寻找经度

2021年2月13日发(作者：城市矿产)

时间是什么？没人问我，我很清楚；

一旦问起，我便茫然

——

圣奥古斯丁《忏悔录》

寻找经度（上）

——

英国格林尼治天文台

碧声

故事的起点不是星空，而是海洋。

古 希腊和罗马的灿烂文明沉寂之后，欧洲进入了长达一千年的黑暗时代。在这期间，波斯、阿拉伯和印度

< p>
的科学家们继续发展着数学和天文学，用精美的仪器进行观测，绘制当时最精确的星表。欧洲人则只 是孜

孜以求上天堂的办法，对天空的运动规律漠不关心

——

或者被禁止关心。但是，文艺复兴使欧洲

“

重新发

现

”

了科学，滋长出宗教裁判再 怎么残酷也不能完全根除的好奇心，而科学

“

有用

”

的一面，也会逼迫人们

去努力。

< br>

大航海时代

既然知 道地球是一个球体，以经、纬度来确定地球上任一点的位置，是很自然的，有关概念在托勒密

时代就建立得很完善了。纬度的界定比较容易，因为在近几千年里，地球自转轴的北极始终指

向一颗普通的二等星

——

小 熊座

α

，中文名北辰，另有一个更著名的称呼：北极星。从地面 上看来，北极

星总是处于北方的天空。站在北极，它就在头顶；站在赤道，它就在非常靠 近地平线的地方。因此，在北

半球，北极星与地平线的夹角就是观察者所处的纬度。（当 然，目前北极星的方向与地球的自转轴并不完

全重合，还略有一点差异。而且地球自转轴 本身会有摆动，因此北极星的位置并不总会是小熊座

α

，所谓< /p>

皇帝轮流做，隔几千年就会轮到另一颗星头上。）

经度没 有这样现成的参照物可用。零纬度自然是在赤道，无可蹉商。零经度却是可以随便定义的，并

没有哪条子午线特别一些。航海者把出发点或某个大城市定义为零经度，测出自己与零经度线之间的经度

差，

再加上纬度的数据，

就能确定自己的位 置。

然而，

茫茫大海比不得陆地，

这个 经度差怎么确定？而且，

1

在陆地 上搞错方向不过是迷途而已，只要不是在沙漠等险恶地带就好办，在海上犯这种错误的结果，很可

能是触礁、迷航、全体船员葬身鱼腹。中国人引起为傲的指南针是航海的重要工具，但它并不能解决经度

问题。

经度的困扰，

使当时的航海术受到很 大限制。

船只通常是沿着海岸线行驶，

到达自己想要的纬度之后 ，

再沿着纬度圈行驶，直到遇见陆地，然后再沿岸航行前往目的地。航海者不能准确地知 道自

己已经走了多远，只能依靠船速进行估算，辅以浪高、海 水含盐量、漂浮物等因素，偶尔能借助一下月食

这类不常发生的天象，其中的危险不问而 知。这种在后人看起来可怕得惊人的方法，是许多世纪以来的航

海模式，哥伦布就是这样 发现新大陆的。

1530

年，荷兰天文学家杰马·弗 里西斯（

Gemma

Frisius

）提出“以时间确定经度”的原理。

每

24

小时，地球自转一圈，即

360

度。那么，

12

小时相当于

180

度，< /p>

1

小时相当于

15

度，

4

分

钟相当于

< br>1

度。也就是说，经度差可以用当地时间的差别来衡量，这也是某种程度的“时间 即是

空间”吧。弗里西斯说，只要带上一只走得非常准确的钟，用来记录出发点的当地时 间（不是当

代用时区标度的实用时间，而是地球上的那一点唯一对应的天文时间）；同时 用其它方法准确测

量目前所在地的的当地时间，两个时间之差就是两地之间的经度差。然 而，在那个时代，一方面

没有走得很准确（更不要说在船上）的钟，另一方面也很难精确 测定当地时间，这一方法长时间

只能停留在理论上。

2

时间即是空间。北京与格林尼治的经度相差

< br>116

度，也就是说，北京的正午要

< br>比格林尼治早到约

8

个小时。

此时，航海活动越来越频繁，西欧各国开始抢占海上交通要道 、掠夺海外殖民地。航海术的优劣，直

接影响到海上霸主地位的归属，寻找经度成为了关 乎国家命运的重大问题。格林尼治天文台，就是为了经

度而建造起来的，尽管它后来在相 当长时间里超越了这一原始目标，担负着英国最重要天文学研究机构的

使命。

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给我画一张星表

166 0

年，流亡

15

年的查理二世回到英国 ，戴上了他那被砍头的父亲留下的王冠。他对海军和海上贸易非

常重视，也迫切想找到经 度问题的答案。

1674

年，一位法国人通过查理二世的情妇向 国王建议，可以通过月亮

相对于恒星的运动来确定经度。查理二世的亲信顾问拿这个主意 去求教于著名天文学家约翰

·

弗拉姆斯提德

（

John Flamsteed

），得到的答复是，由于 缺乏精确的星表和月亮位置的图表，这方法根本不可行。查理二世当

即决定：好，那么你 来给我画一张！于是拨款建造一座天文台，并任命弗拉姆斯提德为第一任台长，称

“

皇家天

文学家

”

（

Astronomer Royal

）

。

第一任台长弗拉姆斯提德

天文台的选址确定为格林尼治，因为这里有一座小山，地势稍高，离市中心较远，不易受到空 气污染

的干扰。同时，它又靠近泰晤士河，并非偏僻。奠基仪式于

1675

年

8

月

10

日下午

3

点

< br>14

分举行，弗拉

3

姆斯提德甚至为这个时刻画了一张天宫图

——

在那个时代，

天文学与占星术还很亲密

——

研究天文台未来

是否会成功。当然，他和他的同事并非真的相信这种超自然的东西， 因为他在天宫图的注解中写道：

“

我

亲 爱的朋友们，你们能忍住不笑吗？

”

