The Marine Chronometer: Its History and Development, John Cronin
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- 2023年9月6日
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已更新：11月28日
The Marine Chronometer: Its History and Development, John Cronin
Maritime chronometers are rare and precious items, crafted with care and precision, to provide an accurate means of measuring time and determining longitude at sea. Developed in the eighteenth century, these beautiful instruments were produced for the next two hundred years to the same design, and played a significant role in the growth of maritime trade, ultimately helping to shape the world as we know it today. In Marine Chronometers, the author explains the workings of the chronometer and highlights some of the most significant makers and provides hints for maintenance. Topics covered include: The problem of longitude The early sea clocks Developments in France and England The mechanism of the chronometer Caring for chronometers.
出版者 : The Crowood Press; Reprint版 (30 六月 2010)
語言 : English
Hardcover : 112 頁
ISBN-10 : 1847971857
ISBN-13 : 978-1847971852
商品重量 : 455 盎司
尺寸 : 16.51 x 1.27 x 24.13 cm
《航海天文鐘：歷史與發展》
作者：約翰·克羅寧 (John Cronin)
航海天文鐘（Maritime chronometers）是稀有且珍貴的工藝品，經過精心且精密的製作，為海上航行提供精確的計時與經度測定手段。這些精美的儀器問世於十八世紀，在隨後的兩百年間皆沿用相同的設計生產。它們在海上貿易的成長中扮演了關鍵角色，並最終協助塑造了我們現今所熟知的世界樣貌。
在《航海天文鐘》一書中，作者闡述了天文鐘的運作原理，介紹了幾位史上最重要的製錶名家，並提供了保養維護的建議。
涵蓋的主題包括：
經度問題 (The problem of longitude)
早期的航海鐘 (The early sea clocks)
法國與英國的發展 (Developments in France and England)
天文鐘的機械結構 (The mechanism of the chronometer)
天文鐘的保養與維護 (Caring for chronometers)
Marine chronometers are rare and precious items, crafted with care and precision, to provide an accurate means of measuring time and determining longitude at sea. Developed in the eighteenth century, these beautiful instruments were produced for the next two hundred years to the same design, and played a significant role in the growth of maritime trade, ultimately helping to shape the world as we know it today.
Maritime history enthusiasts and clock collectors alike regard these instruments as prized possessions and will find this book an invaluable reference work and a welcome addition to their bookshelves.
航海天文鐘是稀有且珍貴的工藝品，經精心與精密打造，為海上航行提供精確的計時與經度測定手段。這些精美的儀器問世於十八世紀，在隨後的兩百年間皆沿用相同的設計生產。它們在海上貿易的成長中扮演了關鍵角色，並最終協助塑造了我們現今所熟知的世界樣貌。
