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航海与时间

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干练水手

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发表于 2020-11-22 00:11 | 显示全部楼层 |阅读模式

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本帖最后由 小虫宁宁 于 2021-2-7 20:30 编辑

时间一直是人类想象力的产物。

当拿破仑将世界上第一个腕表戴在了约瑟芬的手腕上时,他所需要的是表达他对她的爱是永恒的——Perpetual。然而,示爱绝对不是时间得以问世的根本动因,真正促使人发明时间的却是本能,为了活下去的本能。

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约瑟芬皇后画像

时间的问世可以追溯到公元前4000年之前的美索不达米亚平原和古埃及。顺应天时是古代生活的主旋律。但是,埃及人测量的时间与当今钟表测量的时间不同。在当时的概念里,时间的基本单位是白天。人们将从日出到日落的时间分成十二等分,而并非像今天这样固定的时间长度。相反,白天的时长分段会顺应因季节的变化导致日照时间的长短而变化。当太阳落下,夜幕降临时,时间作为一种可衡量的概念则被黑暗有效地终止了。

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英国巨石阵的手绘水彩画

我们大多数人将时钟产生的时间视为时间本身。然而,时钟产生的时间最初是基于地球的完整公转(或更精确地说,是公转的平均值)而确定的。人类将该时段划分为24个相等的小时,每个时段分别为12小时(上午和下午),每小时分为60分钟,以及进一步将分钟分为几秒。使用时钟,人们可以比以往更大程度地计划组织自己的活动。而且,以数学方式测量时间的能力也为随后300年的科学革命铺平了道路。

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古老的波斯水钟

有意思的是,在此之前的古代,世界上第一个使用纵擒器水钟的国家是中国。大约在公元前一世纪,漏壶水钟从两河流域传入中国,据史记记载,从汉代开始,泄水型漏壶逐步被受水型漏壶取代,其特色是浮在受水壶水面上的漏箭,随水面上升指示时间。随后,又被称为“浑天仪”的纵擒器水钟作为一种天文仪器,由密宗僧人兼数学家一行和政府官梁令瓒建于长安。到了宋朝,该仪器的设计迎来重大革新,来自四川巴东的天文学家张思训大胆地将水银替代水来推动力轮,同时还可以“着日月象,皆取仰视”。

到了元佑七年,出身于闽南望族的苏颂时任刑部尚书,在考察了太史局之后,他决心要将浑仪、浑象和报时装置结合,这就是天文史记中著名的开封水运仪象台。水运仪象台是一个类似于天文台,高约12米,宽7米,上下分三层;上层是浑天仪(天体测量之用),中层是浑象仪(天体运行演示),下层是司辰(自动报时器),全程用水力推动,可精确报时,而这部仪器被称为是欧洲天文钟的直接祖先。

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位于中国国家天文台的水运仪象台

而到了元明之时,定时器结构形式又得到了突破性的变革。元初郭守敬、明初詹希元创制了「大明灯漏」与「五轮沙漏」,采用机械结构,并增添盘、针来指示时间,其机械的先进性便明显地显示出来,时间性益见准确。

至此,世界的计时驱动从流体动力变成机械动力。

时间伴随着不同的计时标准,滴滴答答地流淌到了14世纪,此时西方国家已在广泛使用机械钟。而到了十五世纪的某个时候,钟表匠开始使用弹簧来驱动钟表。根据伽利略1583年著名的等时性原理,形成了摆钟的理论基础。但是直到1657年,世界上第一个摆钟才算真正问世。

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世界上第一台摆钟

然而,尽管人类研发的各种机械技术改善了各种时间度量器的精准性能,时间最终的精确衡定标准依然取决于太阳。

到了十七世纪中叶,带有锚式擒纵机构的摆钟已经问世,并可以精确到每天十秒钟的时差。有了精确的时间机器,就可以测量太阳速度的变化。这也开启了世界科学革命的先河,因为人们开始有效地依靠机械时间生活。尽管对于绝大多数人来说,太阳依旧每天升起,但游戏规则已经反转,决定最终时间的变成了时钟。

