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《人类找北史》跨越时空的方位追寻与文明演进
铛铛铃2025-09-13【科普】2人已围观
简介
今天为你解读的书是《人类找北史》。
如果你要去一个陌生的地方，你会如何规划自己的行程路线呢？没错，打开手机中的地图软件，搜索目的地，就会出现最方便快捷的路线规划。那在网络和手机普及之前呢？啊，那时候家里边得时常备着一本城市交通图，然后拿着放大镜，仔细地去研究一番，看一看这目的地附近有没有什么公交车可以坐。尽管如此，有的时候还是免不了走冤枉路。
不过你知道吗，现代地图的出现，已经是人类在寻找方向上非常重要的成就了。《人类找北史》这本书就讲述了从古至今，人类在寻找方向上做出的努力。这本书的副标题是“从罗盘到 GPS 导航定位的过去与未来”。这本书的作者是海华沙·布雷，一位资深的科技记者，他被《电脑营销杂志》评选为美国十大最具影响力的科技记者之一。
接下来呢，我将以时间为序，分四个问题来解读这本书。第一，在20世纪之前，人类怎么找北的；第二，人们怎么借助无线电实现导航定位；第三， GPS 全球定位系统是如何发展起来的；第四，如今电子地图如何影响我们的生活。
首先，让我们进入第一部分，说一说在公元20世纪之前，人类是怎么找北的。日月星辰是古人们寻找方向的重要依据。早在公元前3000年，古埃及学者就开始利用星体进行精确导航了。他们通过肉眼观察夜空，逐步地完善了36星座星图，记录下了它们的运行规律。随后，天文学家又发现了大熊星座和小熊星座，它们不会消失在地平线外。其中小熊星座当中的地星，也就是北极星，为古人指出了正北方向。水手们利用北极星和基础的三角函数原理，找到了测量自己与赤道之间大致距离的方法，这个距离也就是纬度。其中一个最有意思的做法是，在自己的牙齿上绑一根线，将线的另一头指向北极星，这根线与地面所形成的角度，就是所在地的纬度了。
当然，你只有纬度这个指标，还没办法完成精确的导航。公元前二世纪，古希腊数学家希帕克斯提出了地图需要由东西彼此平行的纬线，以及南北向穿越，而又在南北极汇聚的经线共同构成。在大约300年后，基于这一构想，古罗马天文学家托勒密完成了八卷本的巨著《地理学指南》，其中就包括了对后世影响深远的一系列世界地图和局部地图，也就是所谓的托勒密地图。为了能够绘制这些地图，托勒密向水手、旅行者搜集了8000多个地方的经纬度坐标。尽管它们并非完美，甚至还有不少错误，但是托勒密地图开启了科学绘制地图的先河。
说完了地图，我们再来说一说另一项非常重要的导航工具——罗盘。最早有确切记载的罗盘出现在公元1044年，北宋文献《武经总要》中提到了“水浮指南”，将和纸一样薄的鱼形磁铁片漂浮在水面上，鱼头指向南，鱼尾指向北。到了12世纪，罗盘已经被运用到当时的航海导航之中。罗盘的发明让水手们不再只依靠天体和地标确定方向，极大地降低了远航的风险。
当地理理论与导航技术逐渐成熟的时候，制图师们就开始大显身手了。17世纪末，意大利地理学家卡西尼和他的子孙们在法国国王路易14的支持下，用一个多世纪完成了对整个国家的精确测绘。从18世纪开始，人们开始科学地推进全球地图的绘制，例如航海家库克船长测绘了新西兰以及澳大利亚的东海岸。渐渐的，人类描绘出了这个世界的真正样貌。
经历了找北技术从无到有的几千年之后，人类的导航与定位技术在20世纪迅速发展起来。其中最为重要的发明要数无线电了。第二部分呢，我们就来说一说无线电技术是怎么样发展起来的，它又是如何服务于导航等领域的。
19世纪末，意大利发明家马可尼发明了无线电。经过不断的尝试和改进，1895年，他已经能够将电报发送到几公里之外。研究人员很快意识到，无线电也可以被用作优秀的导航工具，因为定点发射的无线电会沿着直线传播，如果能够找准信号源的方向，就能够跟着它回家了。1902年，美国工程师与发明家约翰·斯通获得了无线电定向装置的专利。1914年，第一次世界大战爆发，这是第一次飞机占据主导地位的战争。然而，要让飞机准确找到任务目标，并且成功返航，可不是一件容易的事情，尤其是在夜间或者是天气情况恶劣的环境之下。这个时候无线电导航技术就可以大显身手了。