航海歷史愛好者與時鐘收藏家皆將這些儀器視為珍貴的收藏品。對於他們而言，本書將是一部無價的參考著作，更是書架上不可或缺的藏書。
前言
航海天文鐘（Marine Chronometer）堪稱史上最完美的機械裝置之一。這些儀器於十八世紀末發展成熟，在此後的兩百年間，皆沿用相同的設計進行生產，甚至所使用的材料本質上也維持不變。這是對那一小群獨具匠心的工匠們的致敬——儘管在接下來的兩個世紀裡實驗不斷，但直到現代電子技術問世之前，這種儀器都沒有再出現重大的改進。
航海天文鐘對現代世界形成的重性難以估量，這與全球探險和貿易息息相關。偉大的帝國依賴海上運輸來運送推動工業化、改變公民生活的物資。十八世紀末至十九世紀初，海上貿易急劇增長，這恰逢導航科學的關鍵發展時期，而這一切之所以成為可能，全賴發明了一種能夠承受長途航海嚴酷考驗的可靠計時器。
當今，「天文鐘（chronometer）」一詞被廣泛應用於包括手錶在內的各種計時器。在此，值得我們回顧《牛津英語詞典》的定義：「一種測量時間的儀器；特指具有特殊擒縱機構（escapement）和補償擺輪（compensation balance）的計時器，用於在海上測定經度以及進行其他精確觀測。」
雖然這個詞早期也曾用於稱呼節拍器，但它似乎是由傑里米·薩克（Jeremy Thacker）於 1714 年首次應用於航海計時器上，並於十八世紀末開始普遍用來描述精確的計時器。
最重大的發展發生在當時世界最強大的海權國家——英國，這絕非偶然。查理二世於 1675 年建立皇家天文臺（Royal Observatory），其明確目的就是進行觀測並編製圖表以輔助航海。正是從這個地方，格林威治子午線（Greenwich Meridian）於 1884 年成為了經度 0 度，以此作為測量該線以東或以西所有位置的基準。
倫敦成為了天文鐘產業的中心，大約 80% 的天文鐘都產自英國；倫敦的製造商樂於提供整機或半成品，讓商家掛上非製造商原本的名稱販售，且這類情況常發生在其他國家。迄今為止最大的製造商是聖奧爾本斯（St Albans）的托馬斯·默瑟（Thomas Mercer），他在 128 年間生產了約 31,000 台儀器；然而，最高的年產量則是由美國的漢米爾頓（Hamilton）所達成，他們在 1943 年至 1957 年間生產了 11,239 台天文鐘。據估計，在兩個世紀的生產歷程中，總共製造了 90,000 至 100,000 台天文鐘，平均每年約 500 台。在十九世紀，製造和調校一台天文鐘需要整整一年的時間，其成本也反映了這一點；英國海軍部（Admiralty）願意支付 100 堅尼（guineas）購買頂級儀器，這是一筆巨款，相較之下，一台優質的落地長鐘（long case clock）當時售價還不到 10 堅尼。
航海天文鐘將永遠是稀有且珍貴的物品；具備製造這些儀器所需技能的工匠已近乎絕跡，未來也不會再生產。因此，航海歷史愛好者與時鐘收藏家皆將其視為珍貴的收藏品和穩健的投資標的，這一點也就不足為奇了。
1. 導航與經度問題 (Navigation and the Longitude Problem)
自從水手們首次離開安全的河流，冒險駛入看不見陸地的海域起，就需要某種形式的導航輔助。古代水手累積了許多航行指南（sailing directions），這些指南是利用特定星體的位置、特定季節的已知風向，以及使用測鉛和繩索（lead and line）探測海洋深度而制定出來的。亞歷山大的詩人卡利曼迪奧斯（Kallimandios）記載，早在西元前 600 年，哲學家米利都的泰勒斯（Thales of Miletos）就教導愛奧尼亞（Ionian）水手利用小熊座（Ursa Minor）來引導航向。
寫於西元一世紀的文件《厄立特里亞海周航記》（The Periplus of the Eritrean Sea），包含了遠至印度的貿易航線指南；到了十世紀，波特蘭海圖（portolan charts，即早期的航海圖）已能提供詳細的方位、距離、深度和沿海指引。
一個重大的突破隨著中世紀早期磁羅盤（magnetic compass）的發展是一項重大突破；已知最早的文獻記載來自亞歷山大·內卡姆（Alexander Neckham），他曾在巴黎大學學習，並於 1187 年撰寫了關於羅盤使用的文章。到了 15 世紀，歐洲水手，特別是葡萄牙人，開始冒險進入大西洋並沿著非洲海岸航行。此時，在看不見陸地的情況下估算船隻位置變得必要，而由埃拉托斯特尼（Eratosthenes）於西元前 150 年左右首次提出的緯度和經度概念，也開始被投入使用。
緯度與經度 (Latitude and longitude)
為了描述地球表面上的位置，需要兩個參考點。 緯度（Latitude） 是指距離赤道（Equator）以北或以南的距離，以「度」為單位測量。想像中的緯度線被稱為「平行圈（parallels）」，它們平行於赤道環繞地球。赤道是 0°，北極是 90°N，南極是 90°S。
經度（Longitude） 是東—西的位置，同樣以「度」為單位測量；經度線被稱為「子午線（meridians）」，從一極連接到另一極環繞地球表面。經度沒有像赤道那樣明顯的起始位置或「本初子午線（prime meridian）」來作為測量的起點，因此早期的領航員通常使用他們的出發港口作為基準。從 1884 年起，格林威治（Greenwich）被國際公認為本初子午線，即 0°。經度是從格林威治子午線向東或向西測量，範圍從 0° 到 180°，直到地球的另一端。
