得到每天听本书:《经度》



《经度》

关于作者



达娃·索贝尔(Dava Sobel,1947年6月15日——),长期为多家杂志做自由撰稿人,1995年出版《经度》一书,大获成功,开始专职写书。

《经度》这本书的作者达娃·索贝尔是一位出色的科普作家。她曾经担任《纽约时报》科学专栏的记者,同时也是一位天文爱好者,出版过很多本关于天文学史的科普著作。她的这本《经度》在出版后受到了广泛的好评,许多评论认为这是“一本比小说还要精彩的非小说”。

关于本书

这本书所介绍的故事发生在十八世纪初的英国。在当时,经度的定位问题是一个最棘手、最困难的科学难题,英国国会为此悬赏两万英镑,希望可以找出一套能够精准定位经度的方法。许多科学家和工程师都曾经研究过关于经度的问题,然而却都没有找到一个简单而精确的测量方法。最后反而是一位名叫哈里森的工匠,他凭借自己的聪明才智,终于设计出了能适用于远洋航行的高精确度的航海钟,成功解决了经度的定位问题。这本书讲述的就是这样一个胜似小说的科学史故事。

核心内容

这本书讲述了一个关于“测量经度”的精彩历史故事。故事发生在工业革命之前的英国,一位天才的工匠,他的名字叫哈里森,他凭借自己的聪明才智,终于设计出了能适用于远洋航行的高精确度的航海钟,成功解决了经度的定位问题。

前言

本文为你解读的这本书是《经度》。

说到这个名字,你可能马上就想到了地球仪,上面有经线和纬线相交形成的经纬网,人们可以利用它对地球地面上所有的地方进行定位,指示南北方向的是经线,指示东西方向的是纬线。现在我们想要定位,用的都是全球卫星定位系统这样的高科技了,但在工业革命发生之前,尤其是在茫茫大海上,该怎么知道自己在哪儿呢?



没有GPS的时代,茫茫大海上,该怎么知道自己在哪儿呢?

这本书就给我们讲了一个关于“测量经度”的精彩历史故事。精彩在哪儿呢?要知道,经度的测量在当时可不是一个简单的问题,许多科学家,包括大物理学家伽利略和牛顿,他们都曾经研究过关于经度的问题,然而却都没有找到一个简单而精确的测量方法,反而是一位钟表匠,他像一位扫地僧,一个人站出来,独辟蹊径,横扫了全天下的各个不同的“武林门派”,解决了那个时代最困难的一个科学难题。

给我们讲这个故事的是科普作家达娃·索贝尔,很多书评人评价这本书“不但有小说家的文笔,还有历史学家的严谨和科学家的准确”。

好,那我们接下来就来看看这本书,我会分三个部分来给你介绍:首先我们来说说,为什么测量经度会成为那个时代的难题,它有这么重要吗?其次,我们来解答谜团,一个钟表匠是怎么解决伽利略都没解决的问题的?这个钟表匠就做了一个“颠覆式创新”的产品。那最后我们来说说,从这本书中得到的关于“创新”的启示。

第一部分 测量经度为什么很重要?测量经度为什么难?

为什么说测量经度很重要,测量经度为什么难。

故事发生在工业革命之前的英国,当时,欧洲已经开拓了前往美洲的新航路,所以当时对航海的需求非常大,即使只算英国一家,每年就有数百艘船在大西洋上航行。不过由于当时还没有定位的技术,所以船员们都是凭各种经验来推断,船到底航行到了什么地方的,没有哪个人能够精确测量出自己的准确位置。纬度的测量比较简单,人们可以通过北极星确定,但是想弄清楚自己在哪个经度,那就非常难了。你可能觉得这没什么大不了的,但这对于远洋航行来说就非常危险了。



