ปัญหาลองจิจูด พัฒนาการของนาฬิกา และความก้าวหน้าของมนุษย์

ปัจจุบัน เทคโนโลยี Global Positioning System หรือที่เรียกกันย่อๆ ว่า GPS นั้นกลายเป็นส่วนสำคัญในชีวิตประจำวันของคนเราไปแล้ว พิกัด GPS ที่ระบุทุกตำแหน่งบนโลกจะอยู่ในรูปแบบของเลขสองตัว อันหมายถึงพิกัดเส้นละติจูด (Latitude) หรือเส้นรุ้ง และพิกัดเส้นลองจิจูด (Longitude) หรือเส้นแวง ซึ่งเป็นเส้นสมมติที่ลากจากเหนือลงใต้ และจากตะวันออกสู่ตะวันตก เพื่อให้การระบุตำแหน่งต่างๆ บนโลกเป็นไปอย่างถูกต้องแม่นยำ

ด้วยเทคโนโลยีดาวเทียมในปัจจุบัน การหาพิกัด GPS มักจะใช้การอ้างอิงตำแหน่งจากดาวเทียมอย่างน้อยสามดวง ซึ่งก็ทำได้ง่ายมาก เพียงเรากดโทรศัพท์มือถือหรือนาฬิกาข้อมือ ก็สามารถระบุจุดที่เราอยู่บนแผนที่โลกได้อย่างถูกต้องแม่นยำ แต่กว่าที่เทคโนโลยีจะก้าวหน้ามาถึงจุดนี้ได้ การระบุพิกัดลองจิจูดเคยเป็นปัญหาคาใจนักวิทยาศาสตร์และนักประดิษฐ์มาหลายต่อหลายรุ่น

เอราทอสเทนีส (Eratosthenes) นักคณิตศาสตร์และนักดาราศาสตร์ผู้มีชีวิตอยู่ในช่วง 276-194 ปีก่อนคริสตกาล เป็นคนแรกที่กำหนดระบบเส้นละติจูดและเส้นลองจิจูดขึ้นมา แต่ในเวลานั้น การคำนวณพิกัดยังไม่แม่นยำเท่าใดนัก

เส้นละติจูดนั้นคำนวณได้ไม่ยาก โดยมีเส้นศูนย์สูตร (Equator Line) เป็นแนวอ้างอิงที่ 0 องศา การระบุตำแหน่งต่างๆ บนโลกทางทิศเหนือหรือใต้ ก็จะวัดจากการทำมุมเป็นกี่องศาจากเส้นศูนย์สูตร ตั้งแต่ 0 องศาไปจนถึง 90 องศาที่ขั้วโลกเหนือและขั้วโลกใต้ ซึ่งนักดาราศาสตร์ในสมัยก่อนจะใช้การคำนวณจากองศาของดวงอาทิตย์ในช่วงเที่ยงวันว่าทำมุมกี่องศากับเส้นขอบฟ้า หรือตำแหน่งของกลุ่มดาวต่างๆ ในช่วงเวลากลางคืน เมื่อเทียบกับตารางอ้างอิงที่เรียกว่าแผนที่ดาราศาสตร์ (Astrolabe) ก็จะสามารถบอกค่าละติจูดได้อย่างถูกต้อง

แผนที่ดาราศาสตร์กลายเป็นอุปกรณ์สำคัญของนักเดินทาง โดยเฉพาะอย่างยิ่งทางเรือซึ่งไม่มีจุดอ้างอิงที่ชัดเจนเหมือนกับบนฝั่ง เมื่อชาวยุโรปออกเดินทางเสาะแสวงหาดินแดนและเส้นทางการค้าใหม่ๆ เข็มทิศและแผนที่จึงกลายเป็นอุปกรณ์สำคัญในการขยายอิทธิพลทางทะเล แต่ปัญหาสำคัญคือ การคำนวณพิกัดลองจิจูดที่ยังมีปัญหา ดังที่เราเห็นได้จากแผนที่ยุคโบราณที่มักจะมีสเกลในแนวตั้งถูกต้อง แต่ในแนวนอนคลาดเคลื่อน การใช้ประสบการณ์บวกกับการคาดเดาตำแหน่งลองจิจูดที่ไม่สามารถวัดได้อย่างแม่นยำจึงกลายเป็นความสามารถที่สำคัญของกัปตันเรือ กัปตันรุ่นใหญ่ที่มีประสบการณ์มากกว่าก็มักจะคาดเดาตำแหน่งที่แท้จริงของเรือได้แม่นยำกว่า โดยดูจากระยะเวลาที่ใช้ในการเดินทางบ้าง กระแสน้ำบ้าง แต่ถึงอย่างนั้นก็มีเรือจำนวนมากที่ต้องอับปางเพราะการระบุตำแหน่งที่ผิดพลาด