因此，紐約大約位於北緯 40° N，西經 74° W（即赤道以北 40 度，格林威治以西 74 度）。雪梨則位於 34° S，151° E（即赤道以南 34 度，格林威治以東 151 度）。 為了更精確定位，「度」被細分為 60「分（minutes）」；紐約中央公園的精確位置是 40° 47' N，73° 58' W。
尋找緯度 (Finding Latitude)
計算緯度最簡單的方法是使用北極星（Pole Star）（在北半球，它在夜空中看起來幾乎是靜止的）：測量該星體高出地平線的角度，即為觀察者的緯度。最早用於測量天體高度的儀器是象限儀（quadrant），領航員於 15 世紀中葉首次使用。
使用時，將象限儀的瞄準器對準北極星，並將垂線（plumb line）按壓在刻度上，讀取角度，從而得出緯度——但需考慮到星星實際上是繞著極點進行小幅度的旋轉。到了 15 世紀末，已有表格可供查閱，使人們能夠根據太陽高出地平線的角度來計算緯度，儘管使用象限儀進行太陽觀測操作困難。**海員星盤（mariner's astrolabe）**的引進使太陽觀測變得更加實用。據悉，哥倫布（Columbus）同時使用了象限儀和星盤。
1514 年，約翰·韋納（Johan Werner）提倡使用十字測天儀（cross staff），這是一種最早由迦勒底（Chaldean）天文學家在西元前 400 年左右使用的儀器。它由一根有刻度的長桿和幾根不同長度的木製橫木組成；使用時將長桿對準地平線，滑動橫木直到其頂端與太陽對齊，即可讀取高度。雖然這提高了準確性，但觀察者仍必須忍受直視太陽對眼睛造成的傷害。這一進展發生在 16 世紀，隨著**直角儀（back staff）**的發明而來。觀察者將長桿對準地平線，並調整垂直臂，使垂直臂頂緣的陰影落在長桿的末端（譯註：這樣觀察者不必直視太陽）。由於直角儀價格低廉且普及，經過各種改良後，一直被使用到 18 世紀末。
導致現代**六分儀（sextant）**誕生的最終發展始於 18 世紀初，當時引入了各種新形式的象限儀；光學和儀器製造技術的進步，讓領航員能夠將太陽或星星的高度測量精確到幾分之一度，從而能以相當高的準確度繪製緯度。然而，導航問題的另一半——經度的發現（discovery of longitude），卻是一個更難以攻克的難題。
尋找經度 (Finding longitude)
試想一艘船從英國港口橫渡大西洋。通常的程序是向南航行，直到到達馬德拉群島（Madeira）的緯度，然後轉向西航行，直到看見陸地。從馬德拉向西航行最終會把船帶到西印度群島，但何時才能登陸呢？試圖估算船隻每天行駛多遠的唯一方法是**「推算航法」（dead reckoning）**：估算船速，並利用它來繪製行駛距離並在海圖上標記位置。
估算速度 (Estimating speed)
最早估算速度的方法被稱為**「荷蘭人測速法」（Dutchman's log）**。在船舷做兩個記號，並測量兩者間的距離。將一塊木片在第一個記號處投入海中，並估算它流到第二個記號所需的時間；這樣就能計算出速度。問題在於，在手錶問世之前，很難準確地估算時間。沙漏（Sand glasses）沒什麼用，因為它們只能測量固定的時間長度；我們曾聽說過領航員通過反覆數脈搏或背誦某些語句來計時，甚至在甲板上以他們自認為穩定的速度奔跑來進行計時。
對此方法的一個重要改進——可能是由十六世紀中葉的英國海員所引入——是**「測速木片（log-ship）」**。測速木片是一個連接在繩索上的木製裝置，設計目的是投入水中後能保持靜止。當木片觸水的瞬間，翻轉一個一分鐘的沙漏。繩索被允許從操作員手中滑過，當一分鐘結束時，抓住繩索。隨後測量釋出的繩索長度，並用來計算船速。
到了十七世紀，繩索上開始標記**「繩結（knots）」，其間距設定為：每流出兩個結，等於每小時行駛一英里，這導致了船隻航速「正在跑多少節（making so many knots）」**的說法。然而，誤差仍然存在，原因包括難以保持繩索緊繃、沙漏計時不準確，以及船隻運動引起的渦流往往會拖動木片。
因此，確定船位的工作依賴於本質上就不準確的速度估算，再加上海洋中有變幻莫測的洋流，這些洋流可能輕易地使計程儀的估算速度加倍或減半。由此產生的**「推算航法（dead reckoning）」**算出的每日位置，在長達數週或數月的遠洋航行中累積下來，往往會嚴重偏離實際位置。水手們除了觀察特定的鳥類、雲層形狀和海水外觀的變化來警覺是否靠近陸地外，幾乎別無他法。
1707 年，海軍上將**克勞德斯利·肖維爾爵士（Sir Clowdesley Shovel）**率領艦隊從直布羅陀返航。當時天氣一直陰沉，領航員們像往常一樣依賴推算航法；他們的共識是艦隊位於烏尚特（Ushant）以西的安全水域。對該艦隊倖存的四十四本航海日誌的檢查顯示，經度誤差在 1 到 3 度之間將這些誤差與不準確的海圖結合起來，就是一場災難的配方。艦隊正駛向**錫利群島（Scillies）**的岩石海岸。在 10 月 22 日的晚上，四艘船沉沒，近 2,000 人喪生，包括上將本人；後來有傳聞說他實際上活著游到了岸邊，卻被一名當地婦女為了搶奪他手指上的戒指而殺害。
由於在經度計算上有類似的錯誤，此類悲慘的損失年復一年地持續發生。1711 年在聖勞倫斯河口（St Lawrence River）發生的特別嚴重的半度誤差，導致了幾艘運輸船的災難性損失。