1707年发生的锡利群岛海难(Scilly Naval Disaster of 1707)是英国皇家海军史上第二严重的海难。

比如在1707年的时候,英国就发生了一起重大的海难事故。一队英国海军舰队航向英吉利海峡时,因为经度算错,搞错了自己的位置,最后,有四艘战舰撞上了岛礁,沉没了,一千六百多名水手遇难。这样一次“世纪大海难”,让英国政府开始意识到确定经度的重要性。英国国会立刻通过了一个《经度法案》,还在国会成立了一个“经度委员会”,并且为此悬赏两万英镑,希望可以找出一套能够精准定位经度的方法。我们今天看到这两万英镑,可能觉得也不算是很大的一笔钱,可是按照购买力来计算,这差不多相当于今天的几百万美金了。在这样重赏之下,英国的许多科学家和工程师都投入到了相关的研究中,但就像我们刚刚提到的那样,最终获得了这笔奖金的人却是一位钟表匠。

这就奇怪了,测量经度到底有多难呢,那么多科学家和工程师都测不出来?你可能马上想到了,经度不是就跟时差有关系吗?因为地球24小时自转一圈,一圈也就是360度,也就是说,地球正好每小时转过15度角。只要知道两个地方的时间差,那就可以算出两地之间的经度差了。比如说,我们知道北京时间的上午10点,正好是伦敦时间的凌晨2点,时间差8小时,这就说明北京的经度在伦敦以东大约8乘以15度。的确,这个方法看起来特别简单,但要采用这样的方法,有一个前提就是必须要有很准确的时钟。

为什么必须很准确呢?一个钟,每天差个几分钟,难道就不能给出一个大致的定位吗?没错,的确就不可以。在当时的欧洲,普遍使用的钟表是摆钟,就是有个摆锤,来回摆动的那种钟表。而一台普通的摆钟,就算是放在平地上,每天也会出现几分钟的误差,更别说是放在颠簸的船里了。我们可以这样来估算一下,考虑到误差的累积,一个钟表要是每天差个五分钟,在海上航行不到两星期,就能差一个小时。这种错误能有多严重呢,如果计时错了一个小时,那么经度定位就能错一个时区,这就相当于定位从北京错到东京,从伦敦错到巴黎。这么大的误差,在远洋航行里显然是没法实际应用的。

在一次远洋航行中,如果要测定一个地方的经度,准确到1度的范围,这相当于要在整个航行的过程中,时间的测量要准确到四分钟以内。而一次长途航行至少就是两、三个月的时间,算下来,这个钟表必须准确到,一天最多只能差大约两、三秒钟的时间。今天,我们随便拿出一块电子表,都能达到这样的精确度,但在当时的欧洲,还没有出现这样精确的计时工具。在当时英国人的观念里,世界上最精确的钟表莫过于格林尼治天文台的那台巨大的摆钟了,那个时钟的钟摆长达4米,每天的误差不超过两秒。要知道,天文台里的摆钟是放在没有任何风浪颠簸的平地上,而且每天还有许多专业人士精心打理维护,每天进行调校,所以钟表就算每天有一些误差,这个误差也不会不断累积。

然而,即使是这样的一个庞然大物,也才刚刚达到航海钟的一个最最基本的要求。所以,当时的科学家们,包括牛顿和哈雷这样顶级的科学家,都普遍不看好用钟表法来进行经度的测算。

如果不采用钟表来计时,还有没有其它的工具可以为我们指示准确的时间呢?科学家们想到了我们头顶的星空。这就是和钟表法针锋相对的另一大门派,这种方案主要考虑通过观测天体的运动,尤其是月亮的运动来对经度进行计算。这种流派的学名叫“月距法”。



月距法定位

怎么测量的呢?我们知道,月亮在天空中的位置其实一直都在改变。在16世纪的时候,有一位德国天文学家进行了准确的测量,他发现,月球每个小时在天空中走过的距离,大概和月亮本身的直径相等,“速度”非常稳定。这个发现为测量经度提供了另一种方法,那就是:只要在两个不同的地方分别观测月球的运动,然后记下月亮出现在某个位置上的时间,通过一系列的换算,就能得到这两个不同的地点之间的经度差。

不过,要测量和记录月亮在空中的位置可不是一件简单的事。首先,地球、太阳、月亮三者的运动要18年的时间才会完成一次循环,所以,我们必须至少有18年的观测数据才行。其次,要描述月亮的运动,我们得能确定月亮的位置,怎么确定呢?要根据月亮和其他恒星的距离来确定。但是星空里那些恒星的位置并不是一成不变的,在地球上的不同位置,看到的星空会有一定的差异。所以,这就需要一个完善的星表,准确记录下各个恒星的位置以及月球的运动情况。

