頭頂星空，地上功利

盛　洪

格林尼治皇家觀象臺是一個(gè)漂亮的去處。當(dāng)我登上橫跨本初子午線的山坡時(shí),這里已是一片秋色。舉目望去,比鄰的海軍學(xué)院建筑典雅,風(fēng)景如畫。如今,天文觀測的功能已經(jīng)移到別處,皇家觀象臺成了一個(gè)有關(guān)天文和航海的博物館。

在博物館里,有一個(gè)關(guān)于如何確定經(jīng)度的展覽,其中最引人注目的就是幾個(gè)被稱為H-1,H-2,H-3和H-4的鐘表?！癏”代表了一個(gè)人,他叫約翰·哈里森。“H”即哈里森(Harrison)的第一個(gè)字母。這個(gè)人起初是一個(gè)普通的木匠,后來成為一個(gè)改變歷史的重要人物。我端詳著這幾塊鐘表,從說明文字中辨認(rèn)著歷史的信息,但在匆匆的參觀瀏覽中是無法全面了解的。幸好,我在博物館的書架上發(fā)現(xiàn)了這本書,Longitude: The True Story of a Lone Genius Who Solved the Greatest Scientific Problem of His Time(《經(jīng)度:一個(gè)解決了他的時(shí)代最重要的科學(xué)問題的孤獨(dú)天才的真實(shí)故事》),作者是戴娃·索貝爾 (Dava Sobel)。我讀著它,從倫敦回到了北京。

人類在陸地上活動了千萬年,一般從甲地到乙地不需要依靠經(jīng)緯度來認(rèn)路。只要靠兩地間的相對標(biāo)志,如地貌、景觀和建筑,就可以知道路如何走,還有多遠(yuǎn)等等。然而大海碧波萬頃,一望無垠,沒有任何憑借。雖然發(fā)明了指南針,知道航行的基本方向,卻不知道航行了多遠(yuǎn),以及在地球上的絕對位置。不過人們可以根據(jù)與太陽或北極星(在北半球)之間的斜角,知道自己究竟與赤道之間的夾角有多大,也就知道自己的緯度是多少。然而經(jīng)度就沒有這么幸運(yùn)了,因?yàn)闊o論人們處于什么樣的經(jīng)度上,太陽也是從東方升起,到西邊落下,不會給人們辨別經(jīng)度的任何憑借。

所以在早期,航海是一件極端冒險(xiǎn)的事情。有經(jīng)驗(yàn)的船長依靠對風(fēng)速、洋流、航行的大約時(shí)間、太陽和星月的位置,以及附近的島嶼和大陸的參照,來判斷航行的經(jīng)度位置。但這與其說是“判斷”,不如說是“猜測”。按照術(shù)語,這叫做dead reckoning。其中“dead”是由“deduced”演變而成,意為“推測”,該詞可譯為“航位推測法”;但“dead”又含有“死亡”之意,這一推測又與生死攸關(guān),我們又可以將這個(gè)詞譯為“死算”。它類似一種賭博,即按經(jīng)驗(yàn)來判斷船的位置與母港之間在東面或西面的距離。算對了,則平安無事,且大獲成功;算錯(cuò)了,可能要遭滅頂之災(zāi)。一七○七年十月二十二日大霧迷漫的夜里,一支英國艦隊(duì)在距英格蘭西南端二十英里左右的洋面上全部觸礁沉沒,兩千多名水兵葬身海底。這只是因?yàn)樵诖酥盀踉泼懿?艦隊(duì)失去了判斷經(jīng)度的最后一點(diǎn)依憑,艦隊(duì)指揮官做出了最錯(cuò)誤的“死算”。

在此之前,有記載的“死算”失誤不下數(shù)百起。只是這次海難發(fā)生的地點(diǎn)距英格蘭本土如此之近,損失如此慘重,令英國朝野上下非常震驚。一七一四年,在大量海員和商人的請?jiān)赶?英國議會通過了“經(jīng)度法案”,懸賞兩萬英鎊給解決經(jīng)度定位問題的人。按一八二一年一英鎊兌換七點(diǎn)三克黃金計(jì)算,當(dāng)時(shí)的這兩萬英鎊相當(dāng)于今天的四百八十萬美元。重賞之下,激起了各路人馬的競爭。

