Come gli Inglesi affrontarono il problema della longitudine
I primi sviluppi del problema della longitudine sono stati trattati nel nostro articolo Longitudine e l'Académie Royale. Questo articolo discute come gli Inglesi affrontarono il problema della longitudine, a cominciare dalla meta' del diciassettesimo secolo.
Gruppi di scienziati cominciarono a riunirsi a Londra e ad Oxford dal 1645 e certamente il problema della longitudine fu uno dei problemi princcipali da essi discussi. Un poema scritto nel 1661 descriveva il lavoro che si svolgeva al Gresham College:-
The Colledge will the whole world measure,[Tarpalling e' come si scriveva allora tarpaulin che, oltre a significare la tela con cui si proteggono oggetti esposti alle intemperie, significava anche un marinaio ]
Which most impossible conclude,
And Navigators make a pleasure
By finding out the longitude.
Every Tarpalling shall then with ease
Sayle any ships to th'Antipodes.
Nel 1662 il gruppo del Gresham College, che includeva John Wilkins, John Wallis, Robert Hooke, ed altri gruppi di scienziati, divento' la Royal Society of London for the Promotion of Natural Knowledge. La Societa' Reale ricevette il suo Atto Costitutivo da Charles II. Un altro membro del gruppo del Gresham College group, Christopher Wren, scrisse il preambolo all'atto costitutivo. Uno degli scopi dichiarati della nuova Societa' era di Trovare la longitudine.
Jonas Moore, un professore di matematica ed agrimensore che era visto di buon occhio da Charles II, divento' un patrono di John Flamsteed nel 1670 dopo che lo ebbe incontrato durante una visita che Flamsteed aveva fatto alla Royal Society a Londra. Jonas Moore potette fornire a Flamsteed degli strumenticon cui poter fare delle osservazioni astronomiche. Tre anni dopo Moore, assieme al famoso scrittore di diari Samuel Pepys, fondo' la Royal Mathematical School dentro Christ's Hospital. Quella scuola fu stabilita con lo scopo specifico di addestrare ragazzi nelle tecniche di navigazione cosicche' essi potessero servire il Re nella marina.
Vennero fatte delle proposte per risolvere il problema della longitudine e nel 1673 fu fatta una proposta basata sulla declinazione magnetica da un certo Henry Bond. Charles II creo' un comitato per esaminare quella proposta. Il comitato includeva tra i suoi membri Brouncker, il Presidente della Royal Society, John Pell e Robert Hooke.
Hooke era stato a lungo interessato agli orologi e se essi potessero essere usati per risolvere il problema della longitudine. Dopo aver investigato le difficolta', egli concluse che era virtualmente impossibile ottenere un orologio che in mare mantenesse il tempo con suffuciente accuratezza per risolvere il problema della longitudine:-
Le difficolta' provenivano dalla varieta' dei climi, dai colpi d'aria, dal freddo e dal caldo, dalla temperatura delle molle, dalla natura delle vibrazioni, dal moto della nave....Nondimeno Hooke aveva dato delle conferenze nel 1664 su 20 modi diversi di usare una molla per rendere il bilancino di un orologio piu' uniforme e disse che aveva dei trucchi nella manica che potrebbero portarlo alla produzione di un orologio sufficientemente accurato.Hooke, percio', come quasi tutti gli scienziati di quel tempo, era un giudice poco sincero delle soluzioni del problema della lomngitudine perche' sperava di risolverlo egli stesso.
Jonas Moore, benche' molto interessato a vedere una soluzione del problema della longitudine, sembrava di aver visto il suo ruolo come quello di rendere possibile ad altri di risolverlo piuttosto che farlo da se'. Egli persuase Charles II di concedere l'autorizzazione a Cambridge di concedere un M.A. a Flamsteed nel 1674. Quello stesso anno la Royal Society comincio' a fare piani per istallare un osservatorio che Moore si offri' di finanziare, ma un'altra proposta venne fatta dal francese Le Sieur de St Pierre affermando di aver risolto il problema della longitudine usando dati astronomici. Charles II costitui' una nuova Royal Commission per esaminare quelle nuove proposte di St Pierre. La commissione era composta da Brouncker, Pell, Hooke, Wren ed altri tre.
