达，最后是GPS卫星导航。 但是，如今，作为一种实用的备用系统，大多数海军仍在教授这些方法，因其不依赖敏感的电子设备，在战时也不会被敌人阻塞或检测到。 100多年来，每位船长，船员和乘客多亏了天文学家、仪器制造商和探险家发明的这些方法才有了安全可靠的行驶航道。

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