对人类历史影响最大的十大发明是什么？为什么？

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作为一个海洋话题的回答者，我说“一个”关于关于海洋的“发明”。

之所以给“发明”二字加了引号，是因为准确的说它应该属于人类通过奋斗获得的一种能力，它的最终目的并非创新性的制造某种工具，甚至也难于归纳为一种成体系的理论，但它确实有一个从无到有，不断完善的过程，发明二字可能还是担待得起的吧。

之所以给“一种”二字加了引号，是因为人类追求这种能力的过程中，衍生了一系列的产物，经过了数之不尽的迭代更新，其发明者既不是一个单独的个人也不是特定的团体，发明的年代跨度更是久远达数万年，这其中的每一个阶段都产生了无数的发明，但这所有的发明又都是为了这个最终目的而存在的。

尽管有以上两种跑题的嫌疑，但我最终还是按捺不住要写下这个回答，因为这个发明之重要，对我们生活的影响之深刻，在我个人看来，整个人类史上都无出其右者。仅仅看它衍生出来的一些副产品，你就能理解我此言不虚：

• 这个发明直接推动的科学门类包括但不限于：地理学、天文学、测绘学、工程学、光学、海洋学……
  
• 这个发明直接导致的世界格局变化包括但不限于：地理大发现，英语成为世界语言，格林尼治时间成为标准时间，经济全球化，殖民主义……
  
• 对这个发明做出卓越贡献的革新者们包括但不限于：达伦、牛顿、伽利雷、惠更斯、胡克、哈雷、欧拉、哈里森以及更多因年代原因已不可考的奉献者……
  

这个发明就是：定位技术

我从哪来，要到哪去，在今人看来，更多的是哲学层面的问题。但在人类漫长的历史上，不知道自己在哪，不知道从何来，不知道往哪去，却又是实实在在的生活困扰。古人类从东非扩散之后，更多的是追逐猎物的踪迹，还没有一个明确的目的，所以这方面的困扰还不算十分明显，但在农业社会和定居生活成型之后，如何确定自己的方位，就成了每一个人生活中必须解决的难题。

天体运行是人类最早发现的自然现象之一，其中最为瞩目的当属太阳的起落，世界各主要文明都对太阳的运行规律有过较为系统的研究，太阳总是从一面升起，另一面落下，最早的东西方向的定义也就由此而来。而夜间的星辰变换就相对复杂，但仔细观察不难发现，北半球的所有星辰都在围绕一个点做圆周运动，这就是北天极，也就是小熊座所的位置，其中最亮的一颗星——小熊座α就是我们所说的北极星，那么南北方向的定义也就由此而来。我们可以看到，虽然古代人类并不能理解地球的地轴和自转，但根据日常观察得出的方向还是很准确的。

然而仅仅了解了方向完全不能解决自身定位的问题。方向和方位，是完全不同的两个概念，比如把你扔到沙漠里，仅仅告诉你东西南北，你也找不到绿洲，你必须知道你在绿洲的哪个位置，每个绿洲距离你多远，你才能最快速度的、正确的走到绿洲，说白了，经度和纬度，才是决定自身定位的核心。

但是以远古人类的知识体系要准确测量自身经纬度无疑天方夜谭。好在我们人类是一种陆生生物，陆地上总有许多地标参照，所以以地标指路的方式，倒也可以作为一种折中的办法。你知道河流下游有个村儿，村里有个姑娘叫小芳，那就沿着河走，总能找到；小芳给你留了个定情信物，埋在村东头大槐树南边十步，你也能得到。这个办法我们至今也在沿用，比如你找路边大爷问路，他就会告诉你，你要去的地方在这里往南走，过第二个红绿灯右拐，过了电影院左拐就到了。这就是一种典型的地文定位法。

路标是一种常见的地文定位指示工具

然而随着人类技术的进步，船这种交通工具被发明出来，人类的活动范围从陆地扩展到江河湖海，仅仅依靠地文定位就有点不够用了。河流和较小的湖泊还好，依然可以根据水岸走势目测定位，但在缥缈浩瀚的深海大洋，那可是啥参照物都没有的。然而当时人类除了地文定位之外，并无其他可用的定位方法，所以最早期的船只航行，基本都采用了沿岸航行的方式。

顾名思义，沿岸航行就是保持海岸线一直在目视范围之内，这个方法的缺点很明显：其一是沿岸前海暗礁乱流很多，尤其是夜间航船，船只极易触礁受损；其二，航船不敢远离海岸，那么航线就非常固定，海盗甚至连搜寻目标的功夫都不用费，找个岸边守株待兔即可；第三是航程受到限制，比如先秦时期要航行去日本，必须一路绕行辽东半岛、朝鲜半岛，沿着对马海峡的各个岛屿以蛙跳的形式接力穿越才能抵达，传说中的徐福东渡，就是走的这条路线，而完全远离海岸的跨洋航行则根本无法开展。（拓展阅读：日本人的起源是哪里？ ）