Nel febbraio 1675 Flamsteed arrivo' a Londra per stare con Moore che riusci' a far nominare Flamsteed assistente alla Royal Commission appena costituita per esaminare le proposte di longitudine di St Pierre. Flamsteed entro breve tempo fece delle osservazioni che ben presto indicarono che il metodo di St Pierre per predire la posizione della luna e il metodo della distanza lunare per risolvere il problema della longitudine erano scarsamente impiegabili. Naturalmente se l'esatta posizione della luna potesse essere predetta, il problema della longitudine sarebbe stato risolto. Gli Inglesi cominciarono cosi' a trattare questo come il loro attacco principale al problema della longitudine, menmtre i Francesi lavoravano principalmente sul metodo delle lune di Giove.
Moore procuro' a Flamsteed anche una visita al Re, per raccontargli del lavoro di Jean Picard all'Osservatorio di Parigi e del metodo francese di affrontare il problema. Flamsteed, giocando la carta dell'"orgoglio nazionale" mise in rilievo al Re come i Francesi avessero un Osservatorio Reale per quel lavoro. Cosi' il Re si diede da fare rapidamente perche' l'Inghilterra potesse essere alla pari della Francia. Il 4 marzo 1675 egli nomino' Flamsteed suo osservatore astronomico con Brevetto Reale. Dallo stipendio di 100 
egli doveva pagarne 10 di tasse ed anche fornire i propri strumenti in modo da potersi:-
... dedicare con la massima cura e diligenza a rettificare le tabelle del moto dei cieli, ed i punti delle stelle fisse, in modo da trovare la tanto desiderata longitudine di localita' per perfezionare l'arte della navigazione.Flamsteed venne informato della sua nomina da Moore ma non era molto eccitato dallo stipendio proposto, particolarmente quando apprese che doveva anche dare lezioni a due ragazzi della Royal Mathematical School al Christ's Hospital come parte dei suoi compiti. Entro due giorni dalla nomina di Flamsteed, Greenwich fu accettato come luogo per un nuovo osservatorio. Quel sito fu scelto da Wren. La costruzione del Royal Observatory a Greenwich comincio' il 1675, disegnato da Wren e diretto da Hooke. Flamsteed ed Halley diedero i consigli sugli strumenti richiesti e le osservazioni cominciarono nel 1676.
Uno dei primi progetti di Flamsteed al Royal Observatory fu di cercare di provare che la Terra gira sul suo asse ad una velocita' costante. Questo era stato assunto da Copernico quando emise la teoria del sistema solare, ma non era mai stato dimostrato. Era anche un ingrediente di vitale importanza per tutti i metodi proposti per la determinazione della longitudine l'assunzione che la Terra ruotasse una data quantita' ogni minuto.
Jonas Moore compro' due orologi per Flamsteed con pendoli lunghi 4 m appesi sopra i quadranti degli orologi. [Nel disegno essi sono i due quadranti a sinistra ed i pendoli sono i due cerchi visibili sopra i quadranti]. Il Sole non poteva essere usato come marcatempo poiche' il fatto che l'orbita della Terra non era circolare significa che il tempo dato dalle meridiane sarebbe avanti a quello di orologi accurati per buona parte dell'anno ed indietro il resto del tempo. Questa variazione tra il tempo degli orologi e quello delle meridiane e' chiamato l'Equazione del Tempo oppure l'Equazione dei Giorni Naturali ed era stato noto ai Greci ed agli Arabi molti secoli prima (benche' naturalmente essi non avevano capito la ragione delle variazioni).