最初的做法呢，是把无线发射器带上飞机，地面人员接收飞行员发送的信号，计算位置之后再发回给飞行员。当时的无线电设备非常笨重，对飞机来说是巨大的负担，而且一来一往，会导致定位的时效性以及准确度大打折扣。后来，德国人发明了新的陆基无线电发送方式，“陆地”的“路”，“基础”的“基”。具体的操作方法呢，是在地面设置无线电站，飞机上的导航员有一块特制的表，用来接收地面发送的无线电信号。当它接收到两个不同无线电站的信号，测定两个方向的交汇点，就可以判断飞机的位置。这种做法提高了定位的准确度，而且是被动接受信号，因此不容易暴露自己的位置。
一战结束之后，各地航空业也开始迅速发展。受到陆基无线电技术的启发，美国商务部在1920年开发了四航路无线电导航台，让两个无线电站同步发送不同的信号，而且彼此交错。如果飞行员听到两个强度一样的信号，就表示它飞在两个无线电站的中线上；如果强度不一致，说明偏离了航线，需要调整方向；如果信号强度同时增强，就意味着飞机正在往接近信号台的方向飞，相反，就是远离。
飞机的导航系统搞定了，远航的船只靠什么导航呢？1958年8月3日，美国海军鹦鹉螺号核潜艇成功抵达北极，成为有史以来第一艘到达那儿的船只。要知道，在水下没有日月星辰指引方向，也收不到无线电信号，而在接近极地区域时，罗盘同样也是靠不住的。那么他们究竟是怎么样做到的呢？答案是轮子。牛顿的惯性定律告诉我们，在没有外力的作用下，物体的运动状态会保持不变。法国物理学家傅科根据这个原理创造了一个装置，名字叫做陀螺仪。如果没有外力作用，无论在世界的哪一个角落，陀螺仪中的旋转轴都会指向同一个方向。于是陀螺仪逐渐成为辅助导航的利器。随后加速器也加入到了辅助导航的队伍当中来，同样是根据牛顿运动定律，加速器检测到的加速度或减速度，再根据相应的时间进行计算，配合陀螺仪的指向，就可以知道自己相对于出发点的位置，这个系统被称为惯性导航。
借助惯性导航系统，无论是导弹还是飞机，都能够在不借助其他外部信号的情况下完成自主飞行。尽管无法做到完全精确，但是已经极大地提高了导航的精度了。然而呢，在1983年9月1日，一架大韩航空的波音747客机误入苏联领空，苏联方面误认为是侦察机，在警告无效之后决定将其击落，造成了全机269人全部罹难。事后调查发现，该航班偏离预定航线600多公里，最终事故报告指出，是因为机长未开启惯性导航系统，而是错误地使用磁航向作为导航依据，造成了悲剧的发生。
你或许会问，偏航600 km，他们真的就没有发现吗？如此先进的民航客机，难道连 GPS 这样的定位系统都没有吗？哎，对不起，这个真的没有。对于今天的我们而言，大到私家车，小到手上的手机，甚至手表，这些装置都能够配备 GPS 功能。不过， GPS 的出现和发展并不那么顺利。第三部分我们就来说一说 GPS，这三个简单字母的背后，可有着不简单的故事啊。
GPS 是全球定位系统的简称，确切来说，指的就是美国国防部开发和维护的卫星导航系统。1950年代，当苏联人将伴侣号人造卫星送上太空时，美国人只有在地面上收听无线电信号的份儿。两位美国物理学家发现，他们可以通过测量伴侣号卫星经过时出现的多普勒频移，来精确的计算卫星的轨道。这么说可能有点抽象啊，举一个生活当中的常见例子吧，如果说一辆汽车按着喇叭从远处快速朝你开过来，你听到的喇叭声音调是不是会随着这个距离的不同而变化呢？嗯，没错，这个就是多普勒频移。
既然能够通过地面上收到的卫星信号来推算卫星的位置，这反向运算也是可行的呀。当飞在太空中的某颗卫星在某个时间点将自己的位置和准确的时间信息通过无线电信号发射出去，地面上的接收装置在收到信号时，就能够根据发送和接收的时间差，计算出自身与这颗卫星之间的距离，从而将自己定位到地表上的一个圆环。理论上来说，如果能够同时连上两颗卫星，自己位置的范围就会缩小到只剩地表上两个点，也就是两个圆环的交叉点。如果能够连上三颗或者三颗以上的卫星，就能够准确知道自己的位置了。这就是卫星定位系统的基本原理。
