L’histoire ancienne du problème de longitude est abordée dans notre article Longitude et Académie Royale. Le présent article traite de l’attaque sur le problème de longitude en Angleterre qui a commencé vers le milieu du 17ème siècle.
Des groupes de scientifiques commencèrent à se réunir à Londres et à Oxford à partir de 1645 et certainement le problème de la longitude était l’un des principaux problèmes dont ils discutèrent. Un poème écrit en 1661 décrit le travail en cours au Gresham College (voir):-

Le Colledge mesurera le monde entier,
Ce que les plus impossibles concluent,
Et Les Navigateurs font un plaisir
En découvrant la longitude.
Chaque bâche doit alors facilement
indiquer tous les navires aux Antipodes.

En 1662, le groupe du Gresham College, qui comprenait John Wilkins, John Wallis et Robert Hooke, et d’autres groupes de scientifiques, devint la Société Royale de Londres pour la Promotion de la Connaissance Naturelle. La Royal Society a reçu sa charte de Charles II et un autre membre du Gresham College group, Christopher Wren, a écrit le préambule de la charte de la Royal Society. L’un des objectifs déclarés de la Société royale nouvellement fondée était de Trouver la longitude.
Jonas Moore, un professeur de mathématiques et un géomètre qui était très favorable à Charles II, est devenu un mécène de John Flamsteed en 1670 après avoir rencontré Flamsteed lors d’une visite de Flamsteed à la Royal Society à Londres. Jonas Moore a pu fournir à Flamsteed des instruments pour effectuer des observations astronomiques. Trois ans plus tard, Moore, avec le célèbre écrivain de journaux Samuel Pepys, fonda la Royal Mathematical School au sein de Christ’s Hospital. Cette école a été créée dans le but spécifique de former des garçons aux techniques de navigation afin qu’ils puissent servir le Roi en mer.
Des propositions étaient faites pour résoudre le problème de la longitude et en 1673 une basée sur la déclinaison magnétique fut proposée par un certain Henry Bond, voir. Charles II mit en place un comité pour examiner la proposition, le comité comprenait parmi ses membres Brouncker, le président de la Royal Society, John Pell et Robert Hooke.
Hooke s’intéressait depuis longtemps aux horloges et à la question de savoir si elles pouvaient être utilisées pour résoudre le problème de longitude. Après avoir étudié les difficultés, il a conclu qu’il était pratiquement impossible d’obtenir une horloge pour garder l’heure suffisamment précise en mer pour résoudre le problème de longitude: –

Des difficultés ont été proposées à partir de l’altération des climats, des airs, des chaleurs et des rhumes, de la température des ressorts, de la nature des vibrations, de l’usure des matériaux, du mouvement du navire…