當時即使是最熟練的領航員也無法倖免於經度問題。1741 年，安森准將（Commodore Anson）花了超過一個月的時間掙扎著向西繞過合恩角（Cape Horn）。最後他的推算顯示他的位置在火地島（Tierra del Fuego）以西足足 10 度的位置，於是他按計畫轉向北駛入他計算中的開闊海域。令他沮喪的是，他看到正前方出現了陸地；他事實上根本沒有繞過合恩角：一股強大的洋流將他的艦隊帶回了海角的東側。最終安森雖然成功繞過，但由於缺乏新鮮食物和水，不可避免地導致了壞血病，船員開始以驚人的速度死亡。他急需到達胡安·費爾南德斯島（Juan de Fernandez）以挽救迅速衰弱的船員。他決定賭一把。通常的做法是航行到該島的西邊或東邊很遠的地方（因緯度可以準確計算），然後轉向該島並沿著沿著（已知的）緯度線航行，直到看見陸地。然而，安森為了節省寶貴的天數，冒險直接駛向該島。他的運氣不好，他在沒有看見陸地的情況下到達了該島的緯度。現在他面臨一個兩難的局面：島是在東邊還是西邊？他猜測在西邊並向西航行，但在幾小時內都沒有看到陸地後，他認定自己錯了，於是轉向東航行。直到他抵達智利海岸，他才意識到自己的錯誤，並再次轉向西行以抵達胡安·費爾南德斯島（Juan de Fernandez）。他在尋找經度上的困難導致了七十多條人命的損失。
自十六世紀初以來，確定經度的方法其實顯而易見。想像地球標有從一極延伸到另一極的經度線，每二十四小時旋轉一圈；當每條線經過太陽下方時，該位置就是正午。地球每天轉動 360 度經度，即每小時 15 度。當一艘船向西航行時，船上的正午會逐漸偏離出發地的正午。當船上的正午比母港（例如格林威治）的正午相差一小時，那麼船就向西行駛了 15 度；你需要知道的只是船上的時間與海圖上另一點的時間之差。
在船上尋找正午很簡單，只需測量太陽高出地平線的最高點即可，因此解決方案的一半很容易達成；但在遠處（船上）得知母港的時間則是一個困難得多的問題。立刻浮現在腦海的解決方案是攜帶一個精確的計時器，設定為已知位置（如格林威治）的時間。
早期的發條驅動（spring-driven）計時器精確度遠遠不足以供領航員使用；在將「鐘擺（pendulum）」應用於時鐘之前，每天十分鐘左右的誤差是常態。當**克里斯蒂安·惠更斯（Christian Huygens）**於 1657 年開發出他的第一個擺鐘時，他將精確度提高到了每天誤差僅幾秒。依照他的設計製造的第一批時鐘是**重錘驅動（weight driven）的。然而，他似乎立刻想到，如果將鐘擺應用於發條驅動（spring-driven）**的時鐘，那可能是測定海上經度的答案。克勞德·米隆（Claude Mylon，1618-60，他可能建造了第一座採用惠更斯設計的擺鐘）在一封信中評論道，擺鐘若用發條運作能像用重錘一樣好，那「人們對於經度（的解決）就別無所求了」。
惠更斯的熱情很快就消退了，因為他開始嚴肅考慮在海上建造一座能像在陸地上一樣運作的時鐘所面臨的問題。很快地，人們發現擺鐘在承受海上船隻即使是最輕微的晃動時，也是完全無用的。建造一個成功的航海鐘的問題似乎是難以克服的。
然而，天文學家相信他們已經有了答案：天體的相對位置可以用作天體時鐘（celestial clock），為領航員提供遠處的時間。
尋找經度的天文學方法 (Astronomical methods of finding longitude)
伽利略（Galileo）於 1610 年發現了木星最大的四顆衛星，他隨後提出，或許可以預測它們的「食」（eclipses，即衛星進入木星陰影）的時間，以便將其用作天體時鐘。如果在海上可以觀測到木星衛星的食，領航員就可以從陸地天文臺編制的表格中查出該次食發生的時間。然後，他就可以將這個時間與由太陽決定的當地時間進行比較，從而計算出他的經度。第一批此類表格確實於 1668 年出版，後來還定期刊登在《航海天文曆》（Nautical Almanac）上。 然而，這種方法存在嚴重的問題：儘管這些食每週發生約四次，但木星可能或者因為（木星）太靠近太陽而無法觀測，或是位於地平線以下。此外，在海上操作高倍率望遠鏡幾乎是不可能的。 1762 年，克里斯多福·厄文（Christopher Irwin）設計了一種航海椅（marine chair），試圖讓觀測者坐在上面與船隻的運動隔絕，以便使用望遠鏡。這項發明於 1764 年進行了海試，但證明是失敗的。愛德蒙·哈雷（Edmund Halley）曾研究使用木星衛星食作為經度解決方案的可能性，但最終因其不切實際而駁回了該方法。
儘管利用木星衛星作為時間標準在實務上不可行，但經度問題的解決方案似乎仍藏在天空中。 從 1645 年開始，科學家團體開始在牛津和倫敦聚會；其中討論的主要問題之一就是經度。最重要的團體位於格雷山姆學院（Gresham College），成員包括克里斯多福·雷恩（Christopher Wren）和羅伯特·胡克（Robert Hooke）。一首寫於 1661 年的詩描述了他們的工作：
學院將測量整個世界， 做出最不可能的結論， 讓領航員樂在其中 藉由找出經度， 讓每個水手（Tarpalling）都能輕鬆 航向地球的彼端（Antipodes）。
（註：Tarpalling = tarpaulin，水手或「柏油帆布」的古稱）
這個格雷山姆小組於 1662 年與其他科學家共同成立了倫敦皇家自然知識促進學會（Royal Society of London for the Promotion of Natural Knowledge，即皇家學會）。查理二世授予他們特許狀，而皇家學會明定的目標之一就是「尋找經度」。 在接下來的十年裡，數學家兼測量學家喬納斯·摩爾（Jonas Moore）與塞繆爾·佩皮斯（Samuel Pepys）聯手，在**基督公學（Christ's Hospital）**內創立了皇家數學學校（Royal Mathematics School）其具體目標是訓練男孩掌握導航技術。