在美国国防部的支持下，1959年， GPS 的前身子午卫星计划开始实施。不过初期阶段并不顺利，直到1964年，才有了第一颗全面投入实际工作的子午卫星，而且当时的服务对象仅限于美国海军。到了1968年，已经有四颗卫星在轨运行，美国政府也批准它开放给商用。然而，卫星数量实在太少，在搜到卫星信号前，一艘需要定位的船只也许已经在海上干等了好几个小时了。而且子午卫星系统只能够计算出经纬度，无法计算出海拔。这可能听起来没什么大不了的吧，不过呢，美国军方可是期盼着这套系统能够引导他们的洲际弹道导弹精确打击敌方目标呢。
要解决这个问题，除了提升卫星的数量之外，另一项关键的技术就是原子钟。如同刚才所介绍的，卫星定位系统的关键就在于精确计算发出信号与接收信号之间的时间差，并且根据爱因斯坦的相对论，时间是具有相对性的，对于环绕地球飞行的卫星来说，它的时间会比在地面上的时间慢一些，差不多是每天要慢上个38微秒。相对于传统的计时器和石英钟来说，根本不可能捕捉到这一极小的差别，得到的定位数据自然是存在不小的误差。而原子钟能够将一秒钟的时间精确到10亿个计时单位，远远地胜过它的前辈们。因此呢，如果能够将原子钟微缩安装在卫星上，送上太空，就能够极大的提升定位的准确度。
在20世纪七八十年代，多颗安装了高精度原子钟的卫星被送入太空，印证了这种技术的可行性。到了1989年，卫星定位的误差已经能够被控制在20米之内了。在其间的1973年，美国国防部把子午卫星计划与另一套美国海军主导开发的时间导航卫星计划正式合并，形成了沿用至今的 GPS 系统。不过，为了战略安全的需要，当时美国提供的民用版 GPS 会限制定位的精度，所以呢，根本无法通过 GPS 实现汽车导航。因此呢，一些希望借此技术获利的企业开始转向其他定位系统，比如俄罗斯的格洛纳斯系统、欧盟的伽利略系统，而且呢，它们是免费的。
面对竞争，以及美国国内对 GPS 需要收费使用的批评，美国政府最终在2000年宣布不再对民用 GPS 收费。到了2007年，又进一步承诺永久不再对居民用户区别对待。如今因为手机和互联网的普及，GPS 之类的定位系统已经参与到我们的日常生活当中。在2011年，全世界共销售了16亿部手机，其中近40%具有 GPS 功能，在美国这个比例超过了90%，并且为了能够更稳定地获得位置信息，不少手机可以同时接收不同国家不同定位系统的信号。
GPS 系统能够提供给我们的只是一些单调的数字，经纬度、海拔、移动速度、方向，要让这些数字发挥功能，就需要另外一样非常重要的东西——电子地图。第四部分我们就来说一说在互联网时代，电子地图、手机、 WIFI 这些技术是如何改变我们的出行习惯，它们带来便利的同时存在着哪些风险。
说到电子地图，就不得不提到谷歌公司。2003年，谷歌的竞争对手之一苹果公司开始提供自己的导航服务。面对竞争压力，谷歌决定创建自己的地图系统。为了完成全球测绘工作呢，谷歌公司投入了数百万美元，并且收购了一家卫星摄影公司，拍摄全球的细节照片，用来创建地图。2005年2月，谷歌地图正式上线，用户可以通过缩放、移动自由浏览地球表面的任意位置。随后，谷歌又投入了一大笔资金用于及时更新地理资源，其中就包括了组建一支装有 GPS 设备、相机以及激光测距仪的车队，他们开着车走遍美国和其他不少国家的大街小巷，生成丰富的3 D 图像，这就是如今我们所熟知的街景地图。
尽管街景地图带给我们身临其境的使用体验，不过呢，因为是实景拍摄，也会带来不少侵犯隐私的批评。街景车除了拍下街道和风景，也拍下了一些人的日常活动、车辆以及车牌号码等等。从美国、欧洲到亚洲，凡是谷歌街景服务所到之处，诉讼也紧随其后。谷歌呢，因此事做出了不少让步，包括删除部分敏感的照片，并且开发出一种技术，将拍摄到的人脸转变为马赛克。
然而，谷歌街景车收集到的数据绝对不止那些照片，还包括所到之处的 WIFI 位置信息。谷歌这么做的目的是什么呢？如果谷歌将 WIFI 信息加入到地图软件的数据库当中，那么在 GPS 信号不佳的情况下，就能够根据使用者手机搜索到的附近 WIFI 的名称、信号强弱程度等等，大致确定该使用者的位置。换句话说，它使得定位不再单纯依靠 GPS ，而多了一项参考依据。乍一听，这种做法无可厚非，毕竟今天当你掏出手机，打开 WIFI 连接菜单，也能够搜寻到周围的 WIFI 信号以及它们的名称。然而，谷歌街景小车除了收集上述这些公开的信息之外，还拦截和记录了 WIFI 用户们传输的数据，包括网站浏览记录、电子邮件，甚至是网银信息，这些数据都被谷歌捕获并且储存在他们的数据库当中。短短4年，这些数据的总量超过了600 G ，相当于用苹果手机拍摄大约30万张照片的数据量。谷歌因此遭遇了全球声讨，有十几个国家对他进行了调查，包括美国、韩国、澳大利亚等国家的政府认定谷歌侵犯了隐私，并且处以相应的惩罚。到了2010年5月，谷歌宣称他们的街景车将不再捕捉 WIFI 数据。
