Timekeeper: Invention of the Marine Chronometer
A. Up to the middle of the 18th century, the navigators were still unable to exactly identify the position at sea, so they might face a great number of risks such as the shipwreck or running out of supplies before arriving at the destination. Knowing one’s position on the earth requires two simple but essential coordinates, one of which is the longitude.
Cho đến giữa thế kỷ 18, các hoa tiêu vẫn chưa thể xác định chính xác vị trí trên biển, nên họ phải đối mặt với vô số rủi ro như đắm tàu hoặc cạn kiệt nhu yếu phẩm trước khi tới đích. Việc biết được vị trí của một người trên Trái Đất đòi hỏi hai tọa độ đơn giản nhưng thiết yếu, trong đó có kinh độ.
B. Longitude is a term that can be used to measure the distance that one has covered from one’s home to another place around the world without the limitations of a naturally occurring baseline like the equator. To determine longitude, navigators had no choice but to measure the angle with the naval sextant between Moon centre and a specific star— lunar distance—along with the height of both heavenly bodies. Together with the nautical almanac, Greenwich Mean Time (GMT) was determined, which could be adopted to calculate longitude because one hour in GMT means 15-degree longitude. Unfortunately, this approach laid great reliance on the weather conditions, which brought great inconvenience to the crew members. Therefore, another method was proposed, that is, the time difference between the home time and the local time served for the measurement. Theoretically, knowing the longitude position was quite simple, even for the people in the middle of the sea with no land in sight. The key element for calculating the distance travelled was to know, at the very moment, the accurate home time. But the greatest problem is: how can a sailor know the home time at sea?
Kinh độ là khái niệm dùng để đo khoảng cách mà một người đã đi từ quê nhà đến một nơi khác trên thế giới, không bị giới hạn bởi một đường chuẩn tự nhiên như xích đạo. Để xác định kinh độ, các hoa tiêu từng phải đo góc giữa tâm Mặt Trăng và một ngôi sao xác định (khoảng cách Mặt Trăng) cùng với độ cao của cả hai thiên thể. Kết hợp với niên giám hàng hải, người ta xác định được giờ GMT; cứ mỗi một giờ GMT tương ứng 15 độ kinh độ. Tuy nhiên, cách tiếp cận này phụ thuộc nặng nề vào thời tiết, gây bất tiện lớn cho thủy thủ đoàn. Vì vậy, một phương pháp khác được đề xuất: dùng chênh lệch giữa giờ gốc và giờ địa phương. Về lý thuyết, biết vị trí kinh độ là khá đơn giản, ngay cả giữa biển khơi không thấy đất liền. Yếu tố then chốt là phải biết chính xác giờ gốc tại mọi thời điểm. Nhưng vấn đề lớn nhất là: làm sao thủy thủ biết được giờ gốc khi ở trên biển?
C. The simple and again obvious answer is that one takes an accurate clock with him, which he sets to the home time before leaving. A comparison with the local time (easily identified by checking the position of the Sun) would indicate the time difference between the home time and the local time, and thus the distance from home was obtained. The truth was that nobody in the 18th century had ever managed to create a clock that could endure the violent shaking of a ship and the fluctuating temperature while still maintaining the accuracy of time for navigation.
Câu trả lời hiển nhiên: mang theo một chiếc đồng hồ thật chính xác, được chỉnh theo giờ gốc trước khi khởi hành. So sánh với giờ địa phương (có thể xác định dễ dàng bằng cách quan sát vị trí Mặt Trời) sẽ cho biết độ chênh thời gian và do đó là khoảng cách so với quê nhà. Sự thật là vào thế kỷ 18, chưa ai chế tạo được chiếc đồng hồ nào vừa chịu được rung lắc dữ dội của con tàu và sự thay đổi nhiệt độ, vừa duy trì đủ độ chính xác cho mục đích hàng hải.
D. After 1714, as an attempt to find a solution to the problem, the British government offered a tremendous amount of £20,000, which were to be managed by the magnificently named ‘Board of Longitude’. If timekeeper was the answer (and there could be other proposed solutions, since the money wasn’t only offered for timekeeper), then the error of the required timekeeping for achieving this goal needed to be within 2.8 seconds a day, which was considered impossible for any clock or watch at sea, even when they were in their finest conditions.