1675 年，**皇家天文臺（Royal Observatory）**在格林威治成立，目的是「修正天體運行的圖表和恆星的位置，以便找出在海上極其渴望得到的經度，並完善導航藝術」。**約翰·弗蘭斯蒂德（John Flamsteed）被任命為皇家天文學家（Astronomer Royal），年薪 100 英鎊。隔年，他搬進了由克里斯多福·雷恩設計的建築中，並開始了他的觀測。他的主要任務是建立一份可觀測恆星的目錄。弗蘭斯蒂德被描述為性格急躁且不妥協的人物；不幸的是，他與本應是盟友的愛德蒙·哈雷結了仇。儘管他反對，但由艾薩克·牛頓（Isaac Newton）**領導的皇家學會強迫他出版尚不完整的星表。1712 年，由哈雷編輯的觀測資料出版了；印製了 400 本，憤怒的弗蘭斯蒂德設法弄到了其中的 300 本並將其燒毀。最終，弗蘭斯蒂德於 1725 年出版了他自己的星表，其中包含了 3,000 顆恆星的數據。
月距法 (The lunar method)
這種計算海上時間的方法依賴於月球在天空中相對快速的移動；月球每小時在其他天體的背景下移動約半度（大約是其自身的直徑）。隨著月球移動，它會靠近幾顆可識別的恆星。領航員需要一套表格，提供月球與特定恆星在特定經度（例如格林威治）下每天不斷變化的角度預測。 表格會列出當月球與某顆恆星呈特定角度時的格林威治時間。當領航員觀測到月球和該恆星相隔該角度時，他就會知道當下的格林威治時間。將他的本地時間與格林威治時間的差值換算，就能讓他算出經度。
使用月球距離的方法最早由約翰·韋納（Johan Werner）於 1514 年提出。然而，有兩個問題阻礙了該方法在接下來的兩個世紀中被認真研究。首先，直到現代象限儀發展出來之前，無法以足夠的精確度測量角度；其次，月球的運動（當時）無法被預測。
到了十八世紀中葉，天體的相對角度已經可以被精確測量。當時所需要的只剩下是一些可以用來預測在特定日期月球相對於選定恆星或太陽位置的表格。
第一批此類表格是由哥廷根（Göttingen）的托比亞斯·邁耶教授（Professor Tobias Mayer）製作的，並於 1755 年提供給海軍部。這些表格在皇家天文臺進行了測試，結果發現利用它們可以算出誤差在半度以內的經度，這比推算航法（dead reckoning）有了長足的進步。為了在海上測試這種導航方法，後來成為皇家天文學家的內維爾·馬斯基林博士（Dr Neville Maskelyne）前往聖赫勒拿島（St Helena）進行了一次航行。他發現該方法運作令人滿意，並於 1763 年出版了《英國水手指南》（British Mariners' Guide），書中解釋了他計算經度的方法。
1767 年，第一本**《航海天文曆》（Nautical Almanac）**出版，書中列出了全年的太陽和七顆選定恆星的月距數據，且是針對格林威治時間每三小時計算一次。從那時起，直到 1907 年停止刊登這些費力計算的月距表為止，《航海天文曆》一直持續發行。
人們可能會認為，既然月距法已經過測試和驗證，經度問題就此解決了。然而，其實際執行仍存在嚴重問題。1764 年，東印度公司的船隻 Egmont 號是最早嘗試該方法的船隻之一，其報告說明了一個問題。查爾斯·米爾斯先生（Mr. Charles Mears）向經度委員會（Board of Longitude）提供的證詞中陳述道：「在他最後一次航行中，發現使用馬斯基林先生規定的方法進行觀測非常有用且不困難，每次觀測計算結果所需時間不超過四個小時，且當靠近已知經度的陸地時，誤差總是在一度以內。」
這段話痛切地表明了水手們尋找經度解決方案的絕望程度：花費四個小時進行繁重的計算以求得一度以內的誤差，竟然被認為是「可以接受的」。 在使用該方法的早期，觀測者必須有三名助手：兩人同時測量月球和恆星的高度，另一人負責記錄時間。團隊中必須有一人是熟練的**「計算員（computer）」**（註：當時指專職計算數學的人，非機器），才有能力進行複雜的計算，包括修正由大氣折射（refraction，或稱大氣的彎曲效應）和地球曲率所引起的誤差。在眾多計算步驟中，任何一個微小的錯誤都可能導致經度定位的災難性錯誤；同樣地，對月距的實際觀測也必須非常精確——這在夜間大海上顛簸的甲板上絕非易事。
雖然在本世紀後期出版了能縮短計算時間的表格，但這種方法始終繁瑣且困難，且最終確定的經度精確度很少能優於一度（約 60 海浬）。
太陽時與平太陽時 (Solar time and mean time)
由於地球繞太陽運行的軌道是橢圓形的，加上地軸的傾斜，如果以太陽來測量，一天（日）的長度在一年之中是會變化的。由於時鐘將一天劃分為相等的部分，因此由計時器測定的正午，可能比太陽的正午（真午）晚多達 14 分 28 秒，或早多達 16 分 11 秒，具體取決於一年中的不同時間。
日晷所顯示的時間當然是太陽時（solar time）。在機械計時器發展出來之前，一天和一小時長度的變化並不是問題；然而，隨著十七世紀時鐘精確度的提高，需要一種新的時間測量概念。人們計算出了太陽日的平均長度，這被稱為**「平太陽時（mean solar time）」。因此，為了準確地利用太陽來找時間（正如領航員需要做的），必須對太陽時和平太陽時之間的差異進行修正；這被稱為「時間等式（equation of time）」**。一張顯示任何日期所需修正量的簡單表格即可解決這個問題。