其实不仅地图测绘过程当中会侵犯到个人隐私，在用户使用地图的时候，也会在无形当中默默地把自己给出卖了。当我们外出旅游或者是去餐厅用餐时，常常都会掏出手机拍照、签到，然后呢，发一条微博、朋友圈。那你知道签到的历史来源于何处吗？这要追溯到一款名为 four square 的手机应用软件，它除了能够自动给用户定位，还在它的数据库中存储了成千上万的地点信息，主要是餐厅、酒吧这些休闲娱乐场所。为了能够让这个软件变得更有趣，开发者想到了签到这个点子，在某家餐厅签到次数最多的用户就会成为这家餐厅的市长，同时呢，获得一个有趣的卡通徽章，他还拥有向其他用户点评、推荐这家餐厅的权利。随着时间的推移，当用户签到的地方变得越来越多，four square 发现，他们不仅能够了解用户在真实世界当中的动向，还能够追踪他们的经济活动，由此不难判定他们的消费能力。例如，一个经常在美术馆、高档餐厅签到的人，购买高端品牌服装的可能性就会远高于其他用户。判断用户的消费能力，意味着能够更有针对性的投放广告。据统计，在美国和英国，收到定位广告的用户有一半儿前往了广告上的那家商店，并且22%的人最后花钱消费了。更为惊人的是，在这部分成功交易的客人当中，50%的人原本根本没有打算前往这家商店消费。
定位是一把双刃剑，当你知道自己在哪里的时候，别人也就知道你在哪里。刚刚说的呢，都是政府或者是 google 之类的公司在进行地图测绘，其实除此之外呢，我们每一个普通人也可以创建属于自己的地图。借助于 gi is 系统，也就是地理信息系统，创建主题地图变得更有效率，也能够解决更多的问题。简单来说一说吧，就是利用一般的电子地图来作为基础，然后呢，将自己需要研究的数据添加到上面，于是就形成了一份主题地图。例如，如果将一个区域的人口情况，包括住址、年龄、族裔、是否拥有车辆、收入情况等等添加到这个区域的地图上，就能够为城市规划者提供更多参考依据，要不要拓宽道路啊，是否有必要增设养老机构，公交车的路线要如何设置等等。
在一些突发情况下，我们普通人也能够摇身一变，成为地图的测绘者，这一点在发生重大自然灾害，如地震、海啸时，作用尤为明显。当自然灾害发生的时候，我们熟悉的环境可能会在一瞬间发生天翻地覆的变化，原本的地图就变得不那么准确了。然而，拯救生命刻不容缓，怎么样才能够尽快的了解灾区情况，开始救援工作呢？在2010年的海地地震当中，一款名为 USHAHAI 的电子地图发挥了巨大的作用，志愿者和当地的幸存者将灾难后的道路、建筑等情况添加到原本的地图上，快速编撰出了新的灾区地图。与此同时，也将接收到的各类信息，如物资需求、医疗救助请求等等的信息填到灾区的地图上。正是依靠这个地图的帮助，来自各方的救难机构、志愿者等开展了大量有针对性的救助，就连参与救灾的美国海军陆战队也承认，ushahai 地图提供的数据是最有效的。
有时候我们也会在不知不觉当中成为一名测绘师，最好的例子呢，就是手机导航软件里的实时路况，绿色代表畅通，黄色代表车流量较大，红色呢，就意味着拥堵。你以为这是软件厂商与当地交通部门合作获得的数据吗？那其实不然，这些路况信息的来源正是拥有手机的我们。当我们使用地图软件的时候，手机也不断地将我们的位置以及速度发送出去，积少成多，聚沙成塔，收集成千上万位用户的实时数据，各家地图公司就能够不断的生成高精度的交通路况图，再反馈给用户，用于路径规划以及导航。
从夜观星象到街景地图，从罗盘到卫星定位系统，人类在探索世界的征途当中不断迈进。今天，定位与导航技术仍然有非常大的发展空间，与此同时，保护个人隐私、确保技术不被滥用也是相当重要的议题。期待在未来，这些技术能够让生活变得更美好。
好，《人类找北》这本书就为你解读到这儿，听书笔记在音频下方，我们明天见。
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