Néanmoins, Hooke avait donné des conférences en 1664 sur 20 façons différentes d’utiliser un ressort pour uniformiser le balancier d’une horloge et dit qu’il avait quelques astuces dans sa manche qui pourraient lui permettre de produire une horloge suffisamment précise. Hooke, par conséquent, comme presque tous les scientifiques de l’époque, était un juge biaisé des solutions de longitude puisqu’il espérait résoudre le problème lui-même.
Jonas Moore, bien qu’désireux de voir une solution au problème de la longitude, semble avoir vu son rôle comme permettant à d’autres de le résoudre plutôt qu’à lui-même. Il persuada Charles II d’accorder un mandat pour que Cambridge puisse décerner une maîtrise à Flamsteed en 1674. La même année, la Royal Society commença à planifier la création d’un observatoire que Moore proposa de financer, mais une autre proposition vint d’un Français Le Sieur de St Pierre prétendant avoir résolu le problème de longitude en utilisant des données astronomiques. Charles II met en place une Commission royale pour examiner ces nouvelles propositions de St Pierre composée de Brouncker, Pell, Hooke avec Wren et trois autres.
En février 1675, Flamsteed arriva à Londres pour rester avec Moore et Moore s’arrangea pour que Flamsteed soit nommé assistant de la Commission royale qui venait d’être créée pour examiner les propositions de longitude de St Pierre. Flamsteed fit rapidement des observations qui indiquaient que la méthode de St Pierre pour prédire la position de la lune, la méthode de distance lunaire pour résoudre le problème de longitude, était de peu d’utilité. Bien sûr, si la position exacte de la lune pouvait être prédite, le problème de longitude était résolu et les Anglais ont commencé à traiter cela comme leur principale attaque contre le problème de longitude contrairement aux Français qui travaillaient en grande partie sur la méthode des lunes de Jupiter.
Moore s’arrangea également pour que Flamsteed rende visite au roi et lui parle du travail de Jean Picard à l’Observatoire de Paris et de l’attaque française sur le problème de la longitude. Flamsteed, jouant la carte de la « fierté nationale », a souligné au Roi comment les Français avaient un Observatoire royal pour ce travail et le Roi a rapidement agi pour que l’Angleterre puisse égaler la France. Le 4 mars 1675, il nomma Flamsteed son observateur astronomique par mandat royal. À partir de son salaire de 100 £, il devait payer 10 £ d’impôts et fournir également tous ses propres instruments afin qu’il puisse: –

… s’applique avec le soin et la diligence les plus exacts à rectifier les tables des mouvements des cieux et les lieux des étoiles fixes, afin de trouver la longitude tant désirée des lieux pour perfectionner l’art de la navigation.

Flamsteed a été informé de sa nomination par Moore, mais était loin d’être enthousiasmé par le salaire proposé, en particulier lorsqu’il a appris qu’il devait donner des leçons à deux garçons à la Royal Mathematical School de Christ’s Hospital dans le cadre de ses fonctions. Dans les deux jours suivant la nomination de Flamsteed, Greenwich avait été accepté comme site pour le nouvel observatoire, le site ayant été choisi par Wren. Le bâtiment de l’Observatoire royal de Greenwich a commencé en 1675, conçu par Wren et dirigé par Hooke. Flamsteed et Halley conseillèrent sur les exigences des instruments et les observations commencèrent en 1676.
L’un des premiers projets de Flamsteed à l’Observatoire Royal a été de tenter de prouver que la Terre tournait sur son axe à une vitesse constante. Cela avait été supposé par Copernic lorsqu’il a présenté pour la première fois sa théorie du système solaire, mais cela n’avait jamais été prouvé. C’était également un ingrédient essentiel dans toutes les méthodes proposées pour déterminer la longitude, ce qui faisait l’hypothèse que la Terre tourne d’une quantité fixe à chaque minute.
Moore a acheté deux horloges pour Flamsteed avec des pendules de 4 m de long qui étaient suspendues au-dessus des cadrans des horloges. Le Soleil ne pouvait pas être utilisé comme chronométreur car le fait que l’orbite de la Terre ne soit pas circulaire signifie que l’heure du cadran solaire serait en avance sur l’heure exacte de l’horloge pendant une partie de l’année et derrière elle à d’autres moments. Cette variation entre l’heure de l’horloge et l’heure du cadran solaire est connue sous le nom d’Équation du Temps ou Équation des Jours naturels et était connue des Grecs et des Arabes plusieurs siècles plus tôt (bien que la raison de la variation n’ait pas été comprise à l’époque).
Vous pouvez voir une photo de l’observatoire sur CE LIEN. Il y a les deux cadrans à gauche avec les bobs pendulaires visibles au-dessus des cadrans.
Flamsteed a utilisé l’étoile Sirius comme chronométreur corrigeant le temps sidéral obtenu à partir des transits successifs de l’étoile en temps solaire, la différence étant bien sûr due à la rotation de la Terre autour du Soleil. Flamsteed a écrit dans une lettre en 1677 : –

… nos horloges gardaient une si bonne correspondance avec les Cieux que je n’en doute pas, mais elles prouveraient que les révolutions de la Terre étaient isochrones…

Il a eu besoin d’un an pour terminer l’expérience mais cela ne serait possible que si l’Ordnance qui a payé son salaire: –

… ne m’affame pas, car mon allocation, vous savez, n’est que petite et maintenant ils sont aux trois quarts de ma dette. Je crains de devoir descendre dans le pays pour chercher un pauvre presbytère, puis adieu à une expérience.

