John Harrison: chiếc đồng hồ vượt biển và cuộc đua chưa dừng ở vạch đích

Đêm tháng 10 năm 1707, hạm đội Anh dưới quyền Đô đốc Sir Cloudesley Shovell tưởng mình đang ở ngoài khơi Ushant nhưng lại lao vào quần đảo Scilly ngoài khơi Cornwall. Khoảng 2.000 người chết, trong đó có chính vị đô đốc. [9]

Hạm đội rời Gibraltar về Anh khoảng ngày 10 tháng 10 và gặp thời tiết bão gần như liên tục trong mười ngày tiếp theo. Ngày 21 tháng 10, các phép đo sâu cho kết quả khoảng 90 fathom, còn những quan sát thiên văn thiếu nhất quán. [9]

Trên biển, vị trí ước tính bằng phương pháp dead reckoning có thể tích lũy sai số; những sai số ấy thường dẫn đến đắm tàu và tổn thất lớn về sinh mạng. Vậy một dụng cụ phải giữ giờ chính xác đến mức nào để giúp con người biết mình đang ở đâu giữa hành trình? [1]

Người thợ mộc giữ được một giây

John Harrison đến với câu hỏi ấy từ nghề mộc, không phải từ những chuyến đi biển. Ông nối nghề của cha, dành thời gian rảnh để làm và sửa đồng hồ, rồi tự học nghề chế tác. Năm 1713, ở tuổi hai mươi, người thợ mộc làm chiếc đồng hồ tủ đứng đầu tiên với bộ máy hoàn toàn bằng gỗ. Đến giữa thập niên 1720, các đồng hồ tủ đứng do ông thiết kế đạt độ chính xác một giây mỗi tháng. [1][2]

Đằng sau độ chính xác ấy là những giải pháp cụ thể. Con lắc gridiron dùng các thanh đồng thau và sắt xen kẽ, để sự giãn nở và co lại vì nhiệt gần như triệt tiêu nhau. Với bộ thoát grasshopper, Harrison dùng các ngàm chặn bằng gỗ, tạo cơ cấu gần như không có ma sát và không cần bôi trơn. Nhưng một giây mỗi tháng trên đất liền chưa trả lời được bài toán trên tàu: mục tiêu của ông là chế tạo một chiếc đồng hồ di động có sai số không quá ba giây mỗi ngày. [1][2]

Giữ giờ là một con đường tìm kinh độ vì một giờ chênh lệch thời gian giữa hai địa điểm tương ứng với 15 độ kinh độ. Đạo luật Kinh độ năm 1714 lập ủy ban thường gọi là Hội đồng Kinh độ, đồng thời đặt giải cao nhất 20.000 bảng cho phương pháp xác định kinh độ trên biển chính xác đến nửa độ. [6][9]

Isaac Newton và Christiaan Huygens nghi ngờ khả năng chế tạo chiếc đồng hồ ấy, ưu tiên những phương pháp khác như khoảng cách Mặt Trăng. Newton cho rằng khi đã mất kinh độ trên biển, không đồng hồ nào có thể tìm lại. Harrison phải đưa độ chính xác ra khỏi đồng hồ tủ đứng: cỗ máy đi biển còn phải chịu chuyển động liên tục của tàu, biến đổi nhiệt độ, áp suất, độ ẩm và không khí mặn. [1]

Mũi đất bị gọi nhầm tên

Harrison đến London năm 1730, mang theo thiết kế đồng hồ hàng hải và tìm nguồn tiền để chế tạo cỗ máy tranh giải kinh độ. Halley đón ông nồng nhiệt tại Greenwich, nhưng thấy mình không thể đánh giá công trình nên giới thiệu ông đến George Graham. Graham cho ông vay tiền làm mô hình đồng hồ đi biển; từ khoản vay ấy, Harrison dành năm năm chế tạo chiếc đầu tiên, H1. [1][2]

H1 không dùng con lắc mà dùng hai thanh cân bằng nối với nhau để bù chuyển động: thay vì một bộ phận dao động riêng lẻ, hai thanh làm việc cùng nhau để giảm ảnh hưởng của tàu chòng chành. Cỗ máy còn nằm trong hệ treo gimbal, giúp đồng hồ giữ tư thế tương đối nằm ngang dù tàu chuyển động. Sau cuộc thử trên sông Humber, năm 1735, ông mang H1 đến xưởng Graham ở London cho giới khoa học xem; đây là đề xuất đầu tiên Hội đồng Kinh độ đánh giá xứng đáng thử trên biển. [6][2][1]

