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约翰·哈里森

约翰·哈里森
(John Harrison)
John Harrison Uhrmacher.jpg
约翰·哈里森的半色调肖像画,1767年由Thomas King绘制,现藏于伦敦科学与社会图片图书馆
出生(1693-04-03)1693年4月3日
西约克郡韦克菲尔德市附近的福尔比英语Foulby
逝世1776年3月24日(1776-03-24)(82岁)
伦敦
国籍联合王国
知名于经线仪英语Marine chronometer
奖项科普利奖章(1749年)
科学生涯
研究领域钟表制造者(Horologist)

约翰·哈里森(英语:John Harrison,1693年4月3日-1776年3月24日),自学有成的英国钟表匠,他发明了经线仪英语Marine chronometer,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。这个问题是如此棘手,以致于英国议会为此提供了£20,000(相当于现代英镑287万元)的奖金[1][2]

哈里森在2002年BBC组织的100个最伟大的英国人公众投票中排名第39位。

早年生涯

约翰·哈里森出生于西约克郡靠近韦克菲尔德市福尔比英语Foulby,是他这一代五个孩子中的老大,他的父亲在附近的诺斯泰尔·普莱瑞庄园当木匠,他出生的那幢房子现在已标上蓝色牌匾

大约在1700年,他们全家搬到了北林肯郡,由于他父亲的木匠生意,哈里森在闲暇之时制造和修理时钟。传说当他六岁时由于得天花病倒在床上时,家人给他一只手表玩,他花了几个小时听滴答声,并研究它的移动组件。

他同时对音乐有着强烈的爱好,最终他成为了拜若教区教堂唱诗班指挥[3]

职业生涯

蚱蜢擒纵轮

哈里森在1713年,也就是他20岁的时候制造了他的第一台落地长钟。这台钟完全是使用木头制造出来的,这个材料是一个小木匠很自然的选择。哈里森早期的钟表作品中有三台保存至今。最早的一件(1713年制造)存放在伦敦市政厅的钟表匠同业公会,第二件(1715年制造)存放在科学博物馆,第三件(1717年制造)存放在约克郡的Nostell Priory。钟表面的铭牌上写有“John Harrison Barrow”(拜若的约翰·哈里森)。

在Nostell的那只钟,被放置在这个华丽高贵的房子的台球室里,它有着一个维多利亚时代的外壳,同时为了能检查其木制运转机构,它还周到的在其两侧安装了小的玻璃窗。在1720年代早期哈里森被委派为北林肯郡的布罗克莱斯比庄园建造一个新的塔钟,这个塔钟至今仍然在运行,和他以前制作的钟一样也使用了木制组件,主要是橡木和愈疮树,不同于他以前的作品的是这个钟为提高计时准确度混合使用了一些新的原型特性,例如蚱蜢擒纵轮。

从1725年到1728年,约翰和他同为熟练木匠的弟弟詹姆斯合作制造了至少三台精确摆钟,同样也是由橡木愈疮树制作的运动组件和落地钟配制,在这个时期内他们开发了格架摆(grid-iron pendulum),这些精确摆钟是当时世界上最精确的钟。特别是它们与海钟有着直接的联系。1号钟在2000年以前一直收藏在美国的时间博物馆,在博物馆关闭后于2004年被拍卖。2号钟收藏于英国西约克郡的利兹画廊及博物馆,目前已不再展出,但有计划于2011年的某个时间在新的利兹城市博物馆永久展出。三号钟展示于钟表匠同业公会。

他是一个拥有多种技能的人,他使用这些技能系统性的提高了钟的精确度。摆的长度是影响摆钟的周期及精准性的重要因素,以往摆长以单一金属材料制成,常因季节变化的温度改变而影响摆钟的准时性。他发明了格架摆,摆长的材料是由细铜条与细铁条交错排列作成,由于两金属的热膨胀系数相异得以相互抵销因热缩胀而改变摆的长度。他另一个天才的发明是控制摆钟受重锤一格一格驱动的蚱蜢擒纵轮。它是由一种特殊的木头lignum vitae制成,此擒纵轮几乎是无摩擦力且不需要润滑剂。

在哈里森早期研发航海钟时,他得到 George Graham 的帮忙与资助, George Graham 是位手表与仪器制造商。当哈里森到伦敦去向皇家天文院士爱德蒙·哈雷介绍他的摆钟时,哈雷将他介绍与Graham认识。Graham 是他研发工作上的良友,结识 Graham 对不擅言词与毫无人脉的哈里森极为重要。

经度问题

地球上的经线

经度是描述在地球东西侧相对于本初子午线的位置。以角度为计量,由本初子午线为零度,往东至180度,往西至-180度。当船只航行接近陆地时,为了安全的上岸入港,确定此时的航行的方向位置是必要的。当船只在海上长时间航行后,判断船只位置的误差会变大,进而导致触礁船沉及水手丧命。在那个航海贸易逐渐蓬勃发展的时代,避免船难便是哈里森那时重要的课题。很多如何决定船只所在的经度的想法在那时代被提出。根据当时对地球自转的知识,可知地球自转每小时旋转15度,当船只由一地的正午时出发,当它向东航行一小时后,相对原处15度的经线上太阳又位于其正午时分的位置,根据航行速度的不同,观察太阳角度的变化可以确定所在位置。

