古代的航海家们有多难？
航海家们的大麻烦
从文艺复兴开始，欧洲人开始了向整个世界的探险和扩张。达伽马、哥伦布、麦哲伦、库克等一个又一个航海家前赴后继，使得世界的版图对欧洲人来说越来越清晰。航海是一项极其危险的事业，在这一过程中，从铲除坏死病到维持水手们的精神状态，海员们逐步解决了各种各样的问题。但所有这些问题都不像航海定位问题那样造成了如此广泛的社会影响。
我们知道，同古代中国人“天圆地方”的观念很不同，古希腊人很早就知道了地球是球体这个事实，并且产生了经线和纬线的概念，它和我们现在的经纬线概念没什么区别。公元前150年，古希腊科学的集大成者托勒密就在他制作的地图上标注了经纬线。这样一来，人们就可以精确表达出某一地点的具体位置了。
大航海时代开始后，航海家们需要在航行中经常性地测定他们所在的具体位置，也就是要知道自己究竟在哪两条经线和纬线的交叉点上。在茫茫的大海上，确定位置是最头等的大事。如果位置计算错误，轻则走错路，耽误航行计划，重则在海上彻底迷路，弄不好就会水尽粮绝，船毁人亡。
在经度和纬度的测量中，测量纬度相对来说要简单些。我们都知道地球是围绕地轴自转，而从地球表面往上看，天上的星星则随着地球的自转每时每刻自东向西运动着。但无论怎么运动，在同一纬度上的人看到的北极星（在南半球则是别的星体）的位置始终是不动的，这样，海员们就可以在夜晚通过测量北极星和其它一些星体的位置来判断自己所处的纬度。测量纬度早就成了任何一个称职的水手的基本功。事实上，不止是在海洋上，在陆地上的人们也是通过同样的天文观测来测定纬度。
但测量经度则相当麻烦。由于天上的星星每时每刻都在沿着“天球”上的纬线运动着，人们无法像测量纬度那样来测量经度。因此，在早期的航海探险活动中，航海家们为了不迷失方向，只好沿着固定的纬线航行，直到遇到陆地为止。例如，当年哥伦布率领船队向西航行，想“抄近路”到达中国，就是沿着一条固定的纬线一直向西，结果没有到达中国，却撞上了美洲大陆。
但航海家们并不是总能像哥伦布那么好运。经常有船队由于各种原因（例如遇到暴风雨或者躲避海盗）偏离航向。例如曾经有一艘叫“百夫长号”的英国船，曾经被暴风雨吹得在太平洋上迷失了方向，想要到位于南纬35度线上的费尔南德斯岛上补充淡水，船长却搞不清楚那该死的海岛在自己的东边还是西边。结果南辕北辙，虽然经过一番折腾，最终还是找到了费尔南德斯岛，却为此赔进去了将近100条人命。
天文学家义不容辞
随着远洋贸易的逐渐繁荣，经度问题越来越令各国头疼不已，尤其是逐渐成为海上霸主的英国。最后，连英国国会都坐不住了，还为此专门设立了一个“经度奖金”，重金悬赏能够解决此问题的人。
既然纬度问题可以轻松用天文观测的方法搞定，那么，经度问题应该也可以，只不过是要麻烦许多罢了。虽然经度问题不能通过直观测量解决，但天文学家们可以通过对日月和恒星运行规律的把握，事先制作出巨细靡遗的“星表”，告诉海员们在一年中的某一时刻在某条经线上会看到什么样的天文现象，这样，再通过一定的计算，海员们就可以解决经度问题了。由于经度问题事关重大，当时几乎所有的天文学家都被卷了进去。
第一个上场的“大人物”是伽利略，他通过望远镜观测发现了木星的4颗卫星。他发现，木星的这些卫星每年都会发生上千次“卫星蚀”，每天都有。只要计算出这些卫星蚀发生的规律，再制成表格发给海员们，那么，海员们就可以通过观测这一天文现象来确定经度了。显而易见，这个构想难度太大，因为在不停摇摆的船上能观测到木星就已经算不错了，更别说观测什么卫星蚀。但这个方法在陆地上还是很管用的，欧洲各国用此法重新测量了自己的边界。当时的法国国王得知自己的领土没有从前想像的那么大，抱怨说：他丢在天文学家手里的领土比丢在敌人手里的还要多！