尽管有以上缺点，但沿岸航行最大的好处就是不用担心迷失在汪洋大海里，汤普森在《中世纪经济社会史》写道：没有一个船主敢冒险出海到望不见陆地的洋面上去， 因为他们认为，那碰到暗礁和浅滩的船难危险, 总不如沉没在大海里的可怕。那么为了尽量减少船只触礁搁浅的危险，灯塔作为一种全新的建筑形式发展起来。早期的灯塔就是个砖石砌成的塔楼，顶上升以火盆，然后用金属镜子反光，虽然火光亮度不高又来回闪烁，稍远一点就难以被发现，但这种灯塔还是沿用了两千年多年，直到17、18世纪，随着燃气灯、凸透镜、菲涅尔透镜（手机闪光灯那种一圈一圈的玻璃罩）以及日光开光的不断发明，灯塔的实用性才达到了新的高度，时至今日，这种灯塔依然踞守在许多悬崖、孤岛和暗礁之上，也算是沿岸航行残留至今的一丝印记。（拓展阅读：大海的灯塔是如何建造的？）

现代灯塔技术的革命性开拓者尼尔斯·古斯塔夫·达伦，这个发明了日光开光、频闪灯和高性能储气罐的男人，极大的降低了灯塔的耗能，一举解决了远洋灯塔需要有人常年值守的弊病，奠定了灯塔这种沿岸航行工具使用至今的基础，被称为海员的“恩人与明灯”，他自己却失明了

当然，这个阶段也有一些被逼急了的航海者误打误撞点了新的天赋，最为典型的就是南岛人。现在的研究表面，南岛人故居在台湾、菲律宾、甚至中国的华南地区，不知道出于什么原因（其他人类群体的竞争或者威胁？未定论），在公元前3000年开始向南迁徙，到了巴布亚新几内亚之后，忽然拐向东南方的南太平洋，依靠着极为简陋的独木舟，占领了一些近岸岛屿，但这些岛屿实在太小，岛上的资源并不足以维持一个族群的生存和发展，人类对于生存的渴望所激发出的勇气与智慧，促使南岛人中的波利尼西亚人做出了极为震撼的举动：他们硬生生用了4000年的时间，在太平洋上划了一个以夏威夷群岛、新西兰和复活节岛为顶点的波利尼西亚大三角，占领了南太平洋几乎所有的岛屿。

南岛人的迁徙过程，玫红色箭头指示的即为波利尼西亚人对南太平洋的征服史，实际上，南岛人的另外一支还横跨了印度洋占领了非洲东南角的马达加斯加

要知道，这些岛屿之间，相隔何止成百上千海里，即便以今天的航海技术来看，这仍然算得上极大的挑战，要发现和占领这些岛屿，仅仅依靠勇气是不够的，根据对波利尼西亚航海技术的考古研究，我们初步推测，他们一方面逐渐掌握了洋流和风向的变化，一方面以星辰的角度修正自己的航向，甚至还学会了以海鸟导向——除了军舰鸟等少数可以长时间翱翔之外，大多数海鸟总要回到岸边巢穴，跟着鸟走，就是陆地！我们可以看到，以风向水势、甚至海洋生物导航的方式，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。

（拓展阅读：波利尼西亚人如何能只靠独木舟征服太平洋，独木舟上的吃喝、生火怎么解决？）

无独有偶，水文定位在其他航海文明中也逐渐发展，尤其在我国的北方海区，水文定位发展到了一个非常高的程度。由于辽、金对山东半岛的占据，北宋时期从宁波到高丽的航线，已经不能采用沿岸航行的方式。地文导航的缺失，迫使航海者必须找到新的定位方式，而我国黄海海区的海水颜色的变化，就恰好成为了可以大致定位的工具：从宁波出海后，因为水深较浅，海水较为清透，被称为“白水洋”，而到了黄海中部，则能发现一条横贯大洋的含沙量高的黄色水域，其实就是黄河入海口带来的泥沙所致，被称为“黄水洋”，经过黄水洋之后，海水骤然深色如墨，这就是黄海北部的深水区，即为“黑水洋”，渡过黑水洋，就可以大致到达高丽海域了。欧洲航海也用水文定位来判断海水深浅，依据深浅变化测定船只是在靠近海岸还是远离海岸。

如今的山东东营黄河入海口，因为泥沙所致的黄色浑浊海水依然清晰可见

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难以辨认。更要命的是，水文定位的准确度十分感人，指示个大概方向尚可，远距离精确导航就完全不靠谱，所以只能作为辅助工具，在其他定位方式日渐成熟之后，水文导航就很快衰落了。

那么逐渐成熟的其他定位方式又是什么呢？这就是在沿海航行和水文定位以及指南技术基础上发展出来的更路导航法。

文头我提到过，远古人类通过观察日月星辰，以及可以大致的定位东西南北方向，在海洋上当然也可以采用这样的方式判断方向，如果阴天怎么办呢？这个时候就要用到我们中国人的四大发明之一——指南针，利用天然磁石让金属针带上磁性的办法，把金属针放在树叶或者木片上，然后利用水盆中的水来抵销船只的晃动，就可以大概的指示南北方向。这个办法也经由阿拉伯商人传到了西欧，最晚到了12世纪的时候，东西方主要航海文明都使用了金属针指南。

而早期的航海探索者们把自己偶然游荡在远洋的经历汇集成册，就成了《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，比如在我国海南发现的古代流传《立东海更路》就有记载：

自大潭过东海，用乾巽使到十二更——《立东海更路》

什么意思呢？大潭就是今天海南的琼海潭门港，“东海”即西沙海域。就是说我这次从潭门港出发，往东南方向行驶了12个更（一更60里），就到了西沙群岛海域，这条航路没问题。

