Timekeeper 2 — Invention of Marine Chronometer
A. It was, as Dava Sobel has described a phenomenon: ‘the greatest scientific problem of the age’. The reality was that in the 18th century no one had ever made a clock that could suffer the great rolling and pitching of a ship and the large changes in temperature whilst still keeping time accurately enough to be of any use. Indeed, most of the scientific community thought such clock impossibility. Knowing one’s position on the earth requires two very simple but essential coordinates; rather like using a street map where one thinks in terms of how far one is up/down and how far side to side.
Như Dava Sobel mô tả, đây là “bài toán khoa học vĩ đại nhất của thời đại”. Thực tế, vào thế kỷ 18 chưa ai chế tạo được một chiếc đồng hồ vẫn giữ thời gian đủ chính xác trong khi phải chịu cảnh con tàu lắc dọc (pitching), lắc ngang (rolling) và biến thiên nhiệt độ lớn. Phần đông giới khoa học khi đó coi một chiếc đồng hồ như vậy là bất khả. Để biết vị trí của mình trên Trái Đất cần hai toạ độ cơ bản và rất đơn giản, giống như khi dùng bản đồ đường phố: bạn phải biết mình ở đâu theo trục dọc và trục ngang.
B. The longitude is a measure of how far around the world one has come from home and has no naturally occurring base line like the equator. The crew of a given ship was naturally only concerned with how far round they were from their own particular home base. Even when in the middle of the ocean, with no land in sight, knowing this longitude position is very simple in theory. The key to knowing how far around the world you are from home is to know, at that very moment, what time it is back home. A comparison with your local time (easily found by checking the position of the Sun) will then tell you the time difference between you and home, and thus how far round the Earth you are from home.
Kinh độ là đại lượng cho biết bạn đã đi được bao xa quanh Trái Đất tính từ quê nhà và không hề có một đường chuẩn tự nhiên như xích đạo (đối với vĩ độ). Thuỷ thủ của một con tàu, tất nhiên, chỉ quan tâm mình cách “điểm xuất phát” của chính mình bao xa theo vòng quanh Trái Đất. Ngay cả giữa đại dương không thấy đất liền, về lý thuyết việc biết kinh độ vẫn khá đơn giản: mấu chốt là biết tại chính khoảnh khắc đó giờ ở quê nhà là mấy giờ. So sánh với giờ địa phương (có thể xác định bằng vị trí Mặt Trời) sẽ cho bạn chênh lệch giờ, từ đó suy ra bạn lệch bao nhiêu độ kinh độ so với quê nhà.
C. Up until the middle of the 18th century, navigators had been unable to determine their position at sea with accuracy and they faced the huge attendant risks of shipwreck or running out of supplies before reaching then destination. The angular position of Moon and other bright stars was recorded in three-hour intervals of Greenwich Time. In order to determine longitude, sailors had to measure the angle between Moon centre and a given star – lunar distance – together with height of both bodies using the naval sextant. The sailors also had to calculate the Moon’s position if seen from the centre of Earth. Time corresponding to Greenwich Time was determined using the nautical almanac. Then the difference between the obtained time and local time served for calculation in longitude from Greenwich. The great flaw in this ‘simple’ theory was – how does the sailor know time back home when he is in the middle of an ocean?
Cho đến giữa thế kỷ 18, các hoa tiêu vẫn không thể xác định chính xác vị trí trên biển và vì thế đối mặt với rủi ro lớn: đắm tàu hoặc cạn lương trước khi tới đích. Khi ấy người ta ghi nhận vị trí góc của Mặt Trăng và các sao sáng theo từng khoảng ba giờ một lần theo giờ Greenwich. Để xác định kinh độ, thuỷ thủ phải đo góc giữa tâm Mặt Trăng và một ngôi sao định sẵn (gọi là khoảng cách Mặt Trăng), đồng thời đo độ cao của cả hai thiên thể bằng sextant hải quân. Họ còn phải tính vị trí của Mặt Trăng như thể quan sát từ tâm Trái Đất. Giờ tương ứng theo Greenwich được suy ra từ niên giám hàng hải; hiệu giữa giờ này và giờ địa phương sẽ cho kinh độ tính từ Greenwich. Điểm yếu chí tử của “lý thuyết đơn giản” này là: giữa đại dương thì lấy đâu ra “giờ quê nhà” để so?