Flamsteed uso' la stella Sirio come marcatempo, correggendo il tempo siderale ottenuto da transiti successivi della stella in tempo solare. La differenza, naturalmente, e' dovuta alla rotazione della Terra attorno al Sole. Flamsteed scrisse in una lettera del 1677:-
... i nostri orologi hanno mantenuto una buona corrispondenza con i Cieli tanto che io dubito che essi non possano provare che le rivoluzioni della Terra sono isocroniche...Egli chiedeva un anno per completare l'esperimento, ma cio' sarebbe solo possibile se il Ministero che gli paga lo stipendio :-
... non mi facesse morire di fame, perche' sapete bene che il mio stipendio e' molto basso ed ora sono da 9 mesi in arretrato. Credo proprio di dover accettare di diventare vicario in campagna, e poi dire addio all'esperimento.Pero' Flamsteed non mori' di fame e nel marzo 1678 aveva dimostrato la rotazione sincrona della Terra. Una parte del problema della longitudine era stato cosi' risolto benche' nessuno avesse mai dubitato che la Terra ruoti ad una rata costante. (Naturalmente noi sappiamo ora che possiamo, con misure piu' accurate, notare che la rata di rotazione della Terra cambia, e dei secondi sono aggiunti in varie occasioni per tenerne conto).
Il Greenwich Royal Observatory dovette fornire grandi quantita' di dati e Flamsteed passo' 15 anni dal 1689 al 1704 a compilare tabelle della luna per il metodo della distanza lunare della ricerca della longitudine. Newton pure richiese dati sulla luna in modo da poter perfezionare la sua comprensione dell'orbita nei termini della sua nuova teoria della gravitazione.
Tra il 1690 ed il 1707 ci fu un certo numero di incidenti in cui navi da guerra inglesi vennero perdute in mare perche' avevano perduto le loro posizioni. Nell'incidente piu' serio del 1707 oltre 2000 uomini vennero perduti quando quattro navi si arenarono sulle Isole Scilli mentre tornavano in Inghilterra. La pressione stava montando sempre piu' per una soluzione del problema della longitudine poiche' la mancanza della sua soluzione stava costando all'Inghilterra vaste somme di danaro. Tutti credevano che i matematici e gli astronomi avrebbero fornito la soluzione, ma cio' non avveniva mai. Pero' molte proposte venivano ancora avanzate, sia serie e ingegnose che comiche.
Una proposta comica, basata sulla premessa corretta che la conoscenza del tempo universale permetterebbe alla longitudine di poter essere calcolata, e' cosi' descritta:-
[La proposta consisteva dell'uso della "polvere di simpatia"...da applicare, non alla ferita ma all'arma che l'aveva causata....prima di salpare, ad ogni nave verrebbe dato un cane ferito. Un osservatore di fiducia a terra, attrezzato con un orologio ordinario ed una benda dalla ferita del cane immergerebbe.....ogni ora esattamente, la benda in una soluzione della "polvere di simpatia" ed il cane sulla nave lamenterebbe l'ora.Una proposta piu' seria fu fatta da William Whiston e da Humphrey Ditton nel 1714. Essi proposero:-
... un certo numero di navi-faro sarebbero ancorate lungo le principali arterie di navigazione ad intervalli regolari....Le navi sparerebbero ad intervalli regolari un razzo che esploderebbe all'altezza di 6440 piedi.....I capitani delle navi potrebbero allora facilmente calcolare la distanza dalla piu' vicina nave-faro notando soltanto il tempo tra la vista del lampo ed il rumore dello scoppio.Il Parlamento costitui' un Comitato a cui appartenevano Newton ed Halley per esaminare le proposte di Whiston - Ditton e riferire in generale sul problema della longitudine. Newton rapporto' al Comitato che la maggior parte delle proposte erano corrette in teoria ma non erano affatto pratiche. Newton non era in favore del metodo francese di usare le lune di Giove e noto' che il metodo di Whiston - Ditton non permetteva di trovare la longitudine a mare se fosse stata perduta. Newton considero' il metodo dell'orologio che alla fine avrebbe avuto successo:-
Un metodo c'e', usando un orologio per tenere il tempo esatto. Purtroppo a causa del moto della nave, delle variazioni di temperatura e di umidita', e della differenza di gravita' alle varie latitudini, un tale orologio non e' stato ancora prodotto.Il Parlamento penso' che era arrivato il momento di fare una mossa radicale e, il giugno 1714, passo' un Atto:-
... di fornire un premio ad una o piu' persone che scoprissero il metodo di misurare la longitudine, di 10.000 sterline se e' capace di determinare la latitudine a un grado di un grande circolo, o 60 miglia geografiche, oppure di 15.000 sterline se la determina a due terzi di quell'errore, o di 20.000 sterline, se la determina a meta' di quell'errore...Per comprendere il valore di quel premio, basti pensare allo stipendio annuale del povero Flamsteed di
100 per permettergli di vivere e di comprare i suoi strumenti. I commissari vennero nominati, sotto il nome di Commissione della Longitudine, per giudicare se le proposte fossero rientrate nelle condizioni poste ed anche per fornire anticipi per le proposte promettenti. I Commissari includevano membri dell'Ammiragliato, l'Astronomo Reale, i professori delle cattedre Savilian, Lucasian, e Plumian a Oxford e Cambridge piu' dieci membri del Parlamento.