“更”（也就是路程）怎么确定呢？其实没法准确的测量，我国古代水手一般的做法是从船头扔一个木片，计算它多久能飘到船尾，然后除以船的长度，就大约算出了船只现在的航速，然后以焚香或者其他的计时方式，大致算出跑一更的时间，就这么跑12更就到了西沙了。

而现在航海通用的速度单位“节”和距离单位“海里”，可能也是这么又来的，一种说法是其起源于西欧水手把捆有浮漂的绳子从船尾放下，一盏沙漏走完之后，拖上绳子一量，大概是1852米，这就被定义为一海里，相应的，一小时走完多少海里，航速就是多少节。

其实大家也能看出，这个方式精确度不会太高，船只的速度只是一个推算数，要知道船在海洋中的速度并不是恒定的，受到洋流和风速的影响很大，很可能已经过了跑完一更的时间，却连半更的距离都没跑到；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，我们今天知道西沙并不在琼海的正东南方向，应该是再偏南一些，不过更路簿也是不断的更新，而为了加强更路簿的准确性，一般也会结合沿岸航行和水文定位的方式，比如记下路上的沙洲啊，小岛、各地水深啊之类的，不断的修正航线，也会总结大家的不同航行经历修正具体的更数（距离）和针位（方向）。

同期的西方海航，也有类似的更路导航，比如15世纪的英国航海指南就这么写：

当你们离开菲尼斯特雷角( 西班牙) 时, 可定东北航向。如果你们估计已完成了三分之二的航程, 那么你们应该向北偏东航行, 直到进入浅水处。如果你测出水深为90 至10 英寻, 那么应继续北航, 直到水深72 英寻的淡灰色沙层为止。这就是克利尔角( 爱尔兰) 和锡利群岛间的海角。然后向北, 直到测出淤泥, 再向东北或东偏北航行（就可返回母港）

“估计完成了三分之二的航程”，这也够坑的吧……说白了，更路导航法就像是一个蒙眼摸路的游戏，你蒙着眼睛，有人告诉你往前走十步，再右转走五步，就能摸到东西。玩过这个游戏的都知道，这种指路方式的误差挺大的。不同的是，游戏失误了可以重来，海上迷航了，就是死路一条。

现在我们可以沿着海岸线航行了，依靠灯塔尽量的躲开暗礁，依靠指南针指示大体的方向，还可以根据岸边的山形和洋面水势和水深的变化，依靠前人积攒的经验所划定的固定航线航行了，然而尽管如此……还是时常有找不到目的地的情况出现：

我们今天常常会说起玄奘西行取经的故事，其实在玄奘之前，中国僧人西行求经亦有过多次，史书可查的最早的一位汉族和尚——八戒和尚朱士行（法号真的就是八戒……）在三国时期就动身西行，不过到了于阗国就停下了，再也没回来，而第一位到达天竺并带着经书返回的则是东晋时期的法显和尚，他和八戒和尚、以及后来的玄奘和尚一样，走的都是西域的路线，但是归国的时候则走了海路，他从孟加拉湾入海，船只以沿岸航行的方式沿着印度东海岸南下，法显又在斯里兰卡住了两年，又换船以更路导航法跨越了斯里兰卡与马来半岛之间的洋面，穿越马六甲进入南中国海之后，又继续以更路导航法，企图找到广州港所在的位置，但是连日大雨，这个时代又没有可用的船用指南针，所以“不知东西”，偏航偏的厉害，一直没有发现陆地，最终稀里糊涂的在山东青岛崂山登陆了……

不需要看地图，我们也能知道广州和青岛的差距之远，导致这个结果的原因就在于：即便我们在海上可以测量出大概的方向，但我们没法给自己定位，简单的说，即便是法显这艘船配备了指南针，他也只知道是在往东开，但不知道自己是在广州的东边还是西边；他也只知道他是在往北开，但是他不知道自己是在广州的南边还是北边。这又回到了题目开始我所提到的——方向和方位是完全不同的两个概念。

所以说，真正要彻底解决定位的难题，还需要从经、纬度测定的角度入手，而技术发展到这个时代，已经有了研究这两个问题的基础。

最先被攻克的是纬度定位，也就是南北定位。纬度是一个自然概念，从赤道开始到两极，南北两侧分别划为90个纬度，人们逐渐发现，不同纬度上，太阳和星辰与地平线所成的夹角是不同的，只要有一个稳定的平面，通过象限仪就可以测量出某一地的某些天体的角度，就可以推算出纬度。

但是海洋上怎么找这个平面呢？我们前边说过指南针可以做的像针一样小，放在木片上飘在水上抵销船身晃动，但象限仪做不到那么小，为了帮助它保持平衡，就发明了常平架，这种设备通过陀螺转动和重力配平，保持架在其上的象限仪始终与海平面持平，我们今天在很多摄影机云台上都可以看到这个发明的进化版。