Cependant Flamsteed n’est pas mort de faim et en mars 1678, il avait prouvé la rotation isochrone de la Terre. Une partie du problème de longitude a ainsi été résolue bien que personne ne doutait vraiment que la Terre tournait à un rythme constant. (Bien sûr, nous savons maintenant qu’avec des mesures plus précises, nous pouvons détecter que le taux de rotation de la Terre change et que des secondes bissextiles sont ajoutées à diverses occasions pour corriger cela.)
L’Observatoire royal de Greenwich a dû fournir de grandes quantités de données et Flamsteed a passé 15 ans de 1689 à 1704 à compiler des tableaux de la lune pour la méthode de la distance lunaire pour trouver la longitude. Newton avait également besoin de données sur la lune pour pouvoir parfaire sa compréhension de l’orbite en termes de sa nouvelle théorie de la gravitation.
Entre 1690 et 1707, il y a eu un certain nombre d’incidents dans lesquels des navires de la marine anglaise ont été perdus en mer parce qu’ils avaient perdu leurs positions. Lors de l’incident le plus grave de 1707, plus de 2000 hommes furent perdus lorsque quatre navires s’échouèrent sur les îles Scilly alors qu’ils retournaient en Angleterre. De plus en plus de pressions s’intensifiaient pour trouver une solution au problème de la longitude, car l’échec continu à le résoudre coûtait d’énormes sommes d’argent à l’Angleterre. Tout le monde croyait que les mathématiciens et les astronomes fourniraient la solution mais ce n’est pas le cas. Cependant, des propositions sérieuses et ingénieuses ainsi que des propositions comiques ont continué à se présenter.
Une proposition comique, basée sur la compréhension correcte qu’une connaissance du temps universel permettrait de calculer la longitude, est décrite dans: –

impliquait l’utilisation de… la « poudre de sympathie ». … la poudre de sympathie a été appliquée, non pas sur la blessure mais sur l’arme qui l’a infligée. … avant de naviguer, chaque navire doit être équipé d’un chien blessé. Un observateur fiable à terre, équipé d’une horloge standard et d’un bandage de la plaie du chien le ferait… toutes les heures, sur le point, plongez le bandage dans une solution de poudre de sympathie et le chien à bord hurlerait l’heure.

Une proposition plus sérieuse est venue de William Whiston et Humphrey Ditton en 1714. Ils ont proposé, voir: –

… un certain nombre de navires-phares doivent être ancrés dans les principales voies de navigation à intervalles réguliers… Les navires-phares tireraient à intervalles réguliers un obus stellaire programmé pour exploser à 6440 pieds. Les capitaines de mer pouvaient facilement calculer leur distance par rapport au navire-phare le plus proche simplement en chronométrant l’intervalle entre le flash et le rapport.

Le Parlement a mis en place un comité dont les membres comprenaient Newton et Halley pour examiner les propositions de Whiston-Ditton et faire rapport en général sur le problème de longitude. Newton rapporta au Comité que la plupart des propositions de longitude étaient correctes en théorie mais tombaient en pratique. Newton n’était pas favorable à la méthode française d’utilisation des lunes de Jupiter et nota que la méthode de Whiston-Ditton ne permettait pas de trouver la longitude en mer si jamais elle était perdue. Newton a considéré la méthode de l’horloge qui devait finalement réussir: –

On est, par une montre pour garder l’heure exactement: mais en raison du mouvement du navire, de la variation de chaleur et de froid, humide et sec, et de la différence de gravité à différentes latitudes, une telle montre n’avait pas encore été faite.