Sau năm 1714, để tìm lời giải, chính phủ Anh treo giải tới £20.000, được quản lý bởi cơ quan mang cái tên ấn tượng “Ủy ban Kinh độ”. Nếu máy đo thời gian là lời giải (và cũng có thể có các giải pháp khác, vì số tiền không chỉ dành cho máy đo thời gian), thì sai số yêu cầu phải nằm trong 2,8 giây mỗi ngày—điều được xem là bất khả thi đối với mọi đồng hồ trên biển, kể cả trong điều kiện tốt nhất.
E. This award, worth about £2 million today, inspired the self-taught Yorkshire carpenter John Harrison to attempt a design for a practical marine clock. In the later stage of his early career, he worked alongside his younger brother James. The first big project of theirs was to build a turret clock for the stables at Brockelsby Park, which was revolutionary because it required no lubrication. Harrison designed a marine clock in 1730, and he travelled to London in search of financial aid. He explained his ideas to Edmond Halley, the Astronomer Royal, who then introduced him to George Graham, Britain’s first-class clockmaker. Graham provided him with financial aid for his early-stage work on sea clocks. It took Harrison five years to build Harrison Number One or H1. Later, he sought the improvement from alternate design and produced H4 with the giant clock appearance. Remarkable as it was, the Board of Longitude wouldn’t grant him the prize for some time until it was adequately satisfied.
Giải thưởng (tương đương khoảng £2 triệu ngày nay) đã truyền cảm hứng cho John Harrison—một thợ mộc tự học người Yorkshire—thiết kế một chiếc đồng hồ đi biển thực dụng. Giai đoạn đầu ông làm việc cùng em trai là James. Dự án lớn đầu tiên của họ là chế tạo chiếc đồng hồ tháp cho chuồng ngựa ở Brocklesby Park, mang tính cách mạng vì không cần bôi trơn. Năm 1730, Harrison thiết kế đồng hồ đi biển và tới London tìm tài trợ. Ông trình bày ý tưởng với Edmond Halley (Nhà thiên văn Hoàng gia), người giới thiệu ông gặp George Graham—thợ đồng hồ hàng đầu của Anh. Graham đã hỗ trợ tài chính cho các nghiên cứu giai đoạn đầu về đồng hồ biển. Harrison mất năm năm để làm xong H1; sau đó tiếp tục cải tiến và cho ra đời H4 với ngoại hình như một chiếc đồng hồ lớn. Dù đặc biệt, Ủy ban Kinh độ vẫn chưa trao giải cho đến khi họ thật sự hài lòng.
F. Harrison had a principal contestant for the tempting prize at that time, an English mathematician called John Hadley, who developed sextant. The sextant is the tool that people adopt to measure angles, such as the one between the Sun and the horizon, for a calculation of the location of ships or planes. In addition, his invention is significant since it can help determine longitude.
Đối thủ chính của Harrison vào thời điểm đó là John Hadley, nhà toán học người Anh—tác giả của sextant. Sextant là dụng cụ dùng để đo góc—chẳng hạn góc giữa Mặt Trời và đường chân trời—để tính vị trí của tàu thuyền hay máy bay. Ngoài ra, phát minh này còn có ý nghĩa vì giúp xác định kinh độ.
G. Most chronometer forerunners of that particular generation were English, but that doesn’t mean every achievement was made by them. One wonderful figure in the history is the Lancastrian Thomas Earnshaw, who created the ultimate form of chronometer escapement—the spring detent escapement—and made the final decision on format and production system for the marine chronometer, which turns it into a genuine modern commercial product, as well as a safe and pragmatic way of navigation at sea over the next century and half.
Phần lớn các tiền bối của đồng hồ chronometer thuộc thế hệ đó là người Anh, nhưng không phải mọi thành tựu đều do họ tạo ra. Một nhân vật xuất sắc trong lịch sử là Thomas Earnshaw (người Lancashire), người đã tạo ra dạng hoàn thiện nhất của bộ thoát chronometer—spring detent escapement—và đưa ra quyết định cuối cùng về dạng thức cũng như hệ thống sản xuất cho marine chronometer, biến nó thành sản phẩm thương mại hiện đại đích thực, cũng như một phương cách đi biển an toàn, thực tiễn trong suốt thế kỷ rưỡi sau đó.