这种在手机拍摄时保持稳定的手持云台，就利用了常平架的原理

北大李丞博士研究唐代中日通商纪录发现，在公元838年至907年这个阶段，商船直接跨越东海到达日本的成功率有一个骤然上升的态势，而又结合宋朝文献已经明确记载了大规模采用“牵星法”的纪录来看，这个时间段，就是中国在世界上率先突破并实际应用以“牵星术”为代表的测量纬度的南北定位技术的开端。而12到13世纪，阿拉伯船只也普遍的采用了“卡玛尔”技术南北定位，14世纪地中海航路上出现了相对比较原始的“雅各竿”定位技术，而欧洲有了可以和“牵星术”、“卡玛尔”相媲美的测量技术，已经是15世纪以后的事儿了。

后来，以测量天体角度为核心原理的纬度南北定位技术又经过了许多革新，牛顿最先提出了一种更灵活的测量天体角度的工具的设想，依据这个设想，美国人托马斯.戈弗雷和英国人约翰.哈德利分别独立发明出了反射象限仪，也就是八分仪，这个设备不依赖常平架也可以直接读出天体的角度，英国的坎贝尔船长进一步把八分仪改进为六分仪，英国人拉姆斯顿又用自己发明的分位仪极大的提升了六分仪的刻度精度，最终把体积庞大的六分仪，变成了下图这样的小玩意儿：

六分仪

发展至此，纬度定位已经非常成熟了，虽然还无法测量经度（下面会讲），但一些航海者已经可以仅仅靠着纬度达到自己的目的了。最为著名的就是哥伦布，在他那个年代，古希腊的地圆说又逐渐成为了主流，哥伦布相信，只要保持自己的船始终在北纬28度线上（依靠纬度测量）一路向西（依靠指南针），就可以到达印度，于是他出发之后，先沿着非洲海岸线行驶到北纬28度，然后笔直的向西，后来发生的事儿大家都知道了，不细表了。

但随着哥伦布引发的航海热潮而来的，是数不尽的船只迷失在茫茫大洋深处，尽管地球是圆的，尽管按照同一个纬度航行下去总有一天会到达陆地，但我这个纬度上哪个地方有暗礁和旋涡，我这个纬度上最近的大陆是在东边还是西边，又有多远，我的船员能不能在得坏血病死光光之前看到陆地，都无法预料，由于欧洲大陆迫切需要新大陆殖民地的资源，往来穿越大西洋的船只数量非常的多，海难惨剧频发，人们对经度定位的需求也日益紧迫。

和纬度不同的是，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不同，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，这没有本质的区别。

然而总有一个变通之法，《三联生活周刊》特约攒稿人袁越——也就是微博上著名的土摩托写过：

地球24小时自转一周，一周的经度是360度，于是，每个小时就相当于经度的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——土摩托

正是根据这个设想，荷兰数学家伽玛.弗里西斯提出用一个“特别精确的钟表”来推算经度。这块表总是显示陆地上一个地区——比如伦敦——的当地时间，你带着它航行，然后测量当地的太阳高度角 hs，测量当地纬度φ、赤纬δ，就能利用下面这个公式算出当地Ω时角，推算出当地时间：

sin hs =sinφ·sinδ+cosψ·cosδ·cosΩ

有了当地时间，再和那块特别精确的钟表所显示的伦敦时间比对，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”。

伽玛.弗里西斯（Gemma Frisius）

另一个方案则来自天文学研究：

德国天文学家约翰尼斯•沃纳（Johann Werner）提出利用月亮的移动来测量经度。他通过观测发现，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。他假定地球上观察到的月亮行为都是一样的，只要在两地分别观测月亮，准确记下它移动到某个位置的时间，就能算出两地的经度差。 ——土摩托

也就是说，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点运行到某一个恒星A所在的位置，那么海上的水手在观察到这个现象的时候，就能知道“哦，伦敦现在是凌晨1点”，那么他只要再算出这艘船所在位置的当地时间（和上边通过太阳计算当地时间的方法类似），就能知道自己的经度。这就是“月距法”。

燃鹅……这2个原理看似简单，却都死在了第一步——当时根本没有这么精确的钟表，当时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，一趟远洋航行动辄以月计算，行驶到大洋深处，这块表所显示的伦敦时间可能就比真正的伦敦本地时间差了个把钟头，而以赤道为例，差四分钟，就是差了1个经度，差了1个经度，就差了108公里，要是这块表差了半个小时……

而要准确的推算出月球会在伦敦时间的何时运行到何地，首先要有一张准确的星图，其次要有一个公式准确的推算出月球的运行规律，这两者在当时都无法做到。

为了攻克这个难题，大航海时代最主要的几个航海国家，比如西班牙、葡萄牙、意大利和法国，都设立了高额的奖赏，尤其以1714年英国设立的“经度奖”最为诱人，该奖项规定，凡是有办法在地球赤道上将经度确定到半度范围内的人，奖励两万英镑；将经度确定到2／3度范围内的人，奖励1．5万英镑；将经度确定到一度范围内的人，奖励1万英镑。两万英镑是个什么概念呢？放在今天来说，差不多得人民币一个亿……

最早向这个难题进军的著名科学家当属伽利略了。伽利略认为，既然月距法的条件还不成熟，何不换一个别的星体？他把目光放在了木星上。1610年，伽利略发现了木星的4颗大卫星（也就是后世所称的伽利略卫星），它们以极快的速度绕着木星公转，转速和轨道都极有规律。伽利略潜心观察了6年，认为用这四颗卫星来替代月亮，完全可以达到准确定时的目的。