D. The obvious and again simple answer is that he takes an accurate clock with him, which he sets to home time before leaving. All he has to do is keep it wound up and running, and he must never reset the hands throughout the voyage. This clock then provides ‘home time’, so if, for example, it is midday on board your ship and your ‘home time’ clock says that at that same moment it is midnight at home, you know immediately there is a twelve hour time-difference and you must be exactly round the other side of the world, 180 degrees of longitude from home.
Lời giải hiển nhiên: mang theo một chiếc đồng hồ cực kỳ chính xác đã chỉnh đúng giờ quê nhà trước khi rời bến; luôn lên cót cho chạy và tuyệt đối không chỉnh kim trong suốt hải trình. Khi đó, nếu trên tàu đang là 12 giờ trưa mà đồng hồ “giờ quê nhà” chỉ 12 giờ đêm ở nhà, thì chênh lệch là 12 giờ — tức bạn đang ở phía đối diện Trái Đất, cách quê nhà đúng 180° kinh độ.
E. After 1714 when the British government offered the huge sum of £20,000 for a solution to the problem, with the prize to be administered by the splendidly titled Board of Longitude. The Government prize of £20,000 was the highest of three sums on offer for varying degrees of accuracy, the full prize only payable for a method that could find the longitude at sea within half a degree. If the solution was to be by timekeeper (and there were other methods since the prize was offered for any solution to the problem), then the timekeeping required to achieve this goal would have to be within 2.8 seconds a day, a performance considered impossible for any clock at sea and unthinkable for a watch, even under the very best conditions.
Năm 1714, Chính phủ Anh treo thưởng 20.000 bảng Anh cho lời giải, do Hội đồng Kinh độ quản lý. Đây là mức cao nhất trong ba mức thưởng tương ứng với các yêu cầu chính xác khác nhau; giải tối đa chỉ trao cho phương pháp xác định kinh độ trên biển trong sai số nửa độ cung. Nếu lời giải dựa vào một bộ giữ thời gian (và trên thực tế giải thưởng mở cho mọi cách), thì chiếc đồng hồ đó phải đạt độ chính xác cỡ 2,8 giây mỗi ngày — điều bị coi là bất khả với đồng hồ dùng trên biển, và càng “không tưởng” với đồng hồ đeo.
F. It was this prize, worth about £2 million today, which inspired the self-taught Yorkshire carpenter, John Harrison, to attempt a design for a practical marine clock. During the latter part of his early career, he worked with his younger brother James. Their first major project was a revolutionary turret clock for the stables at Brocklesby Park, seat of the Pelham family. The clock was revolutionary because it required no lubrication. 18th century clock oils were uniformly poor and one of the major causes of failure in clocks of the period. Rather than concentrating on improvements to the oil, Harrison designed a clock which didn’t need it. In 1730 Harrison created a description and drawings for a proposed marine clock to compete for the Longitude Prize and went to London seeking financial assistance. He presented his ideas to Edmond Halley, the Astronomer Royal. Halley referred him to George Graham, the country’s foremost clockmaker. He must have been impressed by Harrison, for Graham personally loaned Harrison money to build a model of his marine clock. It took Harrison five years to build Harrison Number One or H1. He demonstrated it to members of the Royal Society who spoke on his behalf to the Board of Longitude. The clock was the first proposal that the Board considered to be worthy of a sea trial. In 1736, a sea trial was carried out.
Chính phần thưởng ấy (ước tương đương khoảng 2 triệu bảng ngày nay) đã truyền cảm hứng cho người thợ mộc tự học người Yorkshire, John Harrison, theo đuổi thiết kế một đồng hồ hàng hải thực dụng. Thời kỳ đầu ông làm việc cùng em trai là James. Dự án lớn đầu tiên của họ là chiếc đồng hồ tháp cho chuồng ngựa ở Brocklesby Park, nổi bật ở chỗ không cần bôi trơn — dầu đồng hồ thế kỷ 18 rất kém và là một nguyên nhân hỏng hóc phổ biến. Thay vì cải tiến dầu, Harrison thiết kế một cơ cấu không cần đến nó. Năm 1730, ông đem bản thuyết minh và bản vẽ đồng hồ biển lên London tìm tài trợ; trình bày với Edmond Halley (Nhà thiên văn Hoàng gia), người giới thiệu ông tới George Graham, thợ đồng hồ hàng đầu nước Anh. Graham tỏ ra rất tin tưởng và đã cho Harrison vay tiền để làm mẫu thử. Harrison mất năm năm để hoàn thiện chiếc H1. Ông trình diễn trước Hội Hoàng gia, và họ đã giới thiệu H1 với Hội đồng Kinh độ để tổ chức thử nghiệm trên biển. Năm 1736, thử nghiệm trên biển đã được tiến hành.