虽然月距法这么麻烦,但在当时,因为钟表法的精确度还差得很远,所以科学家们达成了一种共识,觉得只有依靠精确的天文学观测,才能最终解决经度定位的问题。所以,英国国会设立的“经度委员会”还是以天文学家们为主,这些天文学家主导了经度测量这个问题的话语权。

这就是我们要说的第一部分,为什么说测量经度重要,测量经度有多难。在当时,欧洲为了开拓新航路,必须要弄清楚在海上自己的准确位置,测量自己所在的经度就非常重要。测量经度有两种方法,一种是钟表法,一种是月距法。但是因为当时的技术,造不出计时准确的航海钟,所以大多数科学家都不看好钟表法,更愿意通过月亮来确定经度。

第二部分 钟表匠搞定经度定位问题

可没有人会想到,最终,经度定位的问题竟然被一位钟表匠给彻底解决了。他是怎么做的呢?这就到了我们要说的第二部分,《经度》这本书中的主人公,约翰·哈里森另辟蹊径,通过发明了高精度的航海钟,最终获得了经度委员会的奖金。他有什么成功的秘诀吗?我们一起来听听。



约翰·哈里森(John Harrison;1693年4月3日-1776年3月24日),自学有成的英国钟表匠,他发明了经线仪,它是人们长期寻求而且急需解决的精确定位海上船舶的东西位置,也就是经度这一问题的关键一环。它使大航海时代发生的革命性的巨变,使安全的长距离海上航行成为可能。

哈里森是一位经验丰富的木匠,他从小就非常喜欢钟表。不过他这位木工却不只是对木工感兴趣,他对世间万物的规律都充满了兴趣。有位牧师曾经借给哈里森一本剑桥大学数学家做“自然哲学”讲座的手抄讲义。哈里森如获至宝,他把这本讲义抄下来,并且加上了许多自己的注释和讨论。这本讲义,可以说奠定了哈里森自然科学的底子。因为在当时大学的自然哲学课堂上,它们讲的“机械学”,主要就是受力分析、牛顿定律、杠杆原理等力学基础知识。有了这些力学知识,就让他和普通的工匠表现出了非常不同的气质。

为什么这么说呢?一个有工匠精神的工匠可以精益求精地去改进和完善一个产品,但他们很难做出突破性的创新。而哈里森最终做出的航海钟则是一个颠覆性的创新,他抛弃了摆钟长长的钟摆,而是改用了一对钟形的弹簧摆轮,迅速提高了钟的精确度。如果没有一定的科学基础,不能对基本原理进行思考,即使是手艺熟练的工匠也不会有能力进行这样的创新。所以,对基础科学原理的掌握是哈里森能取得成功的第一个关键因素。



哈里森制造的第一个航海钟(H1)

哈里森成功的第二个关键因素,在于他丰富的知识以及经验的积累。哈里森最后获得经度委员会的大奖,这就像是一个运动员打破了世界纪录,但其实在这之前,他早就已经拿了很多全国冠军了。在他19岁的时候,他就完全用木头造出了他的第一台摆钟,在后来陆陆续续尝试做其他钟的日子里,他对摆钟的原理、各种不同材料的比较、钟表的维护等等多方面积累了丰富的知识和经验。比如说,哈里森在设计摆钟的时候就意识到,摆钟之所以计时的周期不够准确,关键就在于摆的长度会有热胀冷缩,摆长如果变长,钟就会越走越慢,摆长如果变短,钟就会越走远快。要提高表的精确度,首先必须解决热胀冷缩的问题。

为了解决这个问题,哈里森发明了“格架摆”,格架结构是由细铜条和细铁条交错排列而成的,因为两种金属的热膨胀系数不同,热膨胀的效果恰好可以相互抵销,这就让摆的长度保持了固定,大大提高了计时的精确度。而且我们刚说了,哈里森的本行是木匠,所以他还对各种木质材料的性质非常有研究。比如,哈里森就意识到,木纹越密的木头越轻,而且由于他善于利用木质材料,这些材料能分泌出一些树脂,使得整个钟表摩擦很小,不需要润滑剂。这些都是对钟表的小型化和轻量化起到关键作用的实用知识。这些小细节累积起来之后,哈里森的钟表就已经完全摆脱了传统摆钟的设计模式。