然而伽利略的这个构思并没有被广泛采纳，最核心的原因是，木星在天空中实在是太小了，它的卫星也必须要借助高倍天文望远镜才能看得到，而在飘摇的大海上，即便是用上常平架，也不能满足天文望远镜的需求。伽利略最早把这个算法投给了西班牙政府，完全是石沉大海；他又把这个点子投给了荷兰政府，荷兰政府犹豫了半天，最后决定派惠更斯去找伽利略交流一下，结果惠更斯还没出发，伽利略就与世长辞了。

虽然伽利略的方法不太适用于海上，但这个点子在陆地上用用是没问题的，伽利略死后20多年，在法国国王路易十四的支持下，由意大利科学家卡西尼（此时受聘为法国巴黎天文台台长）集结了欧洲几乎所有天文学家，利用伽利略的“木星四卫星法”对欧洲大陆进行了精确测量，画出了人类历史上第一张精确地图，随后又画出了第一张精确的世界地图，由于在此之前人们绘制地图缺乏足够精确的工具，早期的地图与实际地形、面积相差极大，这两张图的面世，彻底重塑了人们对家园的认识。有趣的是，传闻路易十四看到这张地图的时候无比惆怅，他表示：

麻蛋……朕丢在你们这张图上的国土，比被敌人抢走的还多……朕的心里啊，拔凉拔凉的……

朕的法兰西呢？朕以前在地图上看的、那么大的一个法兰西呢？

在绘制这个陆地地图的过程中，丹麦天文学家奥勒•雷默发现，随着木星和地球轨道距离的变化，木星出现的时间也有一些差别，简单地说，木星在距离地球轨道最远的时候，总是晚出现那么几分钟，人类第一次认识到光也是有速度的，雷默继而推算出了大致的光速，虽然远不及今天精确，仍不失为一项了不起的成就。

那么我们再回到当时迫切需要解决的海上的经度定位问题。就在法国人到处画地图的时候，英国国王查理二世也决心举全国之力来破解这个难题，1675年，查理二世下令在格林尼治村设了一个天文台，聘任约翰·弗拉姆斯蒂德任台长，专心钻研经度定位问题。作为一个天文学家，弗拉姆斯蒂德认定“钟表法”短时间内不可能有什么突破，“月距法”才有最光辉的未来。而针对“月距法”需要解决的两个问题：精确的星图和月球运动理论，他把重心放在了前者，而后者，则由艾萨克.牛顿（受我跪地三拜）来推算。

弗拉姆斯蒂德是一个极其坚韧的天文学家，他假定天空中有一条虚拟的零经度线，通过他夜以继日的研究，一颗一颗的观察和记录下每颗星星通过这条线的时间和所处的高度，积累了海量的数据，就可以画出这张星图。为了这个工作，弗拉姆斯蒂德几十年如一日的昼伏夜出，天文台就是他的家，望远镜就是他的眼睛，生活在的一切都围绕着这个重心转动，甚至连自己结婚也差点耽误了，直到快五十了才结婚，结婚之后他又担心生孩子抚养孩子之类的事情会耽误研究，那就干脆不生……

苦心研究了37年之后，弗拉姆斯蒂德获取的数据其实已经足够丰富，可以初步满足月距法的需求了，但作为一个完美主义者，弗拉姆斯蒂德坚持认为还不是公开的时候。不过这些数据已经引起了牛顿的高度兴趣，因为牛顿着手研究的月球运动理论，极其需要弗拉姆斯蒂德获取的数据的支持，但要说服弗拉姆斯蒂德交出这些“还不完善”的数据是很难的。几次碰壁之后，无奈之下的牛顿就鼓动自己的朋友、弗拉姆斯蒂德的同事——大名鼎鼎的天文学家哈雷——去把这些材料偷出来。

埃德蒙.哈雷，因成功预测哈雷彗星周期而名声大噪，后长期担任英国经度委员会委员，作为一名天文学家，他不仅积极投入到“月距法”的研究，对“钟表法”也十分支持

最终结果是，哈雷成功的得手，牛顿大喜所望，把这些数据印刷了出来，弗拉姆斯蒂德大冒肝火，想方设法找回了这些印刷品中的绝大部分，一把火就给烧了，两年之后的1713年，弗拉姆斯蒂德带着怒火死去，哈雷奉命来接管他的研究材料和设备，结果到了天文台一看，设备已经被弗拉姆斯蒂德的妻子变卖或者毁坏殆尽，最关键的观测数据也是一点也没给哈雷留下。

当然了，数据其实没有销毁，11年之后的1724年，弗拉姆斯蒂德的妻子整理出版了《不列颠星表》，这是当时最准确的北半球的星图。然而可惜的是，这份星图来的太迟，而急需要它来进行进一步研究的牛顿，已经时日不多了，1727年，牛顿带着未能破解月球运动理论的遗憾与世长辞，而这关键一步的解决，还需要等待时日，等待一个此时仅有20岁的瑞士青年人慢慢的探索。

巧合的是，就在牛顿辞世的这一年，一个英国木工开始经度奖挑战产生了兴趣，这就是约翰·哈里森。此人动手能力极强，对机械的感觉也非常敏锐，19岁那年，他拆开了一座摆钟观察了一阵，然后自己用纯木头仿造了一台……