Le Parlement pensait que le moment était venu de faire un geste radical et, le 16 juin 1714, il adopta une loi : –

… pour fournir une récompense publique à la ou aux personnes qui découvriront la longitude… à une somme de dix mille livres, s’il détermine ladite longitude à un degré d’un grand cercle, ou soixante milles géographiques, à quinze mille livres, s’il détermine la même à deux tiers de la distance, et à vingt mille livres, s’il détermine la même à la moitié de la même distance…

Pour comprendre la valeur de ce prix, il suffit de se souvenir du salaire annuel de 100 £ du pauvre Flamsteed pour gagner sa vie et acheter ses instruments. Des commissaires ont été nommés, connus sous le nom de Board of Longitude, pour juger si les propositions répondaient aux conditions et pour accorder des avances de fonds pour les propositions prometteuses. Les commissaires comprenaient des membres de l’Amirauté, l’Astronome Royal, les professeurs de mathématiques Savilien, Lucasien et Plumien d’Oxford et de Cambridge et dix membres du Parlement.
Bien sûr, il y a eu un flot de propositions pleines d’espoir soumises, dont une de Wren. La Commission a employé un secrétaire pour traiter le grand nombre de suggestions impossibles et s’est réunie trois fois par an pour examiner celles qui, selon le secrétaire, mériteraient que la Commission étudie plus avant. De nombreuses petites récompenses ont été décernées, mais aucune proposition de mérite réel n’a été présentée.

Avant de décrire la contribution de John Harrison au problème de la longitude, et sa résolution finale du problème, il y a un autre ingrédient important qui devrait être mentionné. John Hadley, qui était vice-président de la Royal Society, décrivit dans une communication à la Société en mai 1731, deux nouveaux instruments qui reposaient sur le principe de la double réflexion. Ces instruments sont autorisés, voir : –

… les deux corps (pour les distances lunaires) ou le corps et l’horizon (pour les altitudes) doivent être vus simultanément par l’observateur, ce qui rend les observations dans un navire en mouvement réalisables.

En fait, Thomas Godfrey en Pennsylvanie avait fait la même invention presque exactement au même moment que Hadley, et il a été découvert plus tard dans les papiers de Halley que Newton avait une idée similaire en 1700 mais Halley lui avait dit que ce n’était pas pratique.
John Harrison construit sa première horloge en 1715, l’année suivant l’adoption de la Loi sur la Longitude. En 1727, il avait fabriqué une horloge très fine avec un pendule en « grille » composé de neuf tiges alternées en acier et en laiton pour éliminer les effets des changements de température. En 1730, Harrison visita Londres, emportant avec lui son pendule à grille et l’échappement à sauterelle qu’il avait mis au point, et il y apprit exactement ce qu’il fallait pour gagner le prix de la longitude. Il a parlé avec Halley, l’astronome Royal, qui lui a conseillé de ne pas chercher de financement auprès du Conseil de Longitude, mais plutôt de chercher d’abord de l’argent auprès d’autres sources.
C’est ce qu’a fait Harrison et on lui a donné de l’argent pour lui permettre de fabriquer sa première horloge, spécialement conçue pour garder l’heure exacte en mer. Halley lui conseilla de s’approcher du tableau après la construction de son horloge. Harrison a terminé l’horloge, maintenant appelée H1, en 1735. C’était une grande horloge pesant environ 35 kg, loin d’être belle mais avec de nombreuses fonctionnalités ingénieuses. Il l’emmena à Londres où il fut examiné par cinq membres de la Royal Society, dont Halley, et ils furent enthousiasmés par l’horloge et donnèrent à Harrison un certificat qui signifiait essentiellement que le Board of Longitude n’avait guère d’autre choix que d’ordonner un essai en mer.
Une photo de H1 se trouve sur CE LIEN.
Harrison accompagna le H1 à bord du H M S Centurian à Lisbonne et revint sur le H M S Oxford. C’était un choix étrange d’itinéraire, car il était en grande partie nord / sud, mais le H1 s’est bien comporté et Harrison a pu dire au capitaine lors du voyage de retour que le navire se trouvait 150 km plus à l’ouest que le capitaine croyait.