การระบุพิกัดลองจิจูดจึงเป็นหนึ่งในปัญหาทางวิทยาศาสตร์ที่สำคัญในอดีต และถึงแม้ปัญหานี้จะแก้ไขได้ส่วนหนึ่งจากมันสมองของนักวิทยาศาสตร์ระดับตำนานอย่างกาลิเลโอ (Galileo) ที่ใช้การวัดตำแหน่งดวงจันทร์ของดาวพฤหัสบดี แต่วิธีการนี้ก็ใช้ได้เฉพาะเมื่ออยู่บนแผ่นดินและมีจุดอ้างอิงที่ชัดเจน แต่ไม่สามารถใช้บนเรือซึ่งไม่นิ่งและไม่มีจุดอ้างอิงที่ชัดเจนได้

ปัญหานี้กลายเป็นอุปสรรคสำคัญสำหรับการขยายอิทธิพลทางทะเลของราชสำนักยุโรป จึงทำให้มีความพยายามแก้ปัญหา ในปี 1567 พระเจ้าเฟลีเปที่ 2 แห่งสเปน ได้ตั้งรางวัลสำหรับผู้ที่คิดค้นวิธีการวัดลองจิจูดได้ แต่ก็ไม่มีใครทำได้สำเร็จ ต่อมาในปี 1598 พระเจ้าเฟลีเปที่ 3 แห่งสเปน ก็เพิ่มเงินรางวัลขึ้นอีก แต่ก็ยังไม่มีผู้ใดทำได้สำเร็จอีกเช่นกัน

ในช่วงเวลาเดียวกัน ราชสำนักเนเธอร์แลนด์ก็ประกาศให้รางวัลกับผู้ที่แก้ปัญหานี้ได้ แต่ก็ไม่มีใครทำได้ ในขณะที่พระเจ้าหลุยส์ที่ 14 แห่งฝรั่งเศสได้ก่อตั้ง Academic Royale des Science ขึ้นมาในปี 1666 รวบรวมปัญญาชนชั้นนำของประเทศเพื่อร่วมกันศึกษาค้นคว้าในหลากหลายประเด็น โดยลองจิจูดก็เป็นหนึ่งในเรื่องที่มีการค้นคว้ากันอย่างจริงจัง

หลังจากความพยายามยาวนานหลายศตวรรษ แนวทางการวัดลองจิจูดที่น่าจะมีความหวังมากที่สุดก็คือการใช้เวลาเทียบกับความแตกต่างของเวลา โดยเวลาในทะเลนั้นอาจจะสังเกตจากดวงอาทิตย์หรือดวงดาว แล้วเทียบความแตกต่างของเวลา ณ จุดอ้างอิง แต่ปัญหาของวิธีนี้คือการสร้างนาฬิกาที่มีความเที่ยงตรง เนื่องจากในยุคนั้น นาฬิกาส่วนใหญ่ยังใช้ระบบลูกตุ้ม (Pendulum) ซึ่งจะมีปัญหาเมื่ออยู่บนเรือที่โคลงเคลงตลอดเวลา

เมื่อจักรวรรดิอังกฤษก้าวขึ้นมามีอิทธิพลสูงสุดในศตวรรษที่ 18 ปัญหาลองจิจูดก็ถูกหยิบยกขึ้นมาอีกครั้ง โดยรัฐบาลอังกฤษได้ประกาศ Longitude Act. 1714 เพื่อให้รางวัลกับผู้ที่วัดพิกัดลองจิจูดได้ถูกต้องเป็นเงิน 20,000 ปอนด์ (ประมาณ 4 ล้านปอนด์ในปัจจุบัน) ซึ่งเงินรางวัลดังกล่าวตกเป็นของช่างทำนาฬิกาชื่อจอห์น แฮร์ริสัน (John Harrison) ที่ใช้เวลาทั้งชีวิตในการพัฒนานาฬิกาที่มีความเที่ยงตรง

จอห์น แฮร์ริสัน (1693-1776) ผู้คิดค้น Chronometer
(ที่มาภาพ: http://journal.sciencemuseum.ac.uk/browse/issue-02/james-short-and-john-harrison/)

อันที่จริง ความพยายามครั้งแรกๆ ของแฮร์ริสันยังไม่ประสบความสำเร็จ แต่คณะกรรมการลองจิจูด (Board of Longitude) ซึ่งรับผิดชอบเรื่องการจ่ายเงินรางวัล ก็ยังให้รางวัลกับแฮร์ริสันเพื่อเป็นทุนในการพัฒนาต่อไป จนกระทั่งในปี 1767 คณะกรรมการฯ ก็ได้เผยแพร่บทความชื่อ ‘The Principles of Mr. Harrison’s Time Keeper’ ซึ่งอธิบายกลไกของนาฬิกาที่ได้รับการพัฒนาให้มีความเที่ยงตรงแม้อยู่ในทะเล ซึ่งต่อมานาฬิกาดังกล่าวถูกเรียกว่า Chronometer