儒勒·凡尔纳《埃德加·坡和他的作品》中一幅插图呈现出的恐怖涡流
伽利略的方法大大鼓舞了各国天文学家，英法两国政府为了表示对经度测量事业的支持，分别修建了格林尼治天文台和巴黎天文台。巴黎天文台一度热闹非凡，意大利的卡西尼和荷兰的惠更斯都在此工作。卡西尼作为巴黎天文台的台长，号召波兰和德国的观测者们开展国际合作，共同完成经度测量大业。在这一过程中，来自丹麦的天文学家罗伊默有了惊人发现。
由于地球和木星沿着各自的轨道绕太阳运转，彼此之间时远时近。罗伊默发现，当地球运行到距离木星较近的位置时，木星卫星的卫星蚀都会相应提前发生。而当地球运行到离木星较远时，卫星蚀则会推迟发生。罗伊默经过分析，认为这是由于光是具有一定速度的，在地球上观测到卫星蚀的时间不仅取决于卫星蚀发生的时间，还取决于木星上的光传播到地球上的时间。由此，罗伊默成功测出了光速，他的结果只比光速的实际值小一点。
英国天文学家们也没闲着。牛顿、哈雷都参与到了经度问题的研究工作。为了观测那些只有在南半球才能看到的星星，哈雷还专门跑到南大西洋的某个小岛上。天文学家们随后又将研究重点放在“月距法”上，即研究月亮在运行过程中与太阳和其它恒星的相对位置关系。这种方法的重点是把太阳、地球和月球互相之间引力对它们运行规律的影响算清楚，这就涉及到了天文学的另一个重要分支：天体物理学。
随着观测和研究的不断进行，人们相信，天文学家彻底解决经度问题只不过是个时间问题了。
钟表解决经度问题
而真正彻底解决经度问题的，却是一些从前并不起眼的钟表制造者。
我们现在都知道，经度这个概念是和“时差”高度关联的。不同地区的经度差别，最大的表现就是它们的地方时不同。例如，北京就要比伦敦的时间早上八个小时。也就是说，如果能精准地获得两个不同地点各自的地方时，那么，这两个地方的经度之差就能被准确地计算出来。
那么，现在的问题是，在茫茫的大海上，测量船只所在地的地方时是非常方便的，由于正午12点时太阳运行到最高点，只要通过简单的仪器测出这一时间就可以了。麻烦的却是如何得知另一地（例如船只出发港口）的地方时，这就要用到钟表。
1539年古代航海地图Carta Marina标记了挪威附近的涡流
我们知道，伽利略发现了单摆的等时性原理，而惠更斯更是制作出了第一个摆钟。之后，钟表匠们不断对摆钟进行改进，使得摆钟的精确度越来越高。但是在不断晃动的船只上，摆钟的摆动显然会受到很大影响，因此根本无法被应用到海上计时中。而当时生产出的小型怀表又太不准确，很容易受到温度、湿度、气压等各种条件的影响，甚至在一天之内走速都忽快忽慢，让人十分头疼。
但事在人为，由于用钟表测定经度从理论上讲方法非常简单，有着天然的优越性，因此还真有人在这方面狠下功夫。一位叫哈里森的英国钟表匠勇敢地担负起这一历史重任。他用尽了一生的时间，先后研制出4台可以在甲板上精确计时的钟表，并由此在1773年战胜天文学家们，获得了英国政府设立的那个“经度奖金”。哈里森之后，钟表匠们继续改进他的设计，使得精确计时钟表迅速地投入了大批量生产。船长们如获至宝，在早期航海用钟表供不应求时，很多船长甚至自掏腰包进行购置。而天文学方法则被他们用来当作补充。
当经度测量问题彻底解决之后，人们惊奇地发现，世界已经因为它发生了戏剧性的变化。作为近代科学革命龙头的天文学的大发展，在很大程度上要归功于经度问题的迫切需求。另一方面，随着大量廉价的精确计时装置得到普及，精确时间的概念开始深入人心，时间从此成为一个可供量化的概念。这为之后科学技术在高度定量化的基础上继续发展奠定了基础。由于英国在经度问题上所起的重大作用，格林尼治天文台也被确定为零度经线（本初子午线）的起点。几百年间在茫茫大海上为确定经度而头疼的航海家们也许不会想到，他们在不经意间为这个世界的发展变化提供了原动力。