Tháng 5 năm 1736, Harrison cùng H1 lên tàu Centurion đi Lisbon, đưa cỗ máy vào điều kiện thực. Đồng hồ chạy chậm ở lượt đi nhưng hoạt động tốt trên hành trình trở về. Gần nước Anh, các sĩ quan tưởng mũi đất trước mắt là Start; Harrison xác định đó thực ra là Lizard. Một tên gọi nhầm che khuất sai lệch lớn: nhận định đúng của ông cho thấy tàu lệch hành trình 60 dặm và đang gặp nguy hiểm. [2][1]

Chuyến Lisbon vẫn chưa phải cuộc thử xuyên Đại Tây Dương mà điều kiện giải thưởng yêu cầu; thành công khi nhận ra mũi đất không đồng nghĩa với việc thắng giải. Ngày 30 tháng 6 năm 1737, tám ủy viên họp và đồng ý cấp Harrison 500 bảng. Ông nhận trước 250 bảng để làm chiếc đồng hồ cải tiến, kèm lời hứa hoàn thành trong hai năm. [1][2]

Hai năm hứa hẹn, mười chín năm thử máy

Ông giữ đúng lời hứa ấy với H2. Nhưng làm xong bộ máy chưa có nghĩa là có thể đưa ngay ra biển. Chiến tranh với Tây Ban Nha cản trở cuộc thử vì người ta không muốn mạo hiểm để cơ cấu rơi vào tay đối phương. Chiếc đồng hồ phải chờ, còn người chế tạo tiếp tục xem xét thiết kế. [2][1]

Trở ngại tiếp theo nằm ngay trong bộ máy. Harrison phát hiện chuyển động quay của tàu quanh trục thẳng đứng có thể ảnh hưởng đến chu kỳ dao động của các thanh cân bằng. Không chỉ chuyển động chòng chành, mà cả lúc tàu đổi hướng cũng có thể làm nhịp giữ giờ sai lệch. Ông quyết định bỏ H2: chiếc đồng hồ hoàn thành đúng hẹn vẫn mang một điểm yếu khiến ông không tiếp tục theo đuổi. [2][1]

Hội đồng Kinh độ cấp thêm 500 bảng, và ông chuyển sang H3 trong lúc đợi chiến tranh kết thúc. Harrison bắt đầu chiếc đồng hồ này năm 1740 rồi dành mười chín năm làm việc với bộ máy. [1][2]

Quãng đời dành cho H3 còn để lại những chi tiết vượt ra ngoài chiếc đồng hồ: thanh lưỡng kim và ổ con lăn có vòng giữ. Đó là hai di sản kỹ thuật bền lâu của dự án. [2][1]

Năm tiếng tích tắc và chuyến vượt biển

Harrison lại tìm thấy một hướng đi ngoài những cỗ máy lớn. Sau ba mươi năm thử nghiệm, ông ngạc nhiên khi một số đồng hồ Thomas Mudge giữ giờ chính xác ngang các đồng hồ đi biển khổng lồ của mình. Khoảng năm 1751–1752, ông đặt John Jefferys làm một chiếc đồng hồ có bộ cân bằng hoàn toàn mới; thiết kế ấy sau đó đi vào H4. [1][2]

Trong thập niên 1750, không ai coi đồng hồ bỏ túi là dụng cụ giữ giờ chính xác nghiêm túc. H4 lại phát năm tiếng tích tắc mỗi giây: bộ cân bằng lớn dao động nhanh hơn, với biên độ lớn hơn đồng hồ thông thường. Chiếc đồng hồ làm năm 1761 có đường kính hơn 13 centimet và nặng 1,45 kilogram. [2][7]

Năm 1761, các ủy viên cho William, con trai Harrison, chuẩn bị chuyến đi Jamaica để thử H4. Chiếc đồng hồ lên tàu Deptford, đi từ Portsmouth đến Jamaica trong khoảng tháng 11 năm 1761 đến tháng 1 năm 1762. Trên đường, William dùng H4 dự báo tàu sẽ đến Madeira sớm hơn đoàn thủy thủ dự tính; kết quả khiến thuyền trưởng muốn mua chiếc tiếp theo. [2][7]

