第1章 科学(1)

从不辨东西到星辰大海——人类导航技术史初探

文/任辉

我们是谁，我们从哪里来，要到哪里去……这是哲学史上的永恒之问。但在人类漫长的历史上，不知道自己在哪里，不知道从何来，不知道往哪儿去，却也是实实在在的生活困扰。自农业文明以来，我们的生活范围不断扩大，如何确定自己的方位，成了每个人必须面对的难题。

自然万物的变化总是能给人们带来启发：太阳总是从一侧升起，另一侧落下，东西方向的定义也就由此而来。而夜间的星辰变换虽然复杂，但仔细观察不难发现，北半球的所有星辰都在围绕一个点——北极星做圆周运动，由此，南北方向的定义也由此而生。

但定向和定位是完全不同的两个概念：我们要去往陌生目的地的时候，仅仅知晓方向并不能解决问题，我们还需要知道目的地与我们的相对位置和距离。在今天，我们用经纬度坐标可以方便地获取这些信息，但是在远古时期，人们只能通过地标作为参考——小明居住的村落，在我的村落旁边河流的下游；村头大槐树南边50步，就是他的茅屋。这个办法我们至今也在沿用，比如我们问路的时候，对方总会告诉你，往南走，过第二个红绿灯右拐300米就是你的目的地。这就是一种典型的地文定位法。

地文定位虽不精确，但在陆地上还是大概堪用的，可随着人类的活动范围从陆地扩展到江海，在缥缈浩瀚的深海大洋上就很难找到可靠的参照物了，所以最早期的航海活动，都只能沿着岸边航行，通过观察岸上标志性的地形、植被来判断自己的大概位置。

生活在南太平洋上的南岛人似乎突破了这个局限，在他们对南太平洋岛屿长达4000年的征服史中，不可避免地会远离海岸航行，那么在茫茫大洋之上他们如何找到陆地和岛屿呢？我们推测，他们通过经验掌握了洋流和风向的变化规律，并学会了以星辰的角度修正自己的航向，甚至可以通过海鸟导向——大多数海鸟会定期返回岸边巢穴，跟着鸟走，就可以找到岛屿。可以看到，以风向水势、甚至海洋生物引路的方式，在波利尼西亚航海的过程中发挥了巨大的作用，这就是所谓的水文定位法。

当然，水文定位对所经过海域的水文环境要求很高，需要有明确的水色变化，或者独特的水生生物作为标记，而这些特点在绝大多数远洋水域都很难找到。更要命的是，水文定位的精确性非常差，指示个大概方向尚可，远距离精确导航就完全不靠谱了。

不过很快的，另一种导航方式逐渐成熟起来，这就是更路导航法。

我们知道，古人通过观察日月星辰，已经可以大致的定位东西南北方向，尤其是指南针发明之后，在海上判别方向已经不是难事。一些早期的航海探险者就把自己远洋游荡的经历汇集成册，编成了《更路薄》。比如一个老水手偶然从三亚闯荡到了西沙并侥幸得以归航，他就会在《更路薄》上记载自己这趟航程中所遇到的一些地标和路程，比如在海南发现的《立东海更路》就有这样一条记载：自大潭过东海，用乾巽驶到十二更。

“更”是古代水手使用的距离单位，1更约等于60里，聪明的水手们会把木片从船头扔下，计算它漂到船尾的时间，用船的长度相除，就能算出船只现在的航速，然后以焚香、沙漏等方式，大致算出跑一更的时间。根据这条更路薄的记载，从大潭（今潭门港）出发，往东南方向（乾巽）行驶了12更（720里），就可以到达东海（今西沙群岛）。

其实大家也能看出，这个方式精确度不会太高，由于风向、洋流的影响，测量出的船速误差很大，而老水手们凭借经验总结出的航线距离和方位，也只是一个大概。东晋时期的法显和尚在天竺学经回国，走的就是海路，尽管水手们使用了最新的更路薄，但法显乘坐的船只还是错过了原本的目的地广州，一直漂流到青岛才得以靠岸。

和纬度不同，经度完全是一个人为概念，在同一纬度上的任何一点，没有任何天文和地理意义上的差别，你完全可以把北京的位置定位东经100度，也可以定为西经100度，并没有本质的区别，这也让我们无法通过自然特征去测量自身的经度。然而总有一个变通之法：地球24小时自转一周，将这一周等分为360度，那么每个小时就相当于15度，只要知道两地的时间差异，就可以知道两者之间的经度差了。举例来说，如果知道某地的正午12点正好是伦敦的上午10点，那么就说明此地在伦敦东边30度的地方。

根据这个设想，荷兰数学家弗里西斯提出用一个“特别精确的钟”来推算经度。这个钟总是显示陆地上一个地区——比如伦敦——的当地时间，带着它航行，然后测量星体高度角计算出本地时间，再用这个时间和伦敦时间比对，就能知道这个地方位于伦敦东西方的确切经度。这就是“钟表法”。

另一个解决思路方案来自天文学，德国天文学家约沃纳提出利用月亮的移动来测量经度。他发现，月亮在天空中的相对位置每时每刻都在改变，大约每小时移动一个月亮直径的距离。假设从地球各处观察月球在星空中运行的轨迹基本都是一样的，比如月球会在伦敦时间今晚1点刚好掩盖了某恒星A，那么海上的水手在观察到这个现象的时候，就能知道此刻伦敦的时间，只要再算出这艘船所在位置的当地时间（还是观察星体的角度），就能知道自己的经度。这就是“月距法”。

这两个原理看似逻辑清晰，却都被困在了第一步——因为当时根本没有这么精确的钟表，也没有办法预测月球每一天的运行轨迹。以当时的制表工艺，一块表每天快慢个几分钟都是稀松平常的，一趟远洋航行动辄数月，行驶到大洋深处时，这块表所显示的伦敦时间可能就比真正的伦敦时间差了好几小时，而以赤道为例，差四分钟，就是差了1个经度，距离上就差了108公里，如果这块表误差了半个小时，后果不堪设想。而“月距法”面临的问题是，我们当时并没有一张准确的星图，也没有一个公式能准确地推算出月球的运行规律。

在那个科学大爆发的时代，无数天才投身解决这个难题。在英国格林尼治村，天文学家弗拉姆斯蒂德立志为“月距法”描绘一幅精确的星图。他假定天空中有一条虚拟的零经度线，通过夜以继日的研究，一颗一颗地记录下每颗星星通过这条线的时间和所处的高度，就可以画出这张星图。作为一名坚韧的斗士，弗拉姆斯蒂德昼伏夜出，天文台就是他的家，望远镜就是他的眼睛，甚至结婚这件事都差点儿耽误了。