Naturalmente ci fu un'inondazione di proposte speranzose, tra cui una da Wren. La Commissione impiego' un secretario per disporre dell'enorme numero di proposte impossibili e si riuni' tre volte l'anno per prendere in considerazione quelle che il secretario pensasse che erano degne dell'attenzione della Commissione. Molti piccoli premi vennero dispensati, ma non ci fu alcuna proposta di merito.
Prima di descrivere il contributo di John Harrison al problema della longitudine, e di raccontare come egli finalmente risolvesse il problema, dovremmo menzionare un altro importante ingrediente. John Hadley, vice-presidente della Royal Society, descrisse in una comunicazione alla Society nel maggio 1731, due nuovi strumenti basati sul principio del doppio riflesso. Tali strumenti permettevano:-
... di vedere due corpi (per le distanze lunari) o di un corpo e dell'orizzonte (per l'altitudine) simultaneamente, rendendo cosi' pratica l'osservazione da una nave in movimento.Thomas Godfrey in Pennsilvania aveva fatto la stessa invenzione quasi allo stesso tempo di Hadley, e si scopri' piu' tardi tra le carte di Halley che Newton aveva avuto una idea simile nel 1700 ma Halley gli aveva detto che non era pratica.
John Harrison costrui' il suo primo orologio nel 1715, l'anno dopo che l'Atto della Longitudine era diventato legge. Nel 1727 aveva prodotto un magnifico orologio con un pendolo a "griglia" che consistenva di nove aste alternantesi di acciaio e di ottone per eliminare gli effetti dei cambiamenti di temperatura. Nel 1730 Harrison visito' Londra, prendendo con se' il suo pendolo a griglia e lo scappamento a grilletto che egli aveva ideato, e li' seppe esattamente quello che si richiedeva per vincere il premio della longitudine. Egli parlo' con Halley, l'Astronomo Regale, che gli consiglio' di non chiedere un finanziamento dal Board of Longitude, ma piuttosto di cercare prima danaro da altre fonti.
Harrison lo fece ed ottenne dei fondi che gli permisero di produrre il suo primo orologio, disegnato appositamente per mantenere un tempo accurato sulle navi. Halley gli consiglio' di rivolgersi al Board una volta che l'orologio fosse costruito. Harrison completo' l'orologio, ora chiamato H1, nel 1735. Si trattava di un grande orologio del peso di circa 35 kg, che non era un bell'affare, ma aveva molte caratteristiche ingegnose. Lo porto' a Londra dove fu esaminato da cinque membri della Royal Society, incluso Halley, ed essi ne rimasero entussiasti e diedero ad Harrison un certificato che in sostanza significava che il Board of Longitude non aveva altri ricorsi che di ordinare una prova a mare.
Ecco la foto di H1.