除了设计上的颠覆外,哈里森还颠覆了当时人们的一些固有偏见。当时人们都觉得越笨重的钟走得越准,这种思维的惯性其实是由于传统钟摆带来的错误印象。哈里森不断改进他的工艺,他的第四代航海钟,跟现在 iPhone 手机差不多大,但却有着当时最高的精确度,在海上航行了接近三个月之后,这样一个航海钟一共只慢了5秒。



哈里森制造的第四个航海钟(H4)

像基础知识和经验积累,这些都是哈里森个人的努力,除了这些,同行的支持和帮助对哈里森的成功同样有着重要的帮助。哈里森并没有自己一个人“闭门造表”,而是在天文学家哈雷的引荐下,哈里森在研究的初始阶段就和当时英国最著名的制表工,也是皇家学会的会员,格雷厄姆取得了联系。哈里森向格雷厄姆介绍了一种全新的钟表设计方案,两人一聊起了钟表专业的问题,他们就停不下来了。

书中提到,哈里森有天是上午10点去找的格雷厄姆,直到晚上8点,他们还在继续聊。格雷厄姆觉得哈里森的设计思路很新奇,并且还借给他一大笔钱,让他可以潜心做钟表的研究。后来,在哈里森做出了第一台航海钟的模型时,也是由格雷厄姆向皇家学会推荐的。你看,通过这种沟通,哈里森这样一个工匠也进入了广义的学术共同体当中。



乔治·格雷厄姆 (George Graham,7 July 1673年或1675年——1751年11月16日),英国制表匠、发明家、地球物理学家、英国皇家学会会士,带领哈里森进入学术共同体中。

不过我觉得,在哈里森的研究过程中,最让人感动的,还是他自己精益求精、锲而不舍的这种工匠精神。

书中提到,当第一代的哈里森航海钟,以很高的精确度完成了航行实验之后,船员和其他的科学家们都觉得这已经是巨大的成功了,但哈里森自己还是提出了一些不足之处,又继续改进。而在第二代钟表还没完全完工时,他就意识到因为设计的问题,这个钟表在大的风浪中可能出现额外的向心力,会导致钟表走得不准,于是接着设计第三代。到了第三代,虽然解决了这些问题,但表的体积又太大了,他又开始设计第四代……这种愿意正视缺点的精神实在是非常令人感动。哈里森花费数十年时间,通过一代又一代的改进,不但在不断刷新计时的精确度,而且在不断地尝试把表做得越来越小。最终,在改进到第五代的时候,哈里森完成了他的杰作。

总结一下这部分的内容。哈里森作为一个木匠,是怎么解决科学家们都头疼的问题呢?我把他的成功秘诀总结为四点:对基础科学原理的把握,丰富的知识和经验,同行的支持与帮助,精益求精的工匠精神。哈里森经过漫长的努力,最终解决了长期困扰着科学家们的大问题。他造出他的第一代航海钟的时候刚刚四十岁出头,而直到八十多岁的时候,他才终于拿到了那份奖金,作为对他贡献的承认。

第三部分 市场、政策与创新

哈里森的航海钟相当于那个时代的“颠覆式创新”,那么最后一部分我们结合书中的故事,来说说跟“创新”有关的话题,我来回答两个问题:市场是如何对待创新产品的,以及什么样的政策可以鼓励创新。

先来看第一个问题,市场是如何对待创新产品的。有了哈里森的航海钟,海上的定位问题从此得到了彻底的解决。那么你可能会问,既然哈里森已经制作出了特别精准的航海钟,那它在当时是不是特别受欢迎,迅速就被推广了呢?其实并没有。

因为当时英国还没有发生工业革命,没有什么办法可以大批量地量产高精确度的航海钟。你看,一个钟表,需要哈里森这样顶级的工匠花上数十年的时间打造,表的成本肯定居高不下,非常难推广。

