Bài toán kinh độ là thách thức lớn nhất của nghề đi biển suốt nhiều thế kỷ: đo vĩ độ thì dễ (nhìn sao Bắc Cực, mặt trời giữa trưa), nhưng đo kinh độ đòi hỏi biết chính xác giờ ở một nơi tham chiếu trong khi đang ở giữa biển. Năm 1714, Quốc hội Anh treo giải thưởng tới 20.000 bảng cho ai giải được. Người thợ đồng hồ tự học John Harrison đã dành hàng chục năm chế tạo những chiếc đồng hồ đi biển, và chiếc H4 của ông chứng minh được rằng một chiếc đồng hồ đủ chính xác có thể giải bài toán.
Vì sao kinh độ khó mà vĩ độ dễ
Vĩ độ gắn với hình dạng Trái Đất và trục quay: góc cao của sao Bắc Cực trên chân trời gần bằng vĩ độ nơi bạn đứng, nên chỉ cần một dụng cụ đo góc là ra. Kinh độ thì không có "mốc tự nhiên" như vậy. Mọi kinh tuyến đều như nhau; muốn biết mình ở kinh độ nào phải so với một kinh tuyến chọn làm gốc.
Trái Đất quay 360 độ trong 24 giờ, tức 15 độ mỗi giờ. Nếu ở giữa biển bạn biết giờ địa phương (đo được bằng mặt trời: giữa trưa là lúc mặt trời lên cao nhất) và đồng thời biết giờ ở cảng xuất phát, chênh lệch giờ cho ra chênh lệch kinh độ. Chênh 2 giờ là chênh 30 độ kinh. Khó khăn nằm ở chỗ: làm sao biết giờ ở cảng xuất phát sau nhiều tuần trên tàu?
Cái giá của việc không biết kinh độ
Không biết kinh độ, thuyền trưởng phải dựa vào ước lượng tốc độ và hướng đi (dead reckoning), sai số tích luỹ theo ngày. Tàu có thể tưởng mình còn xa bờ trong khi đã sát đá ngầm, hoặc đi quá đảo cần tiếp nước. Năm 1707, một hạm đội Anh do đô đốc Cloudesley Shovell chỉ huy bị đắm ở quần đảo Scilly phía tây nam nước Anh, hàng nghìn thuỷ thủ thiệt mạng; sai lầm về vị trí được nhắc đến như một nguyên nhân. Sự kiện này góp phần thúc đẩy Quốc hội Anh ban hành Đạo luật Kinh độ (Longitude Act) năm 1714.
Đạo luật Kinh độ 1714
| Độ chính xác | Giải thưởng tối đa |
|---|---|
| Trong vòng 1 độ (khoảng 60 hải lý ở xích đạo) | 10.000 bảng |
| Trong vòng 2/3 độ | 15.000 bảng |
| Trong vòng 1/2 độ | 20.000 bảng |
Phép thử là một chuyến đi từ Anh sang Tây Ấn. Một Ủy ban Kinh độ (Board of Longitude) được lập để đánh giá. Số tiền thưởng thời đó là cực lớn.
Hai con đường: đồng hồ và mặt trăng
Có hai cách tiếp cận cạnh tranh nhau:
- Phương pháp khoảng cách mặt trăng: đo góc giữa mặt trăng và một ngôi sao, tra bảng tính sẵn để biết giờ ở Greenwich. Đây là cách các nhà thiên văn ủng hộ. Nó đòi hỏi bảng tính rất chính xác về chuyển động mặt trăng và nhiều phép tính trên tàu.
- Phương pháp đồng hồ: mang theo một chiếc đồng hồ giữ giờ cảng xuất phát. Vấn đề: đồng hồ quả lắc không chạy được trên tàu lắc lư, và đồng hồ thời đó sai lệch nhiều phút mỗi ngày vì nhiệt độ, độ ẩm.