早先的想法是根据赫马·弗里修斯提出的一个简单的理论,即是比较船只所在位置与已知时间的另一处(如格林威治巴黎)的时间差便可推断其经度位置。判断当地时间通常依赖于天文观测,即观测此时不同天体运行的位置,就可以很简单的推断当地时间,而问题的困难处是在于当时没有精确的钟,也没有通讯系统,很难准确的量测遥远两地的时间差。

哈里森直觉解决这问题的方法是制作一架可以准确计时的时钟。他必须制作一个在长时间航行下其准时性不受温度,压力,湿度等因素变化而影响的钟,它必须不受海水绣蚀也要能承受船只的剧烈摇晃。许多科学家,像是牛顿海更斯,怀疑制作出这种计时器的可能性而较顷向用其他方法来量定经度,例如利用月亮与相对星星距离的方式(月角距)。海更斯曾试过用摆锤钟摆与弹簧式钟摆来量定经度,但两种方法的结果都不可靠。

航海钟

哈里森制造的第一个航海钟(H1)

公元1720年后,英国时钟制造者 Henery Sully 研发的一只可以来决定经度的航海钟:这钟是由一大平衡飞轮垂直连结到一由 Debaufre式擒纵轮驱动的摩擦转轮上,因为他的平衡飞轮的设计在摇晃的环境下并不稳定,他的钟只能在平静的海上行驶时使用。尽管如此,这钟是第一座尝试来量定经度的计时器。

公元1730年,哈里森设计了一座航海钟来挑战量定经度竞赛,他前往伦敦寻求经济赞助。他将他的想法呈献给皇家天文院士哈雷,哈雷进而介绍当时杰出的钟表制造商格林汉(George Graham)与他认识。格林汉对哈里森的想法印象深刻而资助他制作他的航海钟模型。为了让他的钟像他制作过的摆钟一样准确,他使用了木齿轮,小滚轮,蚱蜢擒纵轮与一对钟形弹簧摆轮 (因为单摆摆轮不适用于摇晃的环境)。

哈里森花了五年的时间完成第一个航海钟 H1。他向代表经度委员会的皇家协会展示H1。这是第一个委员会认为值得一试的航海钟。1736年,哈里森跟随着HMS Centurion 号航行到里斯本,随后搭乘HMS Orford返航。出航时航海钟没能准确计时,但返航时却表现极佳,船上的船长与导航员对它的设计赞赏有加。依据导航员的计算,船只的位置与哈里森H1所预测的只偏东差60英哩。

这误差不符合经度委员会对行跨大西洋设定的标准,但委员会印象深刻还是颁给哈里森500英镑以资助他继续研发。1741年,经过三年的研发与测试,更精巧坚固的H2诞生了。当时英国正与西班牙作战而延宕了H2,期间哈里森发现了设计中的几个错误使他决定放弃H2而研发使用环型摆轮。等待战争结束的同时,委员会又颁给他500英镑,他继续研发H3。

哈里森花了17年制作第三个航海钟H3,尽管尽了全力,H3还是表现不如预期。问题出在于他不了解控制飞轮的弹簧其后的物理,以至于飞轮的等时性不佳,进而影响计时的精确度。约1750年,哈里森决定放弃用大型弹簧轮摆作的航海钟,他领悟到小型的表或许较容易设计掌控。

经度表

哈里森制造的第四个航海表(H4)与绕组曲柄

经过三十年不断的实验研发,哈里森于1758年搬往伦敦。他惊讶的发现好友格林汉的继承者 Thomas Mudge英语Thomas Mudge (horologist) 制作的怀表的准时性与他的大航海钟不相上下。Mudge的表之所以准确要归功于1740年代 Benjamin Huntsman英语Benjamin Huntsman 所制作的新钢铁材料,使得可以制作更坚固的小滚轮与抛光良好的擒纵轴。哈里森领悟到精确的表是航海计时器的最佳答案。

杰佛利表

依据表匠杰佛利(John Jeffery)制作给哈里森的表,他在1750年代早期设计了一个给自己使用的精准表。这只表的特殊擒纵轮设计不但可以补整温度变化的效应,还具有第一个哈里森的 均力圆锥轮设计使得表在上发条时还能持续计时。这些特殊设计让杰佛利表的表现杰出。他将此两项设计应用在新航海表上而研发了一较大与一较小的表。然而只有较大的一号表被完成。哈里森向大家证明解决经度问题的答案是航海表。这个哈里森的代表巨作个只有比怀表大一些的完美仪器,上面刻印着哈里森的签名,表号一,与时间AD 1759。