精确化的时钟变革的意义不仅在于作为一种更为精准的时间度量器,还使人类对于地球更大范围的探索有了更加准确的安全保障。水手能够通过了解经度时间变化,从而确定他们在海上的位置。

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古代海图

对于较早期的地中海和北欧水手们来说,由于他们总是紧贴海岸线航行,因此可以使用称为portolans(港口指南)来进行导航,这些海图提供了近岸航行水手所需的详细信息,包括水深、岩石暗礁的位置、特殊地标等。然而,当你需要更远距离离岸航行时,海上定位则是一个始终绕不过的坎。直到15世纪,当哥伦布和阿梅里戈等探险家开始航行进入大洋时,他们同样面临着一个主要障碍:如何跟踪自己的位置。

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希帕求斯的手绘地图

部分答案是由来自公元前三世纪的希腊地理学家提供的。他们通过天文计算,先后在世界地图上绘制了纬线参考线和热带,随后又增加了东西向的纬度线。一个世纪后,希腊“方位天文学”之父希帕求斯(Hipparchus)根据巴比伦六进制的计数系统,通过等距离的经纬线,把地球呈现划分为井井有条的坐标格地图,并一直沿用至今。

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托勒密关于印度和亚洲的手绘地图部分

沿用希帕求斯的科学成果,希腊天文学家克劳迪乌斯·托勒密(Claudius Ptolemy)提出了著名的“托勒密定理”。托勒密创作了八本关于地理的书,据说还包括其亲自手绘的二十七张世界地图并流传后世。然而托勒密却犯了两个主要错误:一是对世界周长的估算仅为真实数字的四分之三,二是将亚洲和印度的位置向东延伸得太远了。

托勒密绝对没想想到的是,当时钟走到15世纪时,会有一位胆大心细脸皮厚的航海家手握他的地图,坚信他可以带领船队向西航行并抵达到印度群岛,然而结果却是他阴差阳错地发现了美洲大陆。

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哥伦布使用的海图

为了利用在地图上绘制的网格线,导航员必须有一种方法来确定船的纬度和经度,从而达到精准定位的目的。纬度并不是什么大问题。水手要做的就是测量中午的太阳高度,这个通过简单的几何计算即可以实现。而且早在中世纪,就可以用象限仪等天文仪器来测量太阳高度,而且精确度可以达到半度的水平。

但是,如何确定经度呢?第一个需要解决的问题就是船速。如果海上探险家知道他的行进速度,那么就可以计算每天的行驶距离,并以此来跟踪他的经度。为了避免磁偏角变化会带来的航向偏差,哥伦布船队发明了航位推测法。其中为了测算航行距离,水手们在一根长绳上打了很多结,并在船尾顺水流放下,通过计算一定时间内冲走的绳结个数来计算速度。于是“节”(Knot)便由此被用来表述船速,后来“海里”便变成了“节”的官方名称(1海里=1.852公里)。

有了海图和时钟的加持,水手在海上的航行愈发变得更有底气。为了追求更精确的海上定位和更快的航行速度,以此保证人类通过海上贸易获取的利益最大化,人们对时钟要求的精确度也变得更加苛刻。

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哈里森发明的H1航海钟

直到1759年,一个叫约翰·哈里森(John Harrison)的约克郡人在从英国到牙买加的往返旅程中测试了一个5.2英寸直径的时钟。 时钟在向外行驶时仅损失了五秒钟,对应的经度误差仅为一刻钟和四分之一海里。哈里森因此赢得了安妮女王(Queen Anne)奖。由此,能够更精确地测量时间的钟表为日不落帝国称霸海上世界的野心提供了定心丸,从此大航海时代发生革命性巨变——安全的长距离海上航行成为可能。