H4 chậm 5,1 giây trong hành trình, song Hội đồng Kinh độ vẫn yêu cầu nghiên cứu và thử thêm. Quan hệ giữa các ủy viên và gia đình ông xấu đi khi họ cho rằng phép thử chưa đủ. Bạn bè và người ủng hộ Harrison mở chiến dịch qua bài báo, tờ in khổ lớn và sách mỏng. [7][2]

Đến thập niên 1760, chiếc đồng hồ của Harrison còn đứng trước hai phương án cạnh tranh: khoảng cách Mặt Trăng và các vệ tinh Sao Mộc. Nevil Maskelyne được bổ nhiệm làm nhà thiên văn phụ trách cuộc thử mới tại Barbados. Tại đó, người ta dự định dùng quan sát các vệ tinh Sao Mộc để xác định kinh độ đảo, lấy cơ sở đánh giá cả phương pháp thiên văn lẫn H4. [2]

Đạt chuẩn rồi, chiếc hộp vẫn bị niêm phong

Trong khi Harrison chờ cuộc thử mới, Maskelyne rời Anh trên Princess Louisa tháng 9 năm 1763, đến Bridgetown đầu tháng 11. Harrison đi cùng H4 tháng 3 năm 1764 và đến nơi tháng 5. Đến cuộc họp tháng 2 năm 1765, Hội đồng Kinh độ xác nhận chiếc đồng hồ giữ giờ trong các giới hạn nghiêm ngặt nhất của đạo luật năm 1714. Nhưng sự xác nhận ấy chưa khép lại những điều kiện để người chế tạo nhận đủ tiền. [2]

Hội đồng đề nghị Quốc hội trao 10.000 bảng sau khi Harrison trình bày các nguyên lý của H4. Với 10.000 bảng còn lại, sau khi trừ những khoản đã trả, ông phải chứng minh thợ khác có thể làm một chiếc đồng hồ tương tự. H4 đã vượt qua yêu cầu về độ chính xác; giờ đây, phương pháp chế tạo cũng phải vượt qua một phép thử khác: thành công có thể lặp lại trong tay người khác hay không. [2]

Gia đình Harrison cho rằng họ đã đủ điều kiện nhận toàn bộ giải thưởng và các ủy viên đang đổi luật bất công. Các ủy viên lại muốn bảo đảm chiếc đồng hồ không phải thành công đơn chiếc trước khi trả hết tiền. Những đề nghị mới trở thành luật qua Đạo luật Kinh độ ngày 10 tháng 5 năm 1765. [2]

Ngày 5 tháng 5 năm 1766, Maskelyne nhận đồng hồ Harrison để thử thêm tại Royal Observatory ở Greenwich. Nhật ký của ông ghi chiếc đồng hồ do Philip Stephens giao nằm trong hộp khóa kín có ba dấu niêm phong. Cuộc thử kéo dài mười tháng cho kết quả H4 không tốt; Maskelyne công bố kết quả, còn Harrison phản bác, khiến tranh chấp bùng lại. [2]

Sự thật và lời đồn quanh một giải thưởng

Sau cuộc thử ở Greenwich, Harrison không dừng lại ở bất đồng với các ủy viên. Khi cảm thấy mình chưa nhận được sự công nhận tương xứng và những yêu cầu kéo dài thời gian của ông, Harrison tìm đến George III. Năm 1772, H5 trải qua một cuộc thử trên biển kéo dài mười tuần, với sai số chỉ một phần ba giây mỗi ngày. Chiếc đồng hồ ấy có vỏ bạc, mặt men trắng và một ngôi sao vàng ở giữa để chỉnh kim; hiện H5 nằm tại Science Museum ở London. [7]

Sau kiến nghị lên Quốc hội năm 1773, Harrison nhận thêm 8.750 bảng cùng sự công nhận chính thức, theo World History Encyclopedia. Nhưng Royal Museums Greenwich ghi nhận một giới hạn quan trọng: Quốc hội thưởng ông vì công lao với quốc gia, song Harrison không nhận được toàn bộ số tiền mà ông cho rằng mình được hưởng. [7][2]