H4

哈里森的第一个航海表(现今称H4)的银制外壳直径约13公分。在当时此表的运作方式比起其他较大的计时器是十分复杂的。表内使用的是特殊的垂直擒纵轮,当摩擦力作用其上时能使平衡飞轮有较大的扭角。D型棘爪与擒纵轮上是用当时及为挑战工艺能力的材料钻石所制成。基于技术考量,它的平衡飞轮比当时常用的表大且其震动由扁平的螺旋钢线控制。

第一只表花了哈里森六年制作,当时他已68岁。由他的儿子威廉(WIlliam Harrison)代替他出航横渡大西洋测试。出航前,波兹茅斯研究院院长Robertson先行测试了此表,报告指出在1761年11月6日正午时分此表比平均太阳时间慢了3秒,而九天后共慢了24秒;因此每日这表每日误差24/9秒。

当HMS Deptford号航行了81天又5小时到达牙买加时,经过校正出发时误差的3秒与累积的计时误差3分36.5秒,此表时间与已知经度英国的时间只慢了5分钟;亦即估计经度误差1.25经分。船只返航后,哈里森要求委员会付他20,000英镑的奖金,但委员会却认为此成果只归因于他的好运气而要求进行第二次测试。 委员会不相信只花了6年研发制作的表能符合决定准确经度的要求。哈里森十分生气并坚持要拿到奖金,这争议闹上了国会,国会决议颁发5,000英镑给哈里森,但他拒绝奖金而决定进行第二次测试,航海表随船航行到巴巴多斯桥镇

船只航行时,另一个量订经度的方法为月角距法,也正由内维尔·马斯基林随着HMS Tartar号进行着测试。再一次航海表展现的精确的计时性,这次只误差了39秒,估计桥镇的经度误差小于16公里。然而月角距法也相当准确估计了桥镇经度,只误差了48公里,但此方法需要大量的时间计算才能准确。1765年两种结果都被呈献给委员会,但委员会还是认定表的准确性是纯粹运气。后来经由国会再次议定预支给哈里森10,000英镑,请他证明可以复制另一只准确的表。同时,第一只表必须交给皇家天文学会测试他长时间的准确性。

不幸的是,由巴巴多斯返航后的内维尔·马斯基林被提名进入皇家天文学会,进而成为经度委员会的成员。他替航海表写了一份评论极差的报告,因此哈里森的表尽管两次测试皆表现优异仍不被委员会接受。

当第一只表被委员会测试时,哈里森开始制作他的第二个航海表(H5),但他同时感受到委员会对他的监视。三年后他再也无法忍受他遭受到这些绅士们的刁难而向国王乔治三世求援。倾听过哈里森的遭遇后国王十分震怒。他亲自于皇宫中测试二号航海表;在1772年五月至七月间的十个星期内,他发现表的误差一天只有0.3秒。国王于是命令国会颁与哈里森全额奖金。最终于1773年,在他80岁时,他领到国会因他的贡献成就而颁给他的8,750英镑。

詹姆斯·库克(库克船长)

库克船长于他的第一次航行时使用了月角距法。在他的第二与三次航行时,他使用的航海表K1(H4的复制品),K1是由杰佛力的高徒Larcum Kendall所制。库克船长的航行日记里对航海表十分赞赏,而使用它所绘制出的南太平洋航海图也十分精确。

纪念物

哈里森在圣约翰教堂的墓园的墓
蓝色徽章

哈里森在83岁生日那天逝世,他和第二个妻子伊利莎白以及儿子威廉一起葬在汉普斯德汉普斯德的墓园。他的坟墓在1879年由钟表商名家公会(Worshipful Company of Clockmakers)进行过整修,尽管他从来没参加过这个公会。

2018年4月3日,Google更改其首页的Google Doodle以纪念约翰·哈里森325岁诞辰。

参见

  • 经线仪
  • 经度的历史
  • 经度奖(Longitude prize)
  • 月角距
  • 钟表学(Horology)

注释

  1. ^ UK Retail Price Index inflation figures are based on data from Clark, Gregory. The Annual RPI and Average Earnings for Britain, 1209 to Present (New Series). MeasuringWorth. 2017 [2019-01-27].
  2. ^ Allan, G. Inflation: The value of the pound (PDF). House of Commons library. November 2003. (原始内容 (PDF)存档于2007-07-12).
  3. ^ Sobel, Dava. Longitude: The True Story of a Lone Genius Who Solved the Greatest Scientific Problem of His Time. New York: Penguin. 1995. ISBN 0-14-025879-5.

参考资料

  • Sobel, Dava. Longitude: The True Story of a Lone Genius Who Solved the Greatest Scientific Problem of His Time. New York: Penguin. 1995. ISBN 0-14-025879-5.
  • Sobel, Dava & Andrewes, Willam J.H. The Illustrated Longitude: The True Story of a Lone Genius Who Solved the Greatest Scientific Problem of His Time. New York: Walker Publishing Co. 1998. ISBN 0-8027-1344-0.
  • North, Thomas. The Church Bells of the County and City of Lincoln. Leicester: Samuel Clark. 1882: 60–61.

外部链接

奖项与成就
前任:
詹姆斯·布拉德雷
科普利奖章
1749
继任:
George Edwards

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