哈里森去世以后,后来的工匠仿制了哈里森的航海钟,但这个表的成本仍然需要200英镑,这差不多等于当时一个绅士大半年的消费了。由于成本高昂,绝大多数远洋航行的船员们仍然主要采用的是月距法来确定经度。而钟表法真正流行起来,是它的每个成本降到六、七十英镑的时候了。

与之形成鲜明对比的就是月距法了。咱们刚刚提到,月距法不但要进行很多的观测,而且观测完了之后还必须要经过一系列换算,才能得到这两个不同的地点之间的经度差。这样的测量方法太繁琐了,但人们还是愿意用,为什么?就是因为它的成本特别低。在那个时候,人们可以轻松把18年来的月球观测数据印成一个表格以供参考,而各种星星的坐标可以从星图上找,各种测量也都可以在专业仪器的帮助下进行。这些测量工具以及印刷星表的技术,在当时已经非常成熟,价格都不贵,每一艘远洋航行的船都可以很方便地准备好这一整套装备。这告诉我们,一项技术的普及不但需要在科学上取得重要的突破,还需要降低成本、适应工业化的大生产才行。

那从国家的创新政策的角度来看,什么样的政策可以鼓励创新?在当时的欧洲,除了英国以外,其他欧洲国家也都已经开始意识到经度的重要性了。然而,精确的经度定位,以及随后到来的工业革命都起源于英国。那么,英国的国家战略以及鼓励科技创新的政策,有哪些可取之处呢?

之所以选择从这一角度来分析,是因为哈里森所发明的航海钟,是具有重大的社会经济效应的。我们站在现在回顾历史,会发现航海钟和同时代诞生的蒸汽机,一同成就了英国工业革命以来的海上霸权和经济繁荣。

英国政府很早就意识到了经度定位的重大意义,因为如果没有准确的定位,那么作为商人,在进行海外贸易的时候,各种交易的时间和地点就会变得不清楚;而且如果没有准确的定位,不但没有办法通过航海开拓新的殖民地,对于已有的殖民地也没有办法进行有效的管辖,更不会有强大的海军。通过殖民扩张,英国无疑能攫取巨大的利益,然而对于科学家和工匠们而言,他们并不一定会有实实在在的经济利益。但如果没有那些发明和发现,大型的国家战略根本没法实行。那么这时的英国是怎么做的呢?



1714年经度法案,为提出简单、实用的确定海上经度方法者提供巨额奖励。

从《经度》的故事中,我们看到,英国国会通过设立奖金的方式,公开悬赏经度的测量方案,我们不能把这里的“奖金”看成是来自帝王的“赏赐”,而应该要看成是一种制度上的创新。

想想看,英国国会之所以会设立这笔奖金,是因为英国政府意识到,必须要用真金白银来激发科学家们的创新。这种激励机制就像创业公司的股票期权一样,是让持有这些激励性期权的人,分享国家或者企业发展的利益。为了达到想要的效果,英国政府提出了非常细致的规定。比如法案中说,如果有人能在地球赤道上,把经度测量确定到半度范围内,奖励两万英镑;将经度确定到三分之二度范围内,奖励一万五千英镑;将经度确定到一度范围内,奖励一万英镑。这种阶梯型的奖励方式,是不是有点像现代企业中常常出现的,和业绩直接挂钩的奖金奖励?英国国会设立这种精确度和奖金额度挂钩的奖金,他的目的跟企业是很类似的。他们希望用分享利益的方式,激发科学家和工匠们的创新兴趣。

我们还可以从产权保护的角度来分析一下这个故事。现代的西方经济学家普遍都相信,产权保护能够促进经济增长。你可能在很多书上都见过这样一个问题:为什么工业革命会首先发生在英国?其中有一个非常常见的回答是说,因为在英国有非常完善的专利保护制度,利益关系明确,所以才有人愿意为改良的蒸汽机投资。但这个说法是完整的吗?