G. After several attempts to design a betterment of H1, Harrison believed that the solution to the longitude problem lay in an entirely different design. H4 is completely different from the other three timekeepers. It looks like a very large pocket watch. Harrison’s son William set sail for the West Indies, with H4, aboard the ship Deptford on 18 November 1761. It was a remarkable achievement but it would be some time before the Board of Longitude was sufficiently satisfied to award Harrison the prize.
Sau nhiều lần cải tiến H1, Harrison tin rằng lời giải nằm ở một thiết kế hoàn toàn khác. H4 khác hẳn ba bộ giữ thời gian trước đó: nó trông như một chiếc đồng hồ bỏ túi cỡ lớn. Ngày 18/11/1761, con trai ông là William mang H4 lên tàu Deptford đi Tây Ấn. Kết quả rất ấn tượng, song phải mất thêm thời gian Hội đồng Kinh độ mới thoả mãn đầy đủ để trao thưởng cho Harrison.
H. John Hadley, an English mathematician, developed sextant, who was a competitor of Harrison at that time for the luring prize. A sextant is an instrument used for measuring angles, for example between the sun and the horizon, so that the position of a ship or aeroplane can be calculated. Making this measurement is known as sighting the object, shooting the object, or taking a sight and it is an essential part of celestial navigation. The angle, and the time when it was measured, can be used to calculate a position line on a nautical or aeronautical chart. A sextant can also be used to measure the Lunar distance between the moon and another celestial object (e.g., star, planet) in order to determine Greenwich time which is important because it can then be used to determine the longitude.
John Hadley, một nhà toán học người Anh và là đối thủ cạnh tranh giải thưởng, đã phát triển sextant — thiết bị đo góc (chẳng hạn giữa Mặt Trời và đường chân trời) để xác định vị trí tàu hoặc máy bay. Việc đo này (gọi là “lấy góc” hay “bắn góc”) là khâu thiết yếu của định vị thiên văn. Giá trị góc cùng thời điểm đo được dùng để vẽ “đường vị trí” trên hải đồ/hàng không đồ. Sextant còn có thể đo khoảng cách Mặt Trăng với một thiên thể khác để suy ra giờ Greenwich, từ đó tính kinh độ.
I. The majority within this next generation of chronometer pioneers were English, but the story is by no means wholly that of English achievement. One French name, Pierre Le Roy of Paris, stands out as a major presence in the early history of the chronometer. Another great name in the story is that of the Lancastrian, Thomas Earnshaw, a slightly younger contemporary of John Arnold’s. It was Earnshaw who created the final form of chronometer escapement, the spring detent escapement, and finalized the format and the production system for the marine chronometer, making it truly an article of commerce, and a practical means of safer navigation at sea over the next century and half.
Phần đông những người tiên phong của đồng hồ hàng hải ở thế hệ kế tiếp là người Anh, nhưng đây hoàn toàn không chỉ là câu chuyện của người Anh. Ở Pháp, Pierre Le Roy là một tên tuổi lớn trong lịch sử ban đầu của đồng hồ hàng hải. Tại Anh, Thomas Earnshaw (trẻ hơn đôi chút so với John Arnold) là người hoàn thiện bộ thoát chốt lò xo — dạng cuối cùng của bộ thoát cho đồng hồ hàng hải — và hoàn chỉnh cả cấu trúc lẫn hệ thống sản xuất, biến nó thành một mặt hàng thương mại thực thụ và là công cụ đảm bảo an toàn hành hải trong suốt hơn một thế kỷ rưỡi.