Harrison accompagno' H1 sulla nave H M S Centurian fino a Lisbona e ritorno' sulla H M S Oxford. Fu una strana scelta di percorso perche' era sopratutto in direzione nord/sud, ma H1 si comporto' bene ed Harrison potette dire al capitano durante il viaggio di ritorno che la nave era 150 km piu' ad ovest di quello che il capitano credesse.
Pero' Harrison non era soddisfatto di H1 e si rivolse al Board of Longitude nel 1737. Le minute del Board cosi' registrarono:-
Mr John Harrison ha mostrato una macchina appena inventata, di tipo orologio , con cui egli si propone di marcare tempo a mare con piu' esattezza di qualsiasi altro strumento finora conosciuto... e si propone di costruire un'altra macchina di piu' piccole dimensioni entro due anni, in cui egli si propone di correggere alcune difettosita' riscontrate in quella gia' prodotta ...H2 fu costruita con
250 date dal Board of Longitude (con la promessa di altre 250 quando fosse consegnata per le prove), ma nonostante le buone intenzioni, risulto' di essere piu/ pesante della H1. Pero' aveva anche parecchie altre innovazioni. Harrison completo' la H2 nel 1739, come promesso, ma impiego' altri due anni a provarla da se'. Le prove in mare erano difficili perche' l'Inghilterra era in guerra con la Francia: la Guerra dei Sette Anni certamente interruppe gli sviluppi scientifici.
Harrison decise di costruire un terzo orologio, l'H3, e scrisse al Board of Longitude nel 1741. Gli fu dato un altro anticipo di 500. E' chiaro che la Royal Society era stata bene impressionata dal lavoro di Harrison poiche' essi gli diedero la medaglia Copley nel 1749, un evento rimarchevole considerando il fatto che Harrison non aveva fatto gli studi accademici ne' aveva ricevuto alcun addestramento. La Royal Society proclamo' che Harrison era:-
... l'autore della piu' importante scoperta scientifica o di contributo alla scienza oppure...Il lavoro sull'H3 non ando' avanti bene come Harrison aveva sperato ed egli ricevette parecchi altri anticipi dal Board of Longitude prima di decidere nel 1757 di non provare l'H3 ma di costruire un orologio molto piu' piccolo.
H4 fu cominciato nel 1757 e completato in due anni.
Questa e' la foto di H4.
Aveva un diametro di circa 12 cm ed Harrison stesso aveva perfettamente ragione quando disse:-
Penso di poter dire con orgoglio che non c'e' altro oggetto meccanico o matematico al mondo che sia piu' bello o interessante come costruzione di questo mio orologio o marcatempo per la longitudine...Nel 1761 Harrison richiese una prova in mare per l'H4. Dal 1741 aveva ricevuto anticipi per
3.000 dal Board of Longitude per aiutarlo a completare il suo lavoro ed ora gli diedero altre 500 per completare l'aggiustaggio di H4.
Benche' fino a questo punto Harrison fosse stato trattato abbastanza bene dal Board of Longitude ora egli trovava che era quasi impossibile convincerli che l'H4 soddisfaceva le condizioni per il premio di 20.000. Fu organizzata una prova e h4 venne messo a bordo della Deptford col figlio di John Harrison, William Harrison, che lo custodiva. Le condizioni del premio vennero completamente incontrate quando la Deptford raggiunse la Giamaica. H4 aveva perduto solo 5 secondi in tutto il viaggio. Al ritorno, che non faceva parte della prova, H4 e William Harrison erano sulla corvetta Merlin. Il tempo era estremamente cattivo e la Merlin fu sbatacchiata dalle onde lungo tutto il viaggio, eppure H4 si comporto' entro le condizioni del premio di 20.000.
La Royal Society ed il Board of Longitude non volevano concedergli la somma di 20.000 che egli si era meritata per aver adempito alle condizioni. Ci furono parecchie ragioni per cio'. In primo luogo quelle condizioni erano state stabilite quando c'era poca prospettiva che venissero mai soddisfatte e cosi' non erano state pensate abbastanza bene. Ora dicevano che era forse dovuto ad una fortuita' che l'H4 avesse soddisfatto le condizioni. Forse, cosa piu' significativa, c'erano ancora molti membri della Royal Society che ancora speravano di poter vincere essi stessi il premio.