在这本书中,让我印象深刻的一个情节就是天文学家马斯基林,对哈里森的打压。马斯基林也是经度委员会的成员,而且非常支持“月距法”,是哈里森经度奖金的竞争者。书中的马斯基林似乎在百般阻挠哈里森得奖,比如哈里森设计出了钟表之后,马斯基林也阻止委员会给他奖金,后来不但出版了哈里森的设计图纸,还把哈里森毕生的心血,也就是他做出来的所有航海钟都装上车带走了。这个故事给了我们一种完全相反的印象,就是英国政府好像完全不在意私有产权和专利保护,经度局以及马斯基林的所作所为,完全是在破坏哈里森的专利权。为什么会这样呢?



内维尔·马斯基林(Reverend Dr Nevil Maskelyne,1732年10月6日-1811年2月9日),英国第5位皇家天文学家,科学测量地球质量第一人,他“刁难”哈里森的成果,促进了创新成果的扩散。

从法律的角度来看,如果英国国会向哈里森支付了经度法案中所提到的奖金,这个奖金就相当于是让哈里森让出自己的专利权,将他所发明的航海钟变成公共物品。书中提到,马斯基林不但把哈里森的图纸和文字说明公开出售,而且经度局还要哈里森把他设计的航海钟一点点地拆开,然后逐个开始介绍各部分的功能。除了马斯基林的“刁难”,书中还展示了经度委员会的“出尔反尔”。哈里森发明的第四代航海钟,它的测量精确度已经达到了比经度法案的最高要求还高三倍了,但经度委员会这才授予了哈里森一半的奖金数。直到第五代的航海钟被发明,在国王和议会的支持下,哈里森才拿到了全部的奖金。

这些看起来似乎都是对哈里森知识产权的侵犯,经度委员会为什么表现得这么不近人情呢?这是因为,如果把奖金授予哈里森,而哈里森不愿意公开自己的设计方案,那么航海钟的成本是无法降低的,远洋航海的状况也未必会在短期内改善,这就违背了《经度法案》设立的初衷。在能够工业化大生产的今天,保护知识产权就是在保护创新者,然而要知道,这个故事可是发生在工业革命以前,当时还不具备工业化大生产的能力,只能是各地的能工巧匠看完这些图纸,然后开始仿制。

这种做法的好处在于,因为哈里森的航海钟不需要专利费,而且图纸什么的到处都能买到,人人都可以仿制,然后各个仿制航海钟的工匠们又会发生竞争,这就让购买和使用航海钟的成本迅速下降了。在工业化的大生产到来以前,由英国国家出面,收购一项技术,让这项技术进入共有领域,帮助降低技术的使用成本,这同样是非常聪明的一项决策,这是一个制度上的创新。

总结

本文主要分析了《经度》这本书中三个层次的内容。

我们首先说了测量经度的重要性和难度。为了海上贸易和开拓殖民地,英国意识到了海上定位的必要性。确定纬度非常简单,但人们一直不清楚该怎么准确测量经度,英国政府甚至悬赏巨额奖金,希望更多的科学家来加入测量经度的队伍。当时测量经度的主要方法有“钟表法”和“月距法”。因为当时的技术限制,人们做不出精确的钟表,所以科学家们普遍更看好月距法。但是没想到,最后居然有一位钟表匠哈里森,用大家都不看好的钟表法,完成了这个挑战。

那哈里森是怎么成功的呢?接下来,我们就分析了工匠哈里森成功解决经度难题的关键。我们把他的成功秘诀总结为四点:对基础科学原理的把握,丰富的知识和经验,同行的支持与帮助,精益求精的工匠精神。有了这些,让他不仅设计出了完全颠覆摆钟的全新航海钟,还在观念上颠覆了人们对钟表的一些偏见。

最后,我们跳出了故事,分析了一下哈里森的颠覆式创新。哈里森的航海钟出现后,经度问题被解决,但因为航海钟高昂的价格,人们还是更愿意用“月距法”来测量经度。我们能看出来,一项创新从诞生到被广泛接受,可能仍然需要跨越巨大的鸿沟。而这项颠覆式的产品能出现,也离不开英国政府的政策鼓励。英国政府让科学家们分享来自国家发展的利益,激励科学家和工匠们的创新,通过由国家收购一项技术,让这项技术进入共有领域,降低使用成本。可以说,这是非常重要的一项制度创新,正是这样的政策,才使得英国在工业革命到来之前,在海上率先占据了优势,最终让英国成为了日不落帝国。

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