ภาพวาด Chronometer ของจอห์น แฮร์ริสัน
(ที่มาภาพ: https://en.wikipedia.org/wiki/Marine_chronometer)

ด้วยเหตุที่คณะกรรมการลองจิจูดส่วนใหญ่เป็นนักดาราศาสตร์ซึ่งทำงานอยู่ในหอดูดาวที่กรีนิช (Greenwich) ชานกรุงลอนดอน เส้นอ้างอิงที่ 0 องศาจึงถูกกำหนดขึ้นที่นั่น โดยเรียกเส้นดังกล่าวว่า Greenwich Meridian ซึ่งจะวัดออกไปทางตะวันออกและตะวันตกจนไปบรรจบกันที่เส้น Antimeridian หรือเส้น 180 Meridian ที่ลากผ่านภาคตะวันออกของรัสเซียและนิวซีแลนด์ซึ่งอยู่ด้านตรงข้ามกับกรีนิชพอดี

ในศตวรรษที่ 19 ก่อนจะออกเดินทาง เรือเดินสมุทรจะต้องไปเทียบท่าที่กรีนิชเพื่อรอคอยสัญญาณการโยนลูกบอล ซึ่งจะทำทุกครั้งตอนบ่ายโมงตรง โดยบรรดากะลาสีจะตั้งเวลาของ Chronometer ประจำเรือให้ตรงกับกรีนิชก่อนจะออกเดินทาง การโยนลูกบอลแบบนี้ถูกยกเลิกในปี 1920 และเปลี่ยนเป็นการให้สัญญาณทางวิทยุ ซึ่งเป็นจุดเริ่มต้นของการให้สัญญาณบอกเวลาทางวิทยุซึ่งยังคงมีอยู่ทั่วโลกในปัจจุบัน

คณะกรรมการลองจิจูดส่วนใหญ่เป็นนักดาราศาสตร์ซึ่งทำงานอยู่ในหอดูดาวที่กรีนิช (Greenwich) ชานกรุงลอนดอน เส้นอ้างอิงที่ 0 องศาจึงถูกกำหนดขึ้นที่นั่น โดยเรียกเส้นดังกล่าวว่า Greenwich Meridian

ทั้งนี้ การกำหนดไทม์โซนในปัจจุบันยังคงอ้างอิงกับกรีนิช โดยเวลา ณ เมืองกรีนิชจะถูกเรียกว่า Greenwich Mean Time หรือ GMT ขณะที่แต่ละ Time Zone ก็จะระบุว่าแตกต่างจากเวลา GMT กี่ชั่วโมง กี่นาที ซึ่งเมืองที่ตั้งอยู่ทางตะวันออก (พิกัดลองจิจูดเป็นตะวันออก) ก็จะมีเวลาเร็วกว่ากรีนิช และเป็นไปในทางตรงกันข้ามหากเมืองมีพิกัดลองจิจูดเป็นตะวันตก เช่น ประเทศไทยที่มีพิกัดลองจิจูดประมาณ 100 องศาตะวันออก ก็จะใช้เวลา GMT+7 ซึ่งหมายถึงเวลาที่ประเทศไทยจะเร็วกว่าที่กรีนิชเจ็ดชั่วโมง

จอห์น แฮร์ริสัน ได้รับการยกย่องให้เป็นหนึ่งในนักประดิษฐ์ชาวอังกฤษผู้ยิ่งใหญ่ เขาเป็นช่างทำนาฬิกาที่ไม่ได้ผ่านการศึกษาในระดับสูง แต่เขาก็ทุ่มเทชีวิตทั้งชีวิตเพื่อหาวิธีแก้ปัญหาของมนุษยชาติ

ทุกวันนี้ คณะกรรมการรางวัลลองจิจูดได้ปรับเปลี่ยนเป็นองค์กรพัฒนาเอกชนชื่อ ‘องค์กรลองจิจูดไพรซ์’ (Longitude Prize Organization) และโจทย์ของปัญหาก็ปรับเปลี่ยนไปตามยุคสมัย ในปี 2014 องค์กรฯ ได้ประกาศโจทย์ใหม่ คือภาวะดื้อยาปฏิชีวนะ (Antibiotic Challenge) เพราะคาดว่าภาวะนี้จะรุนแรงขึ้นเรื่อยๆ และอาจจะเป็นสาเหตุให้มีคนเสียชีวิตอย่างน้อย 10 ล้านคนต่อปีเมื่อถึงปี 2050 โดยองค์กรฯ จะให้เงินรางวัลจำนวน 10 ล้านปอนด์กับผู้ที่คิดค้นวิธีการเอาชนะภาวะดื้อยาปฏิชีวนะได้