时间与经纬度的测量


文/左文文

     清朝康熙、雍正、乾隆时期,政府开始派人在各地实测,绘制全国和各地地图。在中国学者和西方传教士的共同努力下,制作出堪称世界高水平的地图。西方传教士带来了三角测量法,即在地面上选择一些点,构成一系列连续三角形,在一些已知点观察所在三角形的顶角。在精确测定始边长后,以此为基准,来推算三角形的其他边长,进而推算其他点的经纬坐标。
   但是,如果要完成经纬坐标的推算,首先至少得知道一些点的经纬坐标,历史事实是当时一些传教士已经测定了凉州、热河和广州等的经纬坐标。不禁让人好奇这些经纬坐标是如何测定的呢?
   另一个类似问题是,以前没有高科技通信定位手段,航海家在辽阔海面上是如何知道方向、经度和纬度的呢?虽然有中国人的四大发明之一指南针可以派上用场,北极星也能给北半球海上的人提供方向,但显然只有这些还不够。
   一个地方的经度与纬度值的确定,都需要两个量:基准值(零点),所在地的测量值与基准值之间的差异。
  
纬度的测量
   对于纬度,基准面是赤道,它的纬度被定为0度。如果想知道地球上某点的纬度,就假想将该点与地球中心相连,连线与赤道圈的夹角就是该点的纬度。在北半球,某地的纬度可通过看北极星的视线方向与水平方向所成的夹角简单估算。除了北极星,一些有经验的人还能借助太阳的高度来测出纬度。传说,船长们为了判断方位而经常要用单眼正视太阳,久而久之,一只眼睛被烧伤了,不得不戴上了眼罩,敢情那些电影中经常出现的“独眼龙”船长形象不是战争带来的伤害。
  
经度的测量
   而相比于纬度,经度的确定就更复杂。主要因为零点确定之后,所在地的测量值与零点间的差异无法再用看天体直接确定。地球每24小时自转一圈(360度),每小时相当于自转15度。经度相差15度,时间就相差了1小时。每个地方都有自己的一套时间标准,即当地平太阳时。如果知道两个地方当地平太阳时之间的差别,就能知道两地的经度差。
   问题就变成了如何知道两地的时间差。按照今天的思维,这个问题太简单了。只要两地能彼此快速沟通,例如打个电话,互通下彼此的时间就行了。回顾一下通信手段的发展历史,电报是19世纪30年代才发展起来的。那更早期呢?
  
带着一个地方的当地时间走
   带着一个地方的当地时间走。这一方法于1530年被荷兰数学家弗里西斯提出。他是这样设想的:可以制作一台钟表,始终保持某地的当地平太阳时,然后带着它到另一个地点,利用太阳高度测量另一个地点的时间,进行对比,就可以知道两地之间的经度差。这就要求钟表的误差很小,当时生产的钟表误差有几分钟,不能委以重任,只能期望有更准确的时钟出现。
  
借助天文观测
   还有一种思路,就是两地都用同种方式来标定其当地时间,然后再放在一起比对。这种方式不要求比对的及时性,所以可以接受通过普通方式“慢递”收集的数据,只有一个要求——数据最后能比对。怎么才能保证两地收集的数据是可比对的呢?答案是使用同种方式来标定时间,也就是说,严格要求“同种方式”在各地是稳定和一致的。当时,稳定精确的原子时尚未问世,大家公认,在各地以稳定周期出现的是天体的运动。这在更古老的时代已经被发现和公认了。因此,测量经度用来标定时间的重任就落在天体运动的观察确定上。
   15世纪,天文学家提出“月距法”来测量经度。相对于星星,月球在天空中的位置一直在发生变化。如果两地都观测月球在天空中的位置,并记录下月球在不同位置时本地的时间,然后将两地的记录进行对比,就能知道对应月球处于相同位置时,两地的本地时间差,经度差也就清楚了。
   除了利用月球在天空中的不同位置,伽利略曾提出了利用木星和它的卫星进行定时,测量经度差的想法与月距法相似。木星卫星法在陆地上没问题,却很难在波涛滚滚的海面上进行。海面上的经度确定,最终还是依赖月距法和“带着一个地方的当地时间走”这两种方式。

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