如果你看到一個好的日晷，你會發現上面刻有或附有時間等式表；查找日期並加上或減去表格給出的時間，你就會得到平太陽時。下次當你聽到航運氣象預報（shipping forecast）時，請注意時間是作為「格林威治平時（Greenwich mean time）」播報的。
11. Chronometer Maintenance
Winding
A two-day chronometer should be wound, if possible, every day (naval practice was that they should be wound at the same time by the same person). Simply invert the bowl in the gimbals to expose the base; the dust cover must now be rotated to expose the keyhole and the key inserted. Wind anti-clockwise; a day's winding will be about seven and a half turns. Wind until the key locks.
Starting and setting the hands
If the chronometer has been allowed to run down and stop, first wind it; if you avoid sudden movements the mechanism will not start. Unscrew the bezel to expose the hands; if you have an accurate time source such as a radio controlled clock wait until the two seconds hands match and give the whole instrument a sharp twist, this will start the chronometer. The hands can now be set with the winding key which will fit the square at the centre of the minute hand; turn the hands forwards to set the time.
Transporting a chronometer
If you are carrying a chronometer over a short distance, simply lock the gimbals and keep the box more or less level; if you are careful there is no need to stop it going. The following special precautions must be taken to protect the balance and escapement if you are shipping a chronometer:
First unscrew the rear gimbal screw.
Next the movement is removed from the case. Unscrew the bezel and invert the case.
The complete movement with the dial should drop out of the case. It may stick slightly-if so insert the winding key in the back to push the movement forward.
Now cut three wedges from cork and push them under the balance rim.
The chronometer may now be assembled and packed for shipping.
Note the small pin on the edge of the dial (usually at 12 o'clock). This must be located in the slot on the edge of the case. If it is being sent for servicing, just send the assembled case with the bezel firmly screwed down. Use a strong box with plenty of bubble wrap rather than polystyrene chips as these can compress and allow the instrument to move about. If the complete chronometer is being shipped, pack the box and movement separately.