Ngay cả những câu chuyện thường được dùng để giải thích con đường của ông cũng cần đặt đúng mức chắc chắn. Giai thoại kể Harrison từng được cho một chiếc đồng hồ để giải khuây khi mắc bệnh đậu mùa lúc sáu tuổi, nhưng nguồn này nghi ngờ câu chuyện có lẽ sai. Còn giả thuyết hạm đội của Shovell đi nhanh hơn dự tính vì dòng chảy yếu hoặc gió giật là nhận định của William E. Carter và Merri Sue Carter. Hai tác giả ấy cũng cho rằng sai số vĩ độ, tính bằng hải lý, lớn gấp đôi sai số kinh độ trong thảm họa. [1][9]

Điều ít ai biết: lời hứa một trăm ngày

Đồng hồ của Harrison giữ giờ chính xác, nhưng giá thành vẫn là một rào cản. Ban đầu, đồng hồ hàng hải quá đắt nên phổ biến chậm; những thợ chế tác về sau phải đơn giản hóa thiết kế và hạ giá mới giúp đồng hồ được dùng rộng hơn vào đầu thế kỷ XIX. Tại Royal Observatory Greenwich, bản sao H1 cùng các bản gốc H2, H3, H4 còn lưu lại dấu vết của quá trình thử máy ấy. [2]

Không lâu trước khi mất, ông xuất bản một cuốn sách công kích một số đối thủ và tuyên bố có thể chế tạo đồng hồ trên đất liền chính xác hơn họ. Lời hứa rất cụ thể: chiếc đồng hồ con lắc mới sẽ giữ giờ với sai số trong một giây suốt một trăm ngày. Đồng hồ vẫn cần lên dây thường xuyên. [8]

The London Review of English and Foreign Literature chê cuốn sách là một trong những sản phẩm khó hiểu nhất từng gặp. Ý tưởng về đồng hồ con lắc siêu chính xác rơi vào quên lãng, đến thập niên 1970 mới được quan tâm trở lại cùng công trình của Harrison. Nghệ sĩ kiêm thợ đồng hồ Martin Burgess giải mã bản thiết kế rồi chế tạo hai phiên bản; phiên bản thứ hai mang tên Clock B. [8]

Ngày 6 tháng 1 năm 2015, Clock B bắt đầu cuộc thử chính thức trong hộp nhựa trong, niêm phong để ngăn can thiệp. Sau một trăm ngày thử, Clock B chỉ chậm thêm năm phần tám giây. [8]

Một phép thử còn vang đến hôm nay

Harrison mất ngày 24 tháng 3 năm 1776. [1][8]

Năm 1707, cả hạm đội của Shovell đã không biết mình đang ở đâu. Hơn hai thế kỷ sau, chiếc đồng hồ dựng theo bản thiết kế cuối đời của ông nằm trong một chiếc hộp niêm phong và giữ được lời hứa mà người thợ mộc để lại. [9][8]

Nguồn

1. John Harrison (Wikipedia) (en.wikipedia.org, bách khoa)
2. Longitude found - the story of Harrison's timekeepers | Royal Museums Greenwich (www.rmg.co.uk, nguồn gốc)
3. Longitude : the true story of a lone genius who solved the greatest scientific problem of his time : Sobel, Dava : Free Download, Borrow, and Streaming : Internet Archive (archive.org, nguồn gốc)
4. Longitude found - the story of Harrison's timekeepers | Royal Museums Greenwich (www.rmg.co.uk, nguồn gốc)
5. The principles of Mr. Harrison's time-keeper; with plates of the same : Harrison, John, 1693-1776 : Free Download, Borrow, and Streaming : Internet Archive (archive.org, nguồn gốc)
6. A beginners guide to longitude | Australian National Maritime Museum (www.sea.museum, bài viết)
7. Harrison's Marine Chronometer - World History Encyclopedia (www.worldhistory.org, bài viết)
8. Clockmaker John Harrison vindicated 250 years after ‘absurd’ claims | Science | The Guardian (www.theguardian.com, bài viết)
9. The British Longitude Act Reconsidered » American Scientist (web.archive.org, bài viết)

Ảnh minh họa do AI tạo, không phải ảnh tư liệu; không mô tả khuôn mặt người thật.