其中有兩路人馬最有希望。一路人馬是身居皇家科學(xué)院高位的天文學(xué)家和數(shù)學(xué)家。其中包括牛頓和哈雷。他們企圖通過月亮和星星的相對位置的變化來確定地上經(jīng)度,這種方法最早是由十六世紀(jì)的德國天文學(xué)家沃納提出來的,稱為“月距法”(moon distance method)。為此他們花了大量時(shí)間觀測天體,確定了月亮運(yùn)行的軌道,并記錄下了數(shù)千顆星星的位置。他們設(shè)想,只要將這些天體位置和軌道畫在一套航海圖上,海員就可以依據(jù)圖上月亮與特定星星的相對距離來判斷經(jīng)度。在幾代皇家天文學(xué)家的努力下,這一思路取得了部分的成功。一個(gè)叫馬耶爾的德國人創(chuàng)造了一套“月表”,其中標(biāo)明月亮在十二小時(shí)內(nèi)的不同位置,及其與星星和太陽的相對位置。使用這套“月表”會在理論上使經(jīng)度的定位誤差不超過半度。這種方式受到了當(dāng)時(shí)英國的皇家天文學(xué)家伯萊德雷的贊賞,后來馬耶爾的遺孀獲得了英國經(jīng)度委員會獎(jiǎng)勵(lì)的三千英鎊。然而在實(shí)踐中,由于船在海中顛簸,海員的觀察誤差,使得這種方法使用起來相當(dāng)復(fù)雜,以致并不能解決實(shí)戰(zhàn)問題。這條路似乎走不通。

另一條思路就是利用時(shí)間定位。比起“月距法”,這種思路簡單多了。繞地球一周是三百六十度,地球自轉(zhuǎn)一圈要二十四小時(shí)。在地球東西向的不同位置上,都有著自己的“本地時(shí)間”,并且可以簡單地確定,即將正午太陽當(dāng)頭時(shí)確定為中午十二點(diǎn)。不同的本地時(shí)間之間構(gòu)成時(shí)差。一定的時(shí)差對應(yīng)著一定的距離。一小時(shí)的時(shí)差相當(dāng)于十五度;一度相當(dāng)于四分鐘時(shí)差,在赤道上大約是一百一十一公里。假設(shè)船上有一只走得很準(zhǔn)的鐘,這只鐘按港口當(dāng)?shù)貢r(shí)間對好。在航行了一段時(shí)間以后,在正午時(shí)再看一下這只鐘,如果這時(shí)的時(shí)間是下午二點(diǎn),說明這時(shí)船處于港口東面時(shí)差為兩小時(shí)即三十度的地方;如果是下午一點(diǎn)三十八分四十五秒,也可以計(jì)算出兩地相差二十四點(diǎn)六八七五度。這種方法,可以在海上的任何地點(diǎn)確定經(jīng)度。

思路雖然簡單,但在當(dāng)時(shí)造出這樣一只鐘來很不容易。由于不同的海域有著不同的溫度、濕度和地心引力,會使鐘擺的長度發(fā)生變化,或直接使其擺動周期的時(shí)間發(fā)生變化,以至于不能準(zhǔn)確計(jì)時(shí)。而按照英國的經(jīng)度法案,只有在任何一次航行中經(jīng)度誤差不超過半度才能獲得全部兩萬英鎊的獎(jiǎng)金。這意味著時(shí)間誤差不能超過兩分鐘,若按四十天一個(gè)航行周期來算,二十四小時(shí)的誤差不能超過三秒鐘。這路人馬也遭受了不少挫折。早在十七世紀(jì),就有人采用了螺旋平衡發(fā)條,改進(jìn)了用來在海上確定經(jīng)度的鐘。來自荷蘭的克萊斯坦·惠更斯和英國科學(xué)家羅伯特·胡克都聲稱自己擁有發(fā)明權(quán),但最終都因誰也沒有制造出真正實(shí)用的鐘表而作罷。

由于兩路人馬的挫折,當(dāng)時(shí)人們普遍認(rèn)為“確定經(jīng)度”與創(chuàng)造出“永動機(jī)”和“靈丹妙藥”一樣不可能實(shí)現(xiàn)。但在這時(shí),出了一個(gè)約翰·哈里森。由于他的家鄉(xiāng)約克郡與英格蘭第三大港口胡爾相距只有五英里,所以他可能很早就知道經(jīng)度問題。最開始他利用自己精湛的木匠手藝做過兩個(gè)木制鐘,后來就成為專門的鐘表工匠。當(dāng)他知道經(jīng)度獎(jiǎng)金的事情后,就決心制造出一只能夠在海上準(zhǔn)確定位的時(shí)鐘。他于一七三○年移居倫敦,花了五年時(shí)間造出了第一只航海鐘,他在上面刻上“H-1”。在驗(yàn)證準(zhǔn)確度的試航中,H-1大獲成功。但哈里森沒有接受經(jīng)度獎(jiǎng)金,因?yàn)樗J(rèn)為還需要完善。不想此后經(jīng)歷相當(dāng)長的時(shí)間以及各種曲折,直到一七六四年,哈里森制造的H-4被確認(rèn)具有比經(jīng)度法案的要求還高三倍的精確度,即確定經(jīng)度誤差不超過十英里后,才被經(jīng)度委員會同意有條件地獲得兩萬英鎊獎(jiǎng)金的一半; 而他拿到另一半,則又拖到了一七七三年,那時(shí)他造出了“H-5”,并得到國王和議會的支持。