11. 天文鐘的維護 (Chronometer Maintenance)
上鍊 (Winding)
頻率： 兩日鍊（Two-day）的天文鐘若情況允許，應每天上鍊（海軍的慣例是由同一人在每天的同一時間進行）。
操作步驟：
將懸掛於平衡環（Gimbals）中的鐘碗倒轉，露出底部。
旋轉底部的防塵蓋以露出鑰匙孔，並插入上鍊鑰匙。
逆時針方向旋轉上鍊。一天的上鍊量大約是七圈半。
持續上鍊直到鑰匙鎖住（感覺到阻力無法再轉）為止。
啟動與調整指針 (Starting and setting the hands)
如果天文鐘因動力耗盡而停止，請依以下步驟操作：
先上鍊： 如果操作時避免突然的晃動，機械結構通常不會自行啟動。
啟動： 旋開錶圈（Bezel）露出指針。若您有精準的時間來源（如電波鐘），請等到兩者的秒針同步時，快速轉動一下整台儀器，這將會啟動天文鐘的擺動。
調整時間： * 使用上鍊鑰匙調整指針，鑰匙可套入分針中央的方形孔軸。
請順時針（向前）轉動指針來設定時間。
運送天文鐘 (Transporting a chronometer)
短距離搬運 如果您只是短距離移動天文鐘，只需**鎖定平衡環（Gimbals）**並保持盒子大致水平即可。如果小心操作，則無需讓鐘停止運作。
長途寄送或運輸 若要寄送天文鐘，必須採取以下特殊預防措施以保護擺輪（Balance）和擒縱機構（Escapement）：
首先，旋下後方的平衡環螺絲。
接著，將機芯從金屬外殼中取出。方法是旋開錶圈並將外殼倒置。
完整的機芯連同錶盤應會從殼中滑出。若有輕微卡住，可從後方插入上鍊鑰匙將機芯輕輕向前推。
固定擺輪： 切割三個軟木楔子（wedges），將其推入擺輪邊緣下方以固定擺輪。
現在可以重新組裝天文鐘並打包準備寄送。
重要注意事項：注意錶盤邊緣的小銷釘（通常位於 12 點鐘位置），此銷釘必須對準外殼邊緣的凹槽。如果是送修，只需寄送組裝好的金屬錶殼（含機芯），並務必將錶圈鎖緊。包裝材料： 請使用堅固的盒子並填充大量的氣泡紙，避免使用保麗龍球（polystyrene chips），因為它們受壓後會收縮，導致儀器在箱內移動。如果要寄送整套天文鐘（含木盒），請將木盒與機芯分開包裝。
Maintenance
Even with modern synthetic lubricants, which last longer than traditional oils, it is not advisable to leave a chronometer more than five years between servicing. The move- ment must be completely dismantled to clean the old oil off, it is then assembled, lubricated, tested and rated. Re-silvering discoloured dials will not devalue the instru- ment; the lacquer deteriorates over time and re-silvering has always been a routine process. Choose your repairer carefully as even very experienced clock or watchmakers find dismantling and assembling these instru- ments difficult. The detent and escape wheel are very delicate and easily damaged. In the UK the British Horological Institute has a website that lists qualified repairers who are experienced in this kind of work.
Regulating a chronometer
It is possible, with care, to regulate a chronometer without special skills. Traditionally, after servicing, chronometers were regulated to keep time within a second or two per day, then the rate was established (i.e. how much the instrument was gaining or losing per day). This was noted on a certifi- cate when it was returned to the owner and the navigator calculated the time by adding or subtracting the rate each day. Chronometers are always 'free sprung' - they do not have a regulating lever like a typical watch. Regulating is carried out by adjusting the timing screws on the balance rim. Most balances have two of these; they are the large split nuts located outside the rim at each end of the balance arm. Some balances also have two small timing screws adjacent to these for fine adjustment. The screws must be adjusted in pairs by exactly the same amount each to retain the poise of the balance.
Remove the movement carefully from the case as above (page 105) and rest it upside down on the upturned bezel (this will protect the hands and dial). To make the chron- ometer go slower the screws are turned anti-clockwise, and vice versa to make it gain. It is best to file up a small brass screw- driver with an indent in the centre of the blade to allow for the point of the screw protruding from the nut. The adjustment is very sensitive, so move the nuts by the smallest amount you can, the thickness of the slot will make several seconds per day difference. Remember to move both screws by the
same amount.
As you have the movement out of the case it is easy to set the instrument to the exact time: hold the balance wheel and wait until the seconds hand agrees with the time stan- dard, then release it. You can now adjust the hour and minute hands.
A word of warning - never wind the chronometer when it is out of the case. The movement has two winding squares; if you turn the wrong one you will release the mainspring and possibly cause a great deal of damage wait until it is safely in the case before winding in the usual way.
With a little patience most chronometers in good condition can be regulated to within a second or two per day.