Flamsteed House

天文台由另一位天文学家克里斯托 弗

·

任恩

（

C hristoper Wren

）

设计，

共分三层。

厨房和洗衣房在地下，

会客室、书房、餐厅和卧室 在一楼，再上面是八角形的观星室。这座最早建成的主体建筑，称为

“

< br>弗拉姆

斯提德之宅

”

（

Flamsteed House

）。砌墙的砖头主要来自提尔布里要塞 （

Tilbury Fort,

，位于泰晤士河入海

< p>
口附近），木头和金属拆自伦敦塔一座废弃的门房，建筑所需的资金则是卖掉一些陈旧的火药所得。 后来

举世闻名的格林尼治天文台，

竟然是这样以捡破烂的方式造 起来的，

因为查理二世并不打算在上面多花钱，

要求全部费用不 超过

500

镑。

1675

年圣诞节前夕，

外部结构完成，

次年

< p>
7

月

10

日弗拉姆斯提德 与两名仆

人迁入，

工程总耗资

520

英镑多一点儿。台长的工资是每年

10 0

英镑，这在当时还算优厚，不过所有观

测仪器都要自己解决。

4

八角观星室

从这个 八角形的房间里，能够观察到大部分的天区，其建筑结构也适宜于放置十七世纪那种特别长的

折射式望远镜。除了望远镜和一个用来测天体高度的象限仪，房间里最重要的工具就是两只摆钟。在寻找

测量经度的方法之前，必须先确定地球的确是以均匀速度自转的。为此，

“

英国钟表业之父

”

托马斯

·

托姆皮

恩（

Tho mas Tompion

）为天文台特制了两只摆长

13

英尺（将近

4

米）的钟，精确到每年只差两秒 。弗拉

姆斯提德借助它们发现，在当时的观测技术下，地球确实在匀速自转。事实上，地 球自转中微小的不规律

性是到

20

世纪

30

年代石英钟表问世之后才被发现的。

本初子午线

接下来 的工作是画一张精准的天空星图，为此必须把望远镜固定架设在一条子午线（或纬线也可以）

上，

记录星星出现在子午线上方的时间。

在同一条子午线上 作数千次观测，

将不同时间的数据对比、

融合，

就能画出较准确的星图。但是，任恩设计的天文台是在一座塔楼的地基上造起来的，朝向稍微有点偏西，

并非正对着子午线方向。弗拉姆斯提德于是弃八角房间不用，在花园里造了一个小棚子， 装上可以开合的

屋顶，在砖墙上标出自己的子午线，此后

43< /p>

年如一日地在伦敦清冷的空气里观察星星位置的变迁。

弗拉姆 斯提德于

1719

年去世，次年，天文学家埃德蒙

·

哈雷（

Edmond Halley

）成为第二任台长。他发

现，画着子午线的砖墙有点下沉，就在东侧造了一座 新的子午线墙，并增设两架象限仪。此后，天文台每

5

增添一架固定望远镜，就在东边再添一个新房间，观测所用的子午线也因此东移一点儿。今天 的游客从八

角房间里下来，穿过小花园，走进自西向东排列的子午线房间，可以先后看到 弗拉姆斯提德、哈雷、布拉

德利（

James Bradley,

第三任台长）、艾利（

George Biddell Airy

，第七任台长）的四条子午线

——< /p>

艾利的

子午线就是

1884

年被确定为国际本初子午线、一直沿用直今的那一条。

第三任 台长布拉德利堪称史上最精确的观察者之一。他首先发现了

“

光 行差

”

，即由于地球绕太阳转动

而导致 观察到的恒星位置在一年不同的时间里不太一样的现象，

这一发现使天体观测的精度达到 了新的水

平。他还发现，因经过格林尼治的天顶而备受该天文台观测者青睐的天龙座

γ

星，其位置在

3

天之内会变

动

1

弧秒之多，

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这是光行差无法解释的。

最终，

他确认这是月亮引 力导致地球自转轴进行圆锥式摆动所致，

称为

“

章动

”

，其周期接近

19

年。

1749

年，英国军需部拨给布拉德 利一笔钱，让他造自己的观察站。于是，他在哈雷的房间左边建了一

个新的观测室，确定 了自己的子午线并架设观察仪器。巴黎天文台和格林尼治天文台合作首次测量两台之

间距 离时，英国方面的基准就是布拉德利的子午线。它还是

1801

年元旦英国国家地图测绘机构

Ordnance

Survey

出版的第一张地图的基准，并作为英国官方的本初子午线沿用至

1850

年，直至艾利设置了新的子

午线。今天，

Ordnance Survey

出版的地图仍以布拉德利子午线为本初子午线。

在国际 本初子午线诞生之前，各国出版的地图都以自己的首都或主要天文台所在经度为零经度点，这

其中的感情因素当然很可以理解。航海家们有时候还喜欢另搞一套，以某次航行的起点为零经度点，给出

“

好望角东

26

度

32

分

”

这样 的滑稽数据。

1634

年，法国的里舍利厄大主教在巴黎举行会 议，以加纳利群岛

为本初子午线所在地，与托勒密当年的设定相同。后来，英国击败了荷 兰和西班牙，成为新的海上第一强

国，

所出版的航海历广为流传 ，

其中所用的格林尼治子午线也逐渐成为实际的标准，

被大多数 航海家接受。

1884

年

10

月，在华盛顿举行的国际子午线会议决定，以格林尼治天文台的艾利子午线作为国际本初子午

线（

PrimeMeridian

）。

6