一旦證明哈里森的鐘表準(zhǔn)確得可以確定經(jīng)度,英國就大批量地生產(chǎn),并迅速裝備了英國商船和海軍。到一七八○年,一只天文鐘(chronometer)的價(jià)格下降到六十五到八十英鎊。英國東印度公司要求每只船裝備一到兩只天文鐘。英國海軍在樸次茅斯港的海軍學(xué)院設(shè)立了一個(gè)天文鐘的儲備室,每個(gè)出港的軍艦艦長都可以要求配備一只天文鐘。后來經(jīng)度委員會于一八二八年解散,海軍立即接替了它的職責(zé),監(jiān)督測試和配備天文鐘。到一八六○年,英國海軍擁有兩百多艘艦船,六百多只天文鐘。

“H-3”與其兄長一樣,還是個(gè)較大的方盒子;“H-4”的體積就變得很小了,它比一塊懷表略大,握在手里,就可以確定經(jīng)度。與蒸汽機(jī)相比,“H-4”就更顯得微乎其微。也許歷史學(xué)家們也對體積敏感。在近代史的教科書中,工業(yè)革命和英國稱霸的歷史里,蒸汽機(jī)占盡風(fēng)頭。蒸汽機(jī)提供了替代人的體力的動力,無論是在煤礦抽水,還是帶動紡織機(jī);無論是驅(qū)動火車,還是讓軍艦遠(yuǎn)航。但信息至少與動力同樣重要,尤其是有關(guān)空間和時(shí)間的信息。工業(yè)化依賴大規(guī)模需求,就要開拓世界市場,商船就要準(zhǔn)確地找到海上航線和港口;帝國就要在海上稱雄,就要將海軍迅速投放到海上任何一個(gè)地點(diǎn)。只靠蒸汽機(jī)的動力,一只船是到不了指定的海上位置的。因此,小小航海鐘表的歷史作用,一點(diǎn)也不亞于蒸汽機(jī)。格林尼治博物館的解說詞中說,是哈里森及其制造的天文鐘成就了英國近代以來的經(jīng)濟(jì)繁榮和帝國霸權(quán)。此言不虛。

其實(shí)不只是英國意識到了確定經(jīng)度的重要性。當(dāng)時(shí)的海洋大國,如法國、荷蘭、西班牙和葡萄牙等國的政府很早就意識到確定經(jīng)度的重要性。在十六世紀(jì),西班牙國王菲利普二世為經(jīng)度定位技術(shù)懸賞一千金克朗;荷蘭政府的賞金則為十萬弗羅林(諾思:《西方世界的興起》,華夏出版社一九九九年版,8頁)。在十七世紀(jì)下半葉,法國國王路易十四批準(zhǔn)建立巴黎觀象臺,以解決經(jīng)度問題。格林尼治觀象臺就是在這樣的背景下建立起來的?？梢哉f,在當(dāng)時(shí)的歐洲,有著一場搶先發(fā)現(xiàn)確定經(jīng)度方法的競爭。各國的獎(jiǎng)金都不僅適用于本國人。法國人曾經(jīng)出價(jià)五百英鎊,想私下看一看H-4,但被哈里森拒絕了。

由于哈里森的技藝和愛國心,英國是這場競爭的優(yōu)勝者。這不僅僅是一個(gè)榮譽(yù),而是實(shí)實(shí)在在的利益和實(shí)力。這又反映在本初子午線的確定上。地球繞南北向的軸心從西向東轉(zhuǎn)動,赤道和南北回歸線都是自然法則決定的。但東西向卻沒有這樣的特殊的線。本初子午線,即經(jīng)度為零度的線劃在哪兒都行。在較早的地圖版本中,本初子午線曾被畫在羅馬、巴黎、哥本哈根、耶路撒冷、彼得堡和費(fèi)城等地。最終落在格林尼治,不僅是因?yàn)橛俗钤缃鉀Q了經(jīng)度定位問題,而且是因此成為世界貿(mào)易的中心,成為一個(gè)“日不落”帝國。正如本書作者戴娃·索貝爾所說:“本初子午線的定位純粹是一個(gè)政治決定?！?/p>