James Bradley, che era succeduto a Halley come Astronomo Regale nel 1742, e Tobias Mayer erano convinti che la distanza lunare avrebbe portato alla risoluzione del problema della longitudine. Tobias Mayer aveva mandato le sue tabelle lunari al Board of Longitude nel 1756 ma la guerra dei Sette Anni con la Francia aveva impedito delle prove idonee. Nel 1761 Maskelyne, un altro che credeva fermamente nel metodo della distanza lunare, venne inviato a St Helena sul Prince Henry per provare il metodo della distanza lunare per il Board of Longitude ed in particolare di provare le tabelle di Tobias Mayer. Howse cosi' descrive il lavoro di Maskelyne sul metodo della distanza lunare in quel viaggio:-
Egli credeva di aver provato l'utilita' delle tabelle di Mayer ed in generale di quel metodo, nel viaggio d'andata. Al ritorno, percio', egli fece poche osservazioni da se'...E cosi' egli incoraggio' gli ufficiali della nave a fare le osservazioni, mostrando loro come fare quei calcoli laboriosi ...Maskelyne affermo' che:-
La longitudine puo' sempre essere trovata entro un grado, o poco piu', il che risponde a circa 40 miglia geografiche alla latitudine del Canale della Manica.Bradley affermo' che egli e Tobias Mayer si sarebbero divisi il premio di
10.000 se non fosse stato per quel maledetto orologio di Harrison. Cosi' non fu solo Harrison a credere di essre stato trattato male.
James Bradley e Tobias Mayer morirono entrambi nel 1762 ma la vedova di Mayer piu' tardi ricevette 3000 dal Board of Longitude. Cosi' toccava ad Harrison di continuare la sua battaglia ma comincio' a temere che il rapporto di Tobias Mayer sul successo delle sue tabelle potrebbe essere visto come meritevole del premio, dato che il proprio successo era stato ignorato. Una seconda prova per H4 fu organizzata e H M S Tartar isso' le vele da Portsmouth il 28 marzo 1764 con William Harrison e H4 a bordo. All'arrivo alle Barbados William Harrison scopri' che Maskelyne era stato mandato avanti per giudicare sul successo della prova.
William Harrison si lamento' che Maskelyne non poeva essere un giudice imparziale, ma Maskelyne ebbe la buona grazia di chiedere che le osservazioni necessarie venissero fatte da qualcun'altro poiche' egli era malato. H4 perdette soli 54 secondi nei 5 mesi del viaggio e, dopo correzione degli errori, che Harrison aveva stabilito prima di cominciare il viaggio, l'errore fu ridotto a 15 secondi.
Il caso scientifico perche' l'H4 vincesse il premio di 20.000 era indisputabile. Si trovo' che una copia di H4 fatta da Kendall, chiamata K1, rientrava bene nelle condizioni del premio e John Harrison, all'eta' di 78 anni, fece un altro orologio, H5, nei suoi tentativi di soddisfare le condizioni stabilite dal Board of Longitude. Pero' ci volle una petizione da parte di John Harrison al Re George III prima che ricevesse il premio per aver risolto il problema della longitudine.
Lo sviluppo del cronometro marino dopo Harrison e' cosi' descritto:-
Fu lasciato ai piu' giovani colleghi di Harrison di disegnare cronometri....abbastanza economici da rientrare nel potere d'acquisto di comuni navigatori....La British East India Company fu una delle prime ad insistere che tutte le loro navi portassero dei cronometri. La Marina Militare fu piu' lenta a seguirli: fu solo nel 1840 o piu' tardi che le navi portassero a bordo cronometri nelle acque di casa...Delle gare annuali ebbero luogo a Greenwich dal 1821, con premi per i migliori cronometri presentati.