John Harrison và bốn chiếc đồng hồ
John Harrison (1693–1776) là một thợ mộc, thợ đồng hồ ở vùng Lincolnshire, gần như tự học. Ông dành khoảng bốn mươi năm cho bài toán:
- H1 (hoàn thành năm 1735): chiếc đồng hồ lớn, nặng, bằng đồng thau và gỗ, có các bộ phận cân bằng để chống lắc. Thử trên biển cho kết quả hứa hẹn.
- H2 và H3: những năm sau, cải tiến liên tục; H3 mất gần hai mươi năm, trong đó Harrison phát minh ra các chi tiết như thanh lưỡng kim bù nhiệt và vòng bi lồng.
- H4 (hoàn thành khoảng năm 1759): bất ngờ thay, là một chiếc đồng hồ bỏ túi lớn, đường kính khoảng 13 cm. Trong chuyến thử sang Jamaica năm 1761–1762, H4 chỉ sai vài giây sau nhiều tuần trên biển, tương ứng sai số kinh độ rất nhỏ, vượt xa yêu cầu của đạo luật.
Dù vậy, Ủy ban Kinh độ chần chừ trao giải, đặt thêm điều kiện, yêu cầu chứng minh có thể chế tạo lại. Harrison chỉ nhận được phần lớn số tiền xứng đáng vào năm 1773, sau khi có sự can thiệp của vua George III và Quốc hội. Ông chưa bao giờ được trao chính thức "giải thưởng" theo đạo luật.
Đồng hồ hàng hải thay đổi thế giới
Thuyền trưởng James Cook mang theo một bản sao của H4 (do Larcum Kendall chế tạo, gọi là K1) trong chuyến đi thứ hai vòng quanh thế giới những năm 1772–1775 và đánh giá rất cao. Đến thế kỷ 19, đồng hồ hàng hải (chronometer) trở thành trang bị tiêu chuẩn trên tàu, rẻ hơn và phổ biến hơn. Hải đồ được vẽ lại chính xác hơn bao giờ hết. Phương pháp khoảng cách mặt trăng vẫn được dùng song song một thời gian như phép kiểm.
Xem đồng hồ Harrison ở đâu
Bốn chiếc H1, H2, H3, H4 hiện trưng bày tại Đài thiên văn Hoàng gia ở Greenwich (London), thuộc hệ thống Bảo tàng Hàng hải Hoàng gia. H1, H2, H3 vẫn còn chạy được. Cuốn sách "Longitude" của Dava Sobel (1995) kể lại câu chuyện này một cách hấp dẫn và đã trở thành sách bán chạy.
Câu hỏi thường gặp
Bài toán kinh độ là gì?
Là việc xác định kinh độ khi đang ở giữa biển. Muốn biết kinh độ phải biết chính xác giờ ở một nơi tham chiếu, điều rất khó trước khi có đồng hồ đi biển đủ chính xác.
Vì sao đo vĩ độ dễ hơn kinh độ?
Vì vĩ độ đo được trực tiếp từ góc cao của sao Bắc Cực hoặc mặt trời giữa trưa. Kinh độ không có mốc tự nhiên, phải so giờ địa phương với giờ ở kinh tuyến gốc.
John Harrison là ai?
Là thợ đồng hồ người Anh tự học (1693–1776), chế tạo các đồng hồ hàng hải H1 đến H4. Chiếc H4 chứng minh đồng hồ có thể giữ giờ đủ chính xác để xác định kinh độ trên biển.
Đạo luật Kinh độ năm 1714 là gì?
Là đạo luật của Quốc hội Anh treo giải thưởng tới 20.000 bảng cho phương pháp xác định kinh độ trên biển với sai số trong vòng nửa độ.
Đồng hồ Harrison hiện ở đâu?
Cả bốn chiếc H1 đến H4 được trưng bày tại Đài thiên văn Hoàng gia Greenwich ở London, trong đó H1, H2, H3 vẫn còn chạy được.