當(dāng)培根說,“Knowledge is power”時(shí),power 一詞有著多種含義。一是指“力量”,一是指“暴力”,一是指“權(quán)力”,一是指“國際霸權(quán)”。中國人往往善意地理解為“力量”,但從培根本人的帝國主義想來看,他至少是一語多關(guān)。反過來,這也反映了知識乃至科學(xué)的赤裸裸的功利主義色彩。我們不否認(rèn)不少科學(xué)家懷著對大自然的好奇心去探究“科學(xué)真理”,但經(jīng)度的故事告訴我們,至少在這一段歷史中對天文的探究,最大的推動力來自對地上利益的追逐。

有趣的是,雖然在與哈里森的競爭中,堅(jiān)持“月距法”的一派失敗了,但他們卻獲得了比哈里森更輝煌的科學(xué)成就,即使天文學(xué)甚至相關(guān)的數(shù)學(xué)方法向前大跨步地邁進(jìn)了。在幾個(gè)世紀(jì)的時(shí)間里,那些在科學(xué)史中赫赫有名的天文學(xué)家、數(shù)學(xué)家和物理學(xué)家們,如伽利略、牛頓、哈雷和歐拉等,都直接或間接地為探索經(jīng)度定位做出過努力和貢獻(xiàn)。伽利略觀察和研究天體運(yùn)動,用數(shù)學(xué)去描述這些運(yùn)動,并實(shí)際地將天體運(yùn)動現(xiàn)象用于對經(jīng)度的測定; 牛頓發(fā)現(xiàn)的萬有引力可以更好地理解和預(yù)測月亮的運(yùn)行;歐拉則推導(dǎo)出了太陽、地球和月亮的運(yùn)行方程;哈雷作為準(zhǔn)確預(yù)測彗星回歸的人,不僅親自到南大西洋觀察星空,在身居皇家天文學(xué)家高位時(shí),還直接支持了“月距法”路線。經(jīng)過格林尼治觀象臺和其他類似的觀象臺及觀測點(diǎn)無數(shù)個(gè)寂靜夜晚的觀測,人類對頭頂星空有了進(jìn)一步詳細(xì)的了解。就如一個(gè)農(nóng)夫臨死前告訴幾個(gè)兒子自家地下有黃金一樣,兒子們雖然沒有找到黃金,但因翻耕了土地,而使莊稼茂盛;對“月距法”的探索,即使沒有直接形成天文學(xué)理論,也至少為這些天文學(xué)家提供了思考素材,啟發(fā)了他們理論創(chuàng)新的靈感。

當(dāng)然,這種通過觀測天空而帶來的“地上利益”也很特殊。如果一只商船能夠準(zhǔn)確定位經(jīng)度,帶來的只是它自己海外貿(mào)易成功率的提高。與蒸汽機(jī)相比,如何確定經(jīng)度是一種公共知識,對它的探究不適用于專利法。經(jīng)度和緯度一起,構(gòu)成了對地球本身的度量單位。如同其他度量衡一樣,這不僅是一種公共知識,還是一種標(biāo)準(zhǔn)制度。沒有標(biāo)準(zhǔn)的度量衡,就沒有繁榮的市場,因?yàn)榻灰纂p方都要以同一度量衡單位進(jìn)行買賣;也就沒有貨幣,因?yàn)樨泿藕茉缇捅憩F(xiàn)為標(biāo)準(zhǔn)重量的金屬;也就沒有政府,因?yàn)檎囈跃S持的稅收表現(xiàn)為一定量的貨幣或?qū)嵨?。同?如果沒有準(zhǔn)確的經(jīng)緯度定位,兩國間的領(lǐng)土及領(lǐng)海就沒有準(zhǔn)確的分界,商業(yè)交易的交貨時(shí)間和地點(diǎn)就會模糊,人類之間交往的各種活動就可能互相錯(cuò)過。有關(guān)經(jīng)度定位的知識具有某種網(wǎng)絡(luò)外部性,即知道經(jīng)度定位技術(shù)的人越多,已經(jīng)掌握這種技術(shù)的人越受益。當(dāng)然,這種公共知識也可以首先在一個(gè)有限的政治范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)。這就是現(xiàn)代民族國家。因而,對經(jīng)度定位探索的激勵(lì)可以來自一個(gè)國家的政府,如英國政府。