Cependant Harrison n’était pas satisfait de H1 et il s’approcha du Conseil de Longitude en 1737. Le procès-verbal du Conseil d’administration indique : –

M. John Harrison a produit une nouvelle machine inventée, par nature mécanique, par laquelle il se propose de garder le temps en mer avec plus de précision que tout autre instrument de méthode connu jusqu’à présent… et propose de fabriquer une autre machine de plus petites dimensions dans les deux ans, par laquelle il s’efforcera de corriger certains défauts qu’il a trouvés dans celle préparée…

H2 a été construit avec £ 250 du Conseil de Longitude (avec la promesse d’un autre £ 250 lors de sa livraison pour les tests), mais malgré l’intention, il s’est avéré être plus lourd que H1. Il avait cependant un certain nombre d’autres fonctionnalités innovantes. Harrison termina le H2 en 1739, comme promis, mais passa deux ans à le tester lui-même. Les essais en mer étaient difficiles car l’Angleterre était en guerre avec la France: la guerre de Sept Ans a certainement perturbé l’avancée scientifique.
Harrison décida de construire une troisième horloge, H3, et écrivit au Board of Longitude en 1741. Il a reçu un autre £ 500. De toute évidence, la Royal Society fut impressionnée par le travail de Harrison puisqu’elle lui décerna sa médaille Copley en 1749, un événement remarquable compte tenu du fait que Harrison n’avait ni formation académique ni formation. La Royal Society proclama que Harrison était : –

… l’auteur de la découverte scientifique la plus importante ou de la contribution à la science par expérience ou autrement…

Les travaux sur H3 ne se sont pas déroulés aussi bien que Harrison l’avait espéré et il a reçu un certain nombre d’avancées supplémentaires du Board of Longitude avant de finalement décider en 1757 de ne pas tester H3 mais de construire une horloge beaucoup plus petite.
H4 a été commencé en 1757 et achevé en deux ans.
Une photo de H4 se trouve sur CE LIEN.
Il mesurait environ 12 cm de diamètre et Harrison lui-même avait parfaitement raison lorsqu’il a dit:-

Je pense que je peux faire preuve d’audace pour dire qu’il y a toute autre chose mécanique ou mathématique dans le Monde qui est plus belle ou curieuse de texture que ma montre ou le chronométreur pour la longitude…

En 1761, Harrison demanda un essai en mer pour H4. Depuis 1741, il avait reçu £ 3000 du Board of Longitude pour l’aider à terminer son travail et ils lui ont maintenant donné un autre £ 500 pour compléter l’ajustement H4.
Bien que jusqu’à ce stade Harrison ait été assez bien traité par le Board of Longitude, il devait maintenant trouver presque impossible de les convaincre que H4 remplissait les conditions pour l’attribution du prix de £ 20000. Un procès a été organisé et H4 a été mis sur le Deptford avec le fils de John Harrison, William Harrison, qui s’en occupait. Les conditions du prix ont été complètement remplies lorsque le Deptford a atteint la Jamaïque, H4 n’ayant perdu que 5 secondes sur tout le voyage. Au retour, qui ne faisait pas partie du procès, H4 avec William Harrison étaient sur le sloop Merlin. Le temps était extrêmement mauvais et le Merlin a été secoué tout au long du voyage, mais le H4 a tout de même été exécuté dans les conditions fixées pour le prix de 20000 £.