哈里森那个年代的钟表，主要是摆钟，我这个岁数的人应该都见过那种家庭使用的壁挂式摆钟，这种钟摆的原理其实又是伽利略发现的（怎么又是你……），伽利略在仔细的研究了教堂房顶挂着的油灯之后发现，它摆动的时间非常有规律。惠更斯（就是差点和伽利略见面的惠更斯，向心力定律的发现者，动量守恒理论的创建者）不知是否借鉴了伽利略的发现（他自己声称是独立发现的），利用弹簧为动力，发明了第一代摆钟，简单的说，就是把规律摆动的钟摆作为一个计时器，把弹簧发条作为一个动力源，以擒纵器为连接，将弹簧的动力有节奏的传递到表针上。当然了，胡克（牛顿的死敌，显微镜的发明人，细胞的发现者，弹性理论的创建者，弹性定律的提出者）激烈的攻击惠更斯，认为其抄袭了自己的发条钟表和摆轮游丝（另一种计时器）设计。

一座典型的摆钟，以钟摆固定周期的摆动，控制擒纵器将发条动力传输到表盘，达到显示时间的目的

哈里森仔细研究了提升钟表精度的方法。他意识到，钟表走时不准确，一部分原因出现在擒纵器这个核心部件上，无论是惠更斯还是胡克，它们的擒纵器在传递发条的能量时，总是会造成新的摩擦力，这种摩擦难以消除，又难以量化。针对此，哈里森发明了新式擒纵器——“蚂蚱”，这种擒纵器尽量减少部件之间的接触，通过巧妙的力学平衡来达到有节奏传输发条能量的目的：

此外，根据惠更斯的研究，重力恒定的前提下，钟摆的运动频率因长度而不同，那么，热胀冷缩所引发的钟摆长度的变化，也会造成钟表不够准确。解决这个问题，哈里森研究了各种不同金属的热胀冷缩性能，最后发现，铜和铁的热胀冷缩比是不一样的，然后他拿出来下面这个设计……

哈里森的格栅钟摆，巧妙利用锌（哈里森用的是铜）和铁的不同热胀冷缩比，热胀冷缩的时候，最中间的铁棍边长，但增加的这段长度被中间层的锌棒变成的长度“提了上去”，而中间锌棒变成多余的长度，又被最外层铁棒变长的长度“拉了下来”，只要掌握了两种材料的热胀冷缩比，然后根据比例算好各个棒的长度，就可以保持钟摆的总长度都不变化……我第一眼看到这个设计的时候就直接跪下了

哈里森需要面对的第三个问题是解决船身的晃动对钟摆的影响，他的钟摆是哑铃状的，而且是两个，左右两侧的钟摆两端分别以弹簧相连，那么无论那边的受到晃动影响，都会被另一方的抵消，这就最大程度上解决了船身晃荡的问题。

有了这三板斧，哈里森就决心去找经度奖的评审机构——经度委员会了。

然而哈拉森找遍了整个伦敦，竟然找不到经度委员会的办公室。原来经度委员会设置这么多年来，连一个靠谱的方法也没征集到，最早期来报名参加评审的那些人，要么就是民科，要么就是神棍，经度委员会干脆雇了个秘书，每天就处理这些无聊的来访和垃圾邮件，然后一脸和蔼一本正经的回复来访者：

别做梦了，这两万英镑不是你的

到了哈里森这个年代，经度委员会干脆连秘书都辞退了。哈里森无可奈何，只能去找经度委员会的委员，那个全英国都知道的人——哈雷。

我们很难想象哈雷是如何接待哈里森的，根据历史的记录和哈里森自己留下的资料来看，他的语言表达能力非常混乱，想必哈雷也是听得一脸懵逼的。但哈雷这个人待人处事很是讲究，他诚恳的告诉哈里森：你看啊，我们这个委员会，要么就是天文学家，要么就是航海家，你说这个机械设计，我真是看不懂，要不我给你推荐个人？

哈雷推荐的人是谁呢？就是当时很有名的钟表专家乔治·格雷厄姆，只看了一眼哈里森的图纸，格雷厄姆就激动地语无伦次，这个设计太奇思妙想，又太有可行性了，格雷厄姆拉着哈里森问了整整一天，然后自费掏了200英镑，让他赶紧做个样品出来看看。

回家又埋头苦干了五年，哈里森的第一台航海钟——H1终于横空出世，他和自己的弟弟在家里用火烤的方式验证它对抗热证冷缩的能力，又把它放在河边小船来回摇晃验证抗摆动的能力，确信无误之后，当即运到了伦敦，格雷厄姆和哈雷看了之后一致叫好，马上联名给经度委员会写推荐信，帮哈里森申请了一笔费用用于海上测试，这次海上测试非常成功，完全达到了经度奖二等奖——即将经度确定到2／3度的要求。

HI航海钟

1737年6月30日，英国经度委员会召开了成立以来第一次全体会议，8个委员认认真真的听着哈里森用极为有限的语言表达能力做着报告，委员会当即表示，可以进行一次加勒比海的远洋测试，如果成功，就可以支付给哈里森二等奖的奖金1.5万英镑。然而哈里森一口回绝，并逐条阐述了测试期间自己发现的H1现存的问题，他希望申请一笔资金，回去继续改进。