用制度經(jīng)濟(jì)學(xué)研究歷史的諾思教授很關(guān)注這段故事,把它當(dāng)做用獎(jiǎng)勵(lì)制度激勵(lì)科學(xué)技術(shù)發(fā)明的一個(gè)典范。當(dāng)然,他假定經(jīng)度定位技術(shù)是一種公共物品。他說這種發(fā)明能否出現(xiàn),取決于“有沒有所有權(quán)來保證發(fā)明者收入因節(jié)省了輪船(損失)和時(shí)間而增加”(8頁)。然而,較細(xì)地辨析,哈里森的天文鐘表也可以成為私人物品,只是英國政府支付了獎(jiǎng)金,就相當(dāng)于將專利權(quán)變成公共物品。此后不少人仿照哈里森鐘表大批量地生產(chǎn),只是當(dāng)他們發(fā)明了新的結(jié)構(gòu)和零件后才申請了相關(guān)專利權(quán)。這使得用于航海的天文鐘因免去了專利費(fèi)而相對便宜。又由于競爭,由于生產(chǎn)規(guī)模的增大,成本迅速下降。這為天文鐘首先在英國迅速普及鋪平了道路。反過來,英國政府因天文鐘的普及而使英國在海上占有優(yōu)勢,早就回收了為此支付的獎(jiǎng)金。

戴娃·索貝爾這本關(guān)于經(jīng)度的故事之所以引人入勝,就因?yàn)樗鼘⑦^去被主流歷史觀嚴(yán)重忽略的經(jīng)度定位技術(shù)做了公正的重新評價(jià)。同樣被低估的是現(xiàn)代民族國家以及它們之間的競爭對科學(xué)的影響。默頓在《十七世紀(jì)英國的科學(xué)、技術(shù)與社會》中提出,英國科學(xué)的動力之一來源于新教精神,科學(xué)探索是“贊頌上帝”的可貴努力。然而他也注意到,這些受人尊敬的科學(xué)家們大都投入到民族國家的奮斗之中。“當(dāng)時(shí)天文學(xué)家無疑被發(fā)現(xiàn)一種確定經(jīng)度(尤其是在海上)的滿意方法所能帶來的實(shí)際利益完全吸引住了?！?該書由四川人民出版社一九八六年出版,253頁)除此之外,這些人又直接關(guān)注民族國家的興盛,以及直接相關(guān)的軍事技術(shù)問題。

在上述關(guān)注經(jīng)度的人中,伽利略也很關(guān)注射彈的理論,他與佛羅倫薩的兵工廠關(guān)系密切;胡克通過研究子彈的下落發(fā)展了自由落體的理論,并在英國皇家學(xué)會中表演了多次;哈雷研究了炮彈的運(yùn)動,也強(qiáng)調(diào)火藥的經(jīng)濟(jì)學(xué),他還像一個(gè)民族主義政治家那樣宣稱,英國“必須成為海洋的主人”(前引書,292頁);牛頓第三定律,即作用與反作用原理,“不僅是力學(xué)中的一個(gè)基本定律,也是理解炮術(shù)中的反沖現(xiàn)象所必需”(前引書,294頁)。

終于,我們看到了與科普書籍中諸如“蘋果砸到牛頓腦袋”不同的故事,這些科學(xué)家還從國家利益和金錢中獲得靈感?？茖W(xué)不僅不那么“純潔”,而且是近代以來社會達(dá)爾文主義努力不可或缺的一部分。只是因?yàn)榉止げ煌?以及實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離殺人,科學(xué)家們才沒有直接被他們發(fā)明出來的炮彈濺一身血。但性質(zhì)是完全一樣的。當(dāng)然,在民族國家競爭的國際叢林中,科學(xué)家們只是制度中人,他們按照游戲規(guī)則玩,并不是他們的錯(cuò)。但作為靜觀歷史的人,我們既要肯定一些用于戰(zhàn)爭的技術(shù)對人類發(fā)展也有積極作用,又不應(yīng)該用美化的“神圣科學(xué)”去掩飾民族國家暴力競爭之丑惡。

經(jīng)度問題的解決與瓦特改進(jìn)蒸汽機(jī)的時(shí)間非常相近。我們可以想象,這兩項(xiàng)重大的技術(shù)突破為當(dāng)時(shí)的英國插上了一對翅膀。其后的世界天翻地覆。有增長,有奮進(jìn),有凱旋,有擴(kuò)張,有流血,有罪惡。無論帶來了什么后果,哈里森的鐘表只是優(yōu)雅而沉靜地躺在格林尼治的博物館里。

(Longitude: The True Story of a Lone Genius Who Solved the Greatest Scientific Problem of His Time,Dava Sobel(戴娃·索貝爾)。中譯本:《經(jīng)度:一個(gè)孤獨(dú)的天才解決他所處時(shí)代的最大難題的真實(shí)故事》,肖明波譯,上海人民出版社二○○七年版,20.00元)