維護保養 (Maintenance)
即使現代合成潤滑油比傳統機油更持久，但不建議超過五年不對天文鐘進行保養。
保養流程： 機芯必須完全拆解以清洗舊油，然後重新組裝、上油、測試並進行定級（rated）。
錶盤翻新： 將變色的錶盤**重新鍍銀（Re-silvering）**並不會降低儀器的價值；因為表面的清漆會隨時間老化，重新鍍銀一直是常規的修復程序。
選擇維修師： 請謹慎選擇您的維修人員。即使是非常有經驗的鐘錶師傅，也會發現拆解和組裝這些儀器相當困難。**衝擊式擒縱機構（Detent）和擒縱輪（Escape wheel）**非常脆弱，極易損壞。在英國，英國鐘錶協會（British Horological Institute）網站上列有具備此類經驗的合格維修師名單。
調校天文鐘 (Regulating a chronometer)
只要小心操作，無需特殊技能也能調校天文鐘。 傳統上，保養後的天文鐘會被調校至每天誤差在一兩秒內，然後確立其**「日差率」（rate）**（即儀器每天快或慢多少時間）。這會記錄在交還給船主的證書上，領航員每天會通過加減這個日差率來計算準確時間。
調校機制
天文鐘皆採用**「無卡度游絲」（free sprung）**設計——它們不像普通手錶那樣擁有快慢針（regulating lever）。
調整方式： 調校是通過調整**擺輪（balance）邊緣的計時螺絲（timing screws）**來進行的。
螺絲位置： 大多數擺輪有兩顆計時螺絲，它們是位於擺臂兩端外側的大型開槽螺母（split nuts）。有些擺輪在這些大螺母旁邊還有兩顆小螺絲用於微調。
平衡原則： 螺絲必須成對調整，且每顆螺絲的移動幅度必須完全相同，以保持擺輪的均衡（poise）。
調校步驟
取出機芯： 如前所述（第 105 頁），小心將機芯從外殼中取出，並將其倒置放在翻轉過來的錶圈（bezel）上（這樣可以保護指針和錶盤）。
調整快慢：
要讓天文鐘變慢：逆時針轉動螺絲（向外旋出）。
要讓天文鐘變快：順時針轉動螺絲（向內旋入）。
工具建議： 最好磨製一把尖端中間有凹槽的小黃銅螺絲起子，以便避開螺母中突出的螺桿尖端。
微調： 調整非常敏感，請以最小的幅度轉動螺母。光是螺母上開槽的厚度距離，就可能造成每天數秒的差異。
切記：兩顆螺絲必須移動相同的量。
設定精確時間
當機芯從外殼取出時，很容易設定精確時間：
輕輕握住擺輪（使其停止），直到秒針與標準時間一致。
放開擺輪讓其恢復擺動。
現在您可以調整時針和分針。
⚠️ 嚴重警告 絕不要在機芯取出外殼時進行上鍊。 機芯背面有兩個方形孔軸；如果您轉錯了孔軸，將會釋放發條（mainspring），這可能會造成嚴重的損壞。請務必等到機芯安全裝回外殼後，再以正常方式上鍊。
只要有一點耐心，大多數狀況良好的天文鐘都可以調校到每天誤差僅一兩秒之內。
John Cronin began his working life as an apprentice watchmaker and studied horology at Bradford Technical College, where he was awarded a gold medal and a British Horological Institute prize for the national exams, before being elected to Fellowship. of the Institute. He later went on to gain a history degree with the Open University and teaching qualifications at Cambridge; he taught history for some twenty years before returning to horological conservation. John was winner of the 1994 Artist Craftsman competition of the Worshipful Company of Clockmakers and is now closely involved with ICON (the Institute of Conservation). He is one of just ten horologists who have gained accreditation with the institute as professional conservators, and is the only member specializing in chronometer work.
Cover design: Maggie Mellett
Front and back cover photographs: John Cronin Inside back flap photograph: Richard Walton LPRS
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The Crowood Press
Ramsbury Wiltshire
SN8 2HR
UK
Tel: +44(0)1672 520320
Email: enquiries@crowood.com
作者簡介：約翰·克羅寧 (John Cronin)
約翰·克羅寧的職業生涯始於鐘錶學徒，隨後於布拉德福德技術學院（Bradford Technical College）研讀鐘錶學。他在國家考試中表現優異，榮獲金牌及英國鐘錶學會（British Horological Institute, BHI）獎項，隨後更獲選為該學會會士（Fellow）。
後來，他於開放大學（Open University）取得歷史學位，並於劍橋取得教學資格。在教授歷史約二十年後，他重返**鐘錶文物保存（horological conservation）**領域。
約翰曾獲**倫敦鐘錶匠同業公會（Worshipful Company of Clockmakers）1994年藝術工匠競賽優勝，目前與英國文物保存協會（ICON, The Institute of Conservation）關係密切。他是該協會認證的專業修復師中僅有的十位鐘錶學家之一，且是唯一專精於天文鐘（chronometer）**工作的成員。
出版資訊
封面設計： Maggie Mellett
封面與封底攝影： John Cronin
封底內頁折口攝影： Richard Walton LPRS
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作者簡介 John Cronin studied horology at Bradford Technical College, where he was awarded a gold medal and a British Horological Institute prize for the national exams, before being elected to Fellowship of the Institute. John was the winner of the 1994 Artist Craftsman competition of the Worshipful Company of Clockmakers and is now closely involved with ICON [the Institute of Conservation]. He is one of just ten horologists who have gained accreditation with the institute as professional conservators, and is the ony member specializing in chronometer work. Resident - Cambridgeshire
作者簡介
約翰·克羅寧（John Cronin）於布拉德福德技術學院（Bradford Technical College）研讀鐘錶學，他在國家考試中表現優異，獲頒金牌及英國鐘錶學會（British Horological Institute）獎項，隨後獲選為該學會會士（Fellowship）。
約翰是 倫敦鐘錶匠同業公會（Worshipful Company of Clockmakers） 1994 年藝術工匠競賽的優勝者，目前與 英國文物保存協會（ICON, The Institute of Conservation） 關係密切。他是該協會認證的專業修復師中，僅有的十位鐘錶學家之一，且是唯一專精於天文鐘工作的成員。
居住地： 劍橋郡（Cambridgeshire）