1741年，哈里森拿出了H2，经过一系列测试，哈里森又一次主动提出，发现H2还有个问题，就是不能克服船只转弯时产生的离心力，于是要求继续给予时间和资金支持。然后哈里森全家干脆搬到了伦敦，这次的升级改造持续很久，直到1757年，哈里森才完成了H3的制作。在制作H3的过程中，他又发明了几件我们一直沿用到今天的重要机械元件，比如——双金属片和夹圈轴承。然而H3还没等到试用，又被哈里森自己给否定了，他认为H3依然太大太笨重，完全可以做的更为小巧便携。1759年，哈里森完成了H4，其尺寸已经缩小到13公分，哈里森当时已经年事已高，就派自己的儿子威廉.哈里森去委员会申请出海试验。

哈里森发明的夹圈轴承今天依然是机械设备上必不可少的元件

此时哈雷已经去世，接替他成为格林尼治天文台台长的詹姆斯·布拉德利。作为一名天文学家，布拉德利一直在关注“月距法”的发展，而这段时间“月距法”也的确取得了重大的突破：

先是法国天文学家尼古拉斯·路易斯·拉卡雷效仿弗拉姆斯蒂德，跑到南非待了好几年，终于完成了南半球星图的绘制，这样，“月距法”的第一个基础就算彻底完成了。而我之前提到过的，牛顿去世那一年，一个瑞士的20岁小伙子，也终于参与到了这项工程中来，他凭借这张星图，以数学公式的形式，推算出了月球运动的轨迹，这就是数学巨匠欧拉，一个在眼睛瞎了之后，还可以用心算研究微积分的神一样的男人。

莱昂哈德·欧拉，最伟大的数学家之一，分析力学的创始人，流体力学的创始人，刚体动力学的创始人，微积分的奠基人之一，数独游戏的发明人，其发明的函数符号、以其命名的数学公式不计其数

有了星图，有了月球运行轨迹，那么“月距法”的难题，看起来就算是攻破了，其实不然，虽然1755年德国人托比厄斯·迈耶在此基础上，拿出了第一份《月球表》，但这份表的精度还有待于验证，其次，“月距法”需要运行大量的数学计算，一个熟练的导航员也需要算四五个小时才能得出结果，而这个复杂的计算过程中出任何差错都会导致结果的谬之千里。

我们可以看出，这个时候，钟表法和月距法的竞争已经白热化，两者都已经做到了了从理论到现实的初步实现，现在要做的就是谁的精度更高。1761年，布拉德利派出了多支科考队前往世界各地对“月距法”进行试用，哈里森也要求马上对自己的H4进行测试却长时间没有得到委员会的批准，直到61年11月才得以出海，哈里森认为，这一定是担任委员会委员的布拉德利从中作梗，偏袒月距法。

哈里森的H4和月距法在这次试验中都取得了成功，进一步加大了双方的火药味，尤其是哈尔森，经度委员会要求他公开专利，并需要额外进行一次测试，后来委员会支付了1万英镑的奖金，又提出要哈里森再制造一个升级版——H5，才能支付另一半，哈里森认为这是委员会中的天文学家在故意刁难，是在给月距法争取时间。

而实际上，月距法的领头人物马斯卡林也确实在做这方面的工作，他也意识到了月距法在计算上的巨大困难，最终决定采用最简单高效的方式解决——他雇佣了一大群学生，提前算好每年的月球轨迹，然后印刷成册子，这样水手们只需要购买当年的数据，就可以极大的简化海上试用时的运算流程。1766年，马斯卡林出版了第一卷《航海年鉴和天文星历》把1767年整年的月距和经度的关系列举了出来，此后每年，马斯卡林都会出版第二年的航海年鉴，这本书甚至出版到了今天。

而哈里森的H5则在1770年才问世，已经垂垂老矣的哈里森已经没有能力再出海测试，也没有能力再升级改造H5，但如果不这么做，剩下的1万英镑就到不了手，万般无奈之下，哈里森的儿子威廉直接上书给英国国王乔治三世，乔治三世非常重视，马上让自己的御用天文台对H5进行测试，测试结果异常的棒！于是乔治三世命令经度委员会马上把剩下一半奖金发给哈里森，然而，被无情地拒绝了……

乔治三世：我他妈还能说什么……

乔治三世毕竟是国王，你委员会不给钱是吧，老子自己给，于是大手一挥从国库播了8000英镑给哈里森，为啥不是一万？我也不知道，可能地主家也没有余粮吧。

但是这对哈里森并不重要，最重要的是，这代表官方承认是他获胜了，是他，约翰.哈里森破解了经度难题。

1773年，经度委员会还是支付了剩下的奖金，1776年3月24日，哈里森去世，享年83岁。做为一个一辈子追求准时的木匠，哈里森去世的日期也相当精确——他是在生日那天去世的。

而月距法，也长期存续下来，由于《航海年鉴和天文星历》始终把格林尼治天文台的位置作为本初子午线，世界各国也不得不接受了这种经度和时区的划分方法。

瞻仰一下哈里森老爷子

虽然钟表法和月距法为了拔得头筹打的不可开交，但在实际使用中，水手们更愿意让两者互相配合互相修正。自此之后，人类终于可以准确地知道自己在哪里，自己要去何方，人类第一次掌握了全球范围内的定位技术。

