手機(jī)GPS背后的隱形人物:手算出冥王星軌道的女?dāng)?shù)學(xué)家
GPS技術(shù)無(wú)疑已經(jīng)成為了我們生活的一部分:在手機(jī)上使用行車導(dǎo)航,還能為Ins的照片標(biāo)記位置。
但GPS是如何誕生的并不為人所熟知,這一切離不開(kāi)美國(guó)空軍數(shù)據(jù)家,已經(jīng)90多歲的葛萊蒂絲·韋斯特女士。
今天,讓我們一起探訪這位GPS背后的隱形人物。
行走的計(jì)算機(jī)1930年,韋斯特出生于弗吉尼亞州丁維迪縣的一個(gè)偏遠(yuǎn)的農(nóng)村社區(qū),她家里有一個(gè)小的農(nóng)場(chǎng),在那里,她、農(nóng)民和煙草廠工人生活一起。
她很早就決定,留在弗吉尼亞州農(nóng)村工作不是她所憧憬的未來(lái),她認(rèn)為教育是她走出農(nóng)場(chǎng)的關(guān)鍵。她努力學(xué)習(xí),在學(xué)校所有的科目都拿到了最優(yōu)的成績(jī)。盡管家里沒(méi)有錢供她上大學(xué),但她的努力換來(lái)了回報(bào)——1948年,她以優(yōu)秀畢業(yè)生從高中畢業(yè),并獲得了美國(guó)弗吉尼亞州立大學(xué)的獎(jiǎng)學(xué)金。
韋斯特決定在弗吉尼亞州立大學(xué)主修數(shù)學(xué),在那里,她還是AKA(Alpha Kappa Alpha)聯(lián)誼會(huì)成員。大學(xué)本科畢業(yè)后,韋斯特在弗吉尼亞州韋弗利市教了兩年的科學(xué)和數(shù)學(xué)后,之后回到弗吉尼亞州立大學(xué)攻讀數(shù)學(xué)碩士,并在1955年取得了學(xué)位。次年,她被聘為弗吉尼亞州達(dá)爾格倫海軍試驗(yàn)場(chǎng)的數(shù)學(xué)家(現(xiàn)為海軍水上作戰(zhàn)中心),專門研究衛(wèi)星數(shù)據(jù)。她是當(dāng)時(shí)僅有的四名非裔美籍雇員之一。
起初,她就像一臺(tái)行走的計(jì)算機(jī),全都自己手寫計(jì)算,但后來(lái)她轉(zhuǎn)向計(jì)算機(jī)編程。20世紀(jì)60年代初,韋斯特進(jìn)行了一項(xiàng)天文研究,證明了冥王星相對(duì)于海王星的運(yùn)行規(guī)律,即冥王星每繞兩個(gè)軌道運(yùn)行一次,海王星就繞三個(gè)軌道運(yùn)行,這一現(xiàn)象被稱為“軌道共振”。明尼蘇達(dá)州天文學(xué)會(huì)主席大衛(wèi)·??思{解釋說(shuō):“冥王星的軌道非常古怪,或者說(shuō)是橢圓形的,因此冥王星每運(yùn)行248年,會(huì)有20年左右在海王星的軌道內(nèi)運(yùn)行。雖然這兩個(gè)軌道實(shí)際上并不相交,但兩顆行星如此接近可能導(dǎo)致它們之間產(chǎn)生相互的引力影響,并導(dǎo)致它們改變軌道。然而,由于海王星和冥王星的共振比為2:3,所以它們的距離永遠(yuǎn)不會(huì)超過(guò)17 AU(天文單位約為9300萬(wàn)英里)。因此,這種2:3的共振非常穩(wěn)定,已經(jīng)持續(xù)了數(shù)百萬(wàn)年。此后,她加入了“海洋衛(wèi)星”雷達(dá)測(cè)量項(xiàng)目,擔(dān)任項(xiàng)目經(jīng)理。
起初,想要精確地測(cè)量地球表面的距離簡(jiǎn)直不可能
在“海洋衛(wèi)星”(Seasat)項(xiàng)目之前,想要精確測(cè)量地球表面或地球與飛機(jī)等物體之間的距離幾乎是不可能的。因?yàn)榈厍虿⒎鞘且粋€(gè)完美的球體,這使得計(jì)算這些距離具有挑戰(zhàn)性。海洋在測(cè)量不規(guī)則的行星形狀方面起了很大的作用,因此了解海平面的變化為模擬行星形狀邁出了重要的一步?!昂Q笮l(wèi)星”是第一顆能夠用雷達(dá)遠(yuǎn)程探測(cè)海洋的衛(wèi)星,它可以測(cè)量衛(wèi)星與地球海洋表面之間的距離。多年來(lái),韋斯特利用“海洋衛(wèi)星”和其他衛(wèi)星提供的信息,構(gòu)建了一個(gè)非常詳細(xì)且精確反映地球?qū)嶋H形狀的數(shù)學(xué)模型,稱為“大地水準(zhǔn)面”。這個(gè)計(jì)算模型是現(xiàn)代GPS的基礎(chǔ),因?yàn)镚PS技術(shù)需要采用數(shù)學(xué)模型來(lái)確定接收機(jī)的位置。
“軍事史上的隱藏人物”在達(dá)爾格倫呆了42年后,韋斯特于1998年退休,盡管退休后5個(gè)月得了中風(fēng),但她并沒(méi)有放慢腳步。她與丈夫一起在當(dāng)?shù)鼗浇糖嗄陼?huì)(YMCA)上課,努力重建自己的力量,恢復(fù)失去的活力。因?yàn)樗幸粋€(gè)心愿,她要完成在公共管理領(lǐng)域的遠(yuǎn)程博士課程。最終,她于2018年從弗吉尼亞理工學(xué)院(Virginia Tech)獲得了博士學(xué)位。
有段時(shí)間,西方在GPS科技發(fā)展中的研究未受重視
盡管她在軍隊(duì)的長(zhǎng)期職業(yè)生涯取得了不少成就,但她為全球定位系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展做出的貢獻(xiàn)并沒(méi)有得到重視。直到紀(jì)念A(yù)KA聯(lián)誼會(huì)成員的活動(dòng)中,她提交了一份簡(jiǎn)短傳記,在傳記中簡(jiǎn)述了她是如何成為開(kāi)發(fā)全球定位系統(tǒng)的團(tuán)隊(duì)的一員。這引起了一位姐妹會(huì)成員的注意,決心幫助韋斯特分享她的故事。2018年初,美聯(lián)社報(bào)道了韋斯特的故事,隨后空軍航天司令部也發(fā)布新聞稿,正式將她視為軍事史上的“隱形人物”。2018年2月,韋斯特獲得弗吉尼亞州參議院的表彰。同年12月6日,在五角大樓舉行的儀式上,她入選空軍太空與導(dǎo)彈先驅(qū)名人堂。
至今,作為一名數(shù)學(xué)家,韋斯特更喜歡用紙質(zhì)地圖和手寫計(jì)算開(kāi)展研究,而不是用她幫助發(fā)明的GPS技術(shù)。