《经度》 傅渥成解读
《经度》| 傅渥成解读
关于作者
《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。
你好，欢迎“每天听本书”，本期音频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？
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。
好了，咱们首先进入第一部分的介绍。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。
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”，月亮的月，距离的距。
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。
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。
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。
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。
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。
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？
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？
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。
好了，《经度》这本书就介绍完了，我们今天主要分析了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。
撰稿：傅渥成 脑图：刘艳 转述：李璐
划重点
1.为了开拓新航路，就必须弄清自己在海上的准确位置，因此需要测量经度。测量经度有两种方法，一种是钟表法，一种是月距法。
2.哈里森解决经度难题的关键是：对基础科学原理的把握，丰富的知识，同行的支持，精益求精的工匠精神。
3.英国政府以制度激励创新，并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。