La Royal Society et le Board of Longitude ne voulaient pas donner à Harrison les £ 20000 qu’il méritait pour avoir rempli les conditions. Il y avait un certain nombre de raisons à cela. En premier lieu, les conditions avaient été posées alors qu’il y avait peu de chances qu’elles soient remplies, de sorte qu’elles n’avaient pas été soigneusement réfléchies. Maintenant, il a été avancé que cela aurait pu être le hasard, ce qui signifiait que H4 remplissait les conditions. Peut-être plus important encore, de nombreux membres de la Royal Society espéraient encore gagner le prix eux-mêmes.
James Bradley, qui avait succédé à Halley comme astronome royal en 1742, et Tobias Mayer étaient convaincus que la méthode de la distance lunaire conduirait à la solution du problème de la longitude. Mayer avait envoyé ses tables lunaires au Conseil de Longitude en 1756, mais la guerre de Sept Ans avec la France avait empêché les procès appropriés. En 1761, Maskelyne, un autre fervent partisan de la méthode de la distance lunaire, fut envoyé à Sainte-Hélène sur le prince Henri pour tester la méthode de la distance lunaire pour le Conseil de Longitude et en particulier pour tester les tables de Mayer. Dans Howse décrit les travaux de Maskelyne sur la méthode de la distance lunaire lors de ce voyage : –

Il estimait avoir prouvé l’utilité des tables de Mayer et de la méthode en général lors du voyage aller. De retour à la maison, il prit donc lui-même peu d’observations… Ce qu’il fit cependant, c’était d’encourager les officiers du navire à prendre de telles observations et de leur montrer comment faire les calculs laborieux…

Maskelyne a affirmé: –

La longitude peut toujours être trouvée dans un degré, ou très peu plus, ce qui correspond à environ 40 miles géographiques à la latitude de la Manche.

Bradley a affirmé que lui et Tobias Mayer auraient partagé le prix de la longitude de 10000 £ sans la montre sablée de Harrison. Ce n’était pas seulement Harrison qui se sentait mal fait par.
James Bradley et Mayer moururent tous deux en 1762, mais la veuve de Mayer reçut plus tard £ 3000 du Board of Longitude. Il restait à Harrison de continuer sa bataille, mais il commença à craindre que le rapport de Mayer sur son succès avec les tables de Mayer ne soit considéré comme digne du prix puisque son propre succès avait été ignoré. Un deuxième essai pour le H4 fut organisé et le Hms Tartar appareilla de Portsmouth le 28 mars 1764 avec William Harrison et le H4 à bord. À son arrivée à la Barbade, William Harrison découvrit que Maskelyne avait été envoyé à l’avance pour juger du succès du procès.
William Harrison s’est plaint que Maskelyne n’était pas un juge impartial et Maskelyne a eu la bonne grâce de demander que les observations nécessaires soient faites par quelqu’un d’autre car il était malade. H4 n’a perdu que 54 secondes au cours des 5 mois du voyage et après correction des erreurs, que Harrison avait énoncées avant le voyage, l’erreur a été réduite à 15 secondes.
L’argument scientifique pour que H4 remporte le prix £ 20000 était incontestable. Une copie de H4 faite par Kendall, appelée K1, s’est également avérée bien conforme aux conditions du prix et John Harrison, à l’âge de 78 ans, a fabriqué une autre horloge H5 dans ses tentatives pour satisfaire à d’autres conditions énoncées par le Board of Longitude. Cependant, il a fallu une pétition de John Harrison au roi George III avant qu’il ne reçoive son prix pour résoudre le problème de la longitude.
Une photo de K1 se trouve sur CE LIEN.
Dans le développement du chronomètre de marine après la description de Harrison: –

Il a été laissé à des collègues plus jeunes de concevoir des chronomètres… assez bon marché pour être à la portée des navigateurs ordinaires. … La Compagnie britannique des Indes orientales insistait très tôt pour que tous ses navires portent des chronomètres. La Royal Navy a été un peu plus lente à suivre: c’était en 1840 ou plus tard avant que les navires ne transportent des chronomètres dans les eaux domestiques… des essais annuels de chronomètres ont eu lieu à Greenwich à partir de 1821, avec des prix pour les meilleurs chronomètres soumis.