这套经纬度定位方式是如此精确，以致于一直沿用了200多年，而我们现在用的GPS卫星定位，其实也是时钟法的一个升级版本。

由于我对这方面了解的不深，读了几篇论文之后，我个人的理解是这样：

以GPS为例子，卫星1它发出信号，我们手里的设备接收这个信号，卫星发给你的信号是什么内容呢？是它上边所携带的卫星钟在发射信号的时候的时间t1，和它所在的太空中的左边X,Y,Z，你的接收机自己带一个时间t2，两者相减再除以光速，就是你和这颗卫星的距离。

我们想一下，在这颗卫星1看来，和它保持这个距离的其实并不止你锁在的这一个点，而是一个圆。所以你需要卫星2的信号，这样可以确定你在卫星1和卫星2重合的一个面上，再引入卫星3的信号，才可以大致确定你的位置。借用一下 @yoho 的图就是如下：

问题在于，时间总是有误差的，GPS的时间，是通过地面的基站上的原子钟，每天更新一次，而你手持设备上的时间，则误差更大，那么就需要引入卫星4的信号，通过以下公式，来抵消这个误差：

d1=[ (x1 -x)2+(y1 -y)2+(z1 -z)2] 1/2 +c·Δt d2=[ (x2 -x)2+(y2 -y)2+(z2 -z)2] 1/2 +c·Δt d3=[ (x3 -x)2+(y3 -y)2+(z3 -z)2] 1/2 +c·Δt d4=[ (x4 -x)2+(y4 -y)2+(y4-z)2] 1/2+c·Δt

上述四个方程中待测点坐标x 、y 、z 和用户钟与卫星钟之间的时差Δt 为未知数,，其中di 分别为卫星1, 2、3、4 到接收机之间的距离， di =c·Δti(i=l 、2 、3、4)。ti 为卫星1、2 、3 、4 到达接

收机所经历的时间，c 为光速。xi 、yi 、zi分别为卫星1、2、3 、4 在t 时刻的空间直角坐标，可由卫星导航电文求得。（拓展阅读：我国的北斗卫星定位系统和 GPS 定位系统有哪些不同？）

自从卫星定位商业化运营以来，它已经成为了我们生活在最为常用的定位方式，传统的航海钟或者月距法也随之被慢慢淘汰。

但人类的定位需求真的已经彻底解决了吗？其实并没有，虽然在地球上，只要有GPS覆盖的地方，我们已经不需要再为这个问题发愁，但是，我们的征途是星辰大海，我们已经征服了大海，接下来，势必就是星辰！这就是这几年方兴未艾的星际定位技术。

我们现在的很多卫星和飞船，在低于GPS的轨道之下的时候，依然可以和地面上一样，采用GPS定位，但一些深空探测器，或者我们未来会出现的星际飞船，则无法享受这个待遇，它们必须找到新的导航方式，而目前看来，脉冲星定位或许是一个可行的办法。

我国研制的全球首颗脉冲星导航试验卫星（XPNAV-1）冲上云霄

我对这部分还没有吃透，引用一下 @Paul Kant的回答：

脉冲星是一类周期性发射稳定频率的电磁辐射（自转），起着导航卫星的作用，但是脉冲星的信号不包含它的位置信息，必须先确定脉冲星相对于地球的空间坐标。此时地球的位置是已知的，我们可以在地面或太空设三个观测站，脉冲星信号到达各观测站的时间差用来求解脉冲星的方位，对不同方向的多颗脉冲星信号测定，这样我们有了已知脉冲星列阵。然后把它们作为导航卫星，飞船存储它们相对地球观测站的位置信息，以地球观测站的数据更新，飞船接收脉冲星信号的时间是已知的，两者对比获得时间差，计算转换即获得飞船相对于脉冲星或地球的位置。

我们现在回头来看看，人类一路走来，先是不知东西，继而学会了根据太阳星辰分别方向，随后可以利用地标和方向行走四方，然后战战兢兢的沿着海岸踏上了海洋，又壮着胆子用天文、海文知识慢慢走向深海，再通过星空定位了纬度，最终在激烈的角逐中确定了经度，直到今天，我们掏出手机，就可以方便的指示任何地方……在这漫长的岁月里，为了解决这个关于我们在哪里的最初问题，汇聚了全人类最顶级的智慧，推动了无数个行业和科学门类的发展，甚至还将在更为久远的未来持续的探索下去，这，能否被称之为人类最为震撼、影响最为深远的发明呢？

谨以此文悼念郭川船长

不要温和地走进那个良夜，
老年应当在日暮时燃烧咆哮；
怒斥，怒斥光明的消逝。
虽然智慧的人临终时懂得黑暗有理，　
因为他们的话没有迸发出闪电，
他们也并不温和地走进那个良夜

参考文献：

1.刘景华《中世纪欧洲造船和航海技术的考察》

2.刘义杰《试说我国古代北方海区的水文导航术》

3.李丞《海中识方位—航海南北定位在中国古代开始应用时间探析》

4.刘璐璐《“过洋牵星术”用于印度洋考释》

5.朱鉴秋《“方位不易指南篇”—从编著《渡海方程辑注》谈古代海道针经》

6.阎根齐《论海南渔民的《更路簿》》

7.袁越《经度之战》

8.达娃.索贝尔《经度》

9.孔志宏《全球卫星定位系统原理及应用》