相对于现代,时钟在过去的年代是绝对的奢侈品。以前的钟表制造绝对是要有深厚的财力和资源支撑。而到今演变到今天的钟表,它除了具有更高的准确性,还具备更大的经济可负担性。后者的突破使钟表得以更广泛的应用普及。而这则源于两位法国人在1880年所做的观察。他们注意到,当对某些晶体(例如石英晶体)施加压力时,它们会以一定的高度振动恒定频率。随后的研究表明,使晶体经受交流电也会使它们振动。1881年,这两位法国人共同发表了关于石英与电气石中压电效应的精确测量报告。此现象的首次使用是在无线电的设计中,以提供恒定频率的广播波。

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欧洲首款面向消费者的石英钟“Astrochron”

基于这个发现,1927年,在加拿大的贝尔实验室,世界上第一个石英钟问世。通过石英的恒定振动代替了钟表的摆锤和其他各种机械振动装置。由于石英晶体每秒可以振动数百万次,因此,我们的时计所提供的基本时间单位已从秒(机械振荡装置所提供的单位)改变为小一百万倍的单位。这意味着我们的钟表已经发展到某种程度,时间终于摆脱了我们的时间观念起源的自然现象:地球的日常自转。石英钟的到来再次改变了时间的本质,1939年,格林威治天文台的机械调节钟被替换成石英钟。

忘了说,之前的那两个法国人之一叫做皮埃尔·居里(Pierre Curie)。对,居里夫人的居里。

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皮埃尔.居里(右)与哥哥雅克.居里(左)

科学发现总是具有历史颠覆性,而一个科学发现总是经常被另一个科学发现所颠覆。

1967年召开的国际计量大会宣布,一天不再是地球完成一次自转的时间,而是全世界27个同步原子钟走完的86400个原子秒。时间由此被重新定义。

原子钟是以原子共振频率为标准,使用电子转变能级时释放的精确微波讯号,来计算及保持时间的准确,因此它具有更高更准确的计时精度。当今的原子钟是以原子喷泉中冷原子的吸收光谱法作为基础的。作为世界上已知最准确的时间测量和频率标准,原子钟也是国际时间和频率转换的基准,用来控制电视广播和全球定位系统卫星的讯号。

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3D原子钟

而对于航海水手来说,海上安全航行的安全砝码也因为计时技术的进步而更具分量。尽管在学习航海基础知识时,海图是绕不过的必经之路,但在实际的操作中,水手们其实拥有丰富的选择。其中包括出镜率最高的由美国空军太空司令部运营的全球定位系统(GPS),还有不分秋色的俄罗斯航天集团的格洛纳斯系统(GLONASS)、欧洲导航卫星系统管理局(GNSS)、欧洲空间局的伽利略定位系统和中国国家航天局的北斗卫星导航系统。

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北斗卫星导航系统

作为曾经工作于中国国家航天局负责商业卫星发射业务的郭川,他取得的航海成就源于其自身关于世界的知识积累和思考,以及在这个深入学习基础上建立的强大信心和坚持大胆尝试。尽管郭川在我们生活中的物理性消失需要被作为事实接受,但但愿四年前那一滴坠入太平洋的水,能够激起更强大的涟漪效应。

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涟漪效应的3D透视

但愿在每一个扬帆出海的日子,在码头上能遇到更多的科学勇士与我们一起吹响出发的号角,而不是在人工搭建舞台上那一排排毫无生气的塑料唢呐;但愿我们能把时间更多地用于一起探讨关于海洋探索、保护生物多样性的批判性思考和创造性试错,而非用于阅读冠以蓝色之名而鼓吹的无附加值“砖家”报告;但愿每一个普通人都可以在一个更强调规范性安全的包容环境下笃定享受亲水运动给我们带来的乐趣和启迪,而非在一个因为认知不足所产生的法规高风险地带中徘徊不定;但愿关于航海的所有情怀,都能找到更持久的智慧支撑。

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时间的发明源于人类顺应天时农耕自足的本能,变革于人类远洋探索追风逐贵的冒险,发展于人类寻求保持主动不断突破的坚持。时间并不是人类的主人,时间只是我们探索星辰大海的线索与恒动力。

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