十八世紀的GPS——六分儀

周日 · 天文周曆 |周二 · 牧夫專欄| 周三 · 太空探索

周四 · 觀測指南 | 周五 · 天文視頻

作者：馬褂

編排：馮中

前兩期談到《金蟬脫殼》電影里，龍叔指使施叔搶奪獄友眼鏡，又偷了獄醫的刻度表，做了一個六分儀，交給毒販獄友設法去測量北極星的高度角，以確定監獄所在位置。

我說這其中有個bug，這回就來詳細說說與此有關的六分儀的使用。

歐洲人在15世紀~17世紀期間，在全球範圍開啟了地理大發現的時代，開闢新航線，大搞遠洋貿易。在茫茫的大洋上四周沒有參照物，只能依靠星辰來定位。但是要想測量得非常精準，還得要有一件趁手的「兵刃」——既要輕便滿足快速測量的要求，又要精確以滿足定位所需的精度。

後來到了十八世紀，牛頓牛老爵爺提出了一個測量角度的工具的設計，並給出了數學證明。後人在他的指引下，就設計出了六分儀用於航海。

就是這樣的道具，一開始底下的圓弧比較短，是圓周的八分之一，被稱為八分儀，實際測量的時候有點局促。後來再擴充到圓周的六分之一，就被稱為六分儀了：

它的工作原理是：

六分儀的主要構造是一個固定支架，一根旋轉臂，活動臂上有一面小鏡子，固定支架上也有一面小鏡子，以及另一邊固定支架上的小望遠鏡

在固定支架上的這面鏡子，是由兩個半圓構成的，一個半圓是透明玻璃，從小望遠鏡看過去，能看到遠方的景物；另半圓則是一面小鏡子，從旋轉臂上小鏡子反射來的光，經過它再反射一次進入小望遠鏡。

點擊播放 GIF/23K

觀測者所要做的事就是調整活動臂，使得當從小望遠鏡看過去，天上的星光與遠方的景物（海平面）對齊的時候，從活動臂所指的圓弧刻度上讀數就可以知道星星的高度角了。

為了達到所需的精度，在讀數方面，六分儀還有這樣一些設置：

1、微調螺旋的圓周被劃分為 60 等分，它每轉一圈，活動臂就移動 1 度，這樣從圓周上的讀數就可以讀出 1 度的六十分之一，也就是1分

2、但這還不夠，在微調螺旋對面的游標上，將 4 分的寬度再劃分成了 5 等分，由它們之間的移動偏差，又可以進一步讀出0.2分精度的數值

這麼個看起來並不起眼的工具，卻融合了天文學、數學、高精度機械加工等原理。在沒有GPS的年代，航海家們靠這個工具實現對船舶的全球定位（當然還有很多其他細節的技術），終於造就了四海稱霸的歷史。想想當年大清帝國被西歐列強打破國門，並不只是敗在堅船利炮的份上，也有六分儀導航的因素在內吧？大清國缺乏向國外學習先進科技的意識和能力，閉關鎖國，沉浸在天朝老大的迷夢中，最終輸給西方列強，真是令人嘆息不已。

回過頭來繼續聊電影：龍叔搞出來的「六分儀」，刻度方面沒法做到那麼精確，也就罷了；在觀測鏡方面，雖然那位被搶了眼鏡的獄友吃了不少苦，但他的眼鏡沒有半透半反功能，也就沒法實現星光與海平面的對齊；更何況最後毒販獄友是趴在一個深坑裡，根本看不到海平面的，又怎能完成測量呢？

偽六分儀

深坑

歐美這些國家大約是走的航海路線起家，比較推崇這些航海工具。在去年的科幻大片《火星救援》的原作里，流落在火星上的主角為了實現測量自己所在位置，也試圖搞一個六分儀出來（小說里有這段情節，電影里沒有拍）。

然而從我前面的描述里可以知道，他所謂的管子＋細繩＋砝碼＋刻度，是做不出六分儀來的。作者在這方面也出了bug（我去找過英文版的來校驗過，原文確實是「sextant」；包括《金蟬脫殼》里，英文版也是說的這個單詞，可見不是翻譯惹得鍋，而確實是原文的bug）。

他們其實所需要的是這麼個東西——「星盤」

在六分儀誕生之前，很多天文觀測是用它來進行的，原理也很簡單：把它懸掛起來，利用地心引力使它垂直於水平面，觀測者調整指針對準某顆星星，從指針的偏轉就能讀出高度角。

或者做得更簡單一些，用一個半圓量角器，中心栓上砝碼使之對準地心，轉動量角器的底邊使之對準某顆星星，就可以從量角器上得出讀數。

這才是只用「管子＋細繩＋砝碼＋刻度」就能簡單實現，而且不怕蹲在坑裡也能發揮作用的利器！不過測量時候容易晃動而且精度不高，後來逐步被六分儀淘汰。用在電影里不需要太高精確度的場景下還是足夠的，可能是名稱和形象都不夠高大上，所以才沒有被導演看上吧。

『天文濕刻』 牧夫出品

微信號：astronomycn

點擊播放 GIF/778K

How to Use Sextant Navigation

via bing

爬梯子找圖片真的好累

打完賞記得加牧夫君好友：aimufu

謝謝閱讀