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现在看来相当令人震惊的是，在那些可供使用的导航工具极其匮乏的时代，竟然有那么多水手愿意冒着生命危险穿越大洋。想象一下，在没有任何可靠的方法可以确定你所在位置的情况下，扬帆开启一段可能会持续数月的旅程。由于无法保存新鲜食物，饮用水的供应也只能通过降雨来补充，所以这是一项比今天的远航活动更危险的冒险任务。导航信息的缺失夺去了无数水手的生命，尽管他们更多地死于坏血病、干渴或饥饿，而不是海难。正如前文中那只精疲力竭的黑顶白颊林莺如此清晰地揭示的那样，我们并不是唯一面临这些问题的物种。
在遥远的过去，在开阔海域上航行是一项非常危险的活动，因此大多数航海者都尽可能地选择他们熟悉的路线，尽管这并不意味着他们总是紧挨着海岸航行。只要他们大致知道要走多远，朝哪个方向走，并且能准确地估算出自己的速度和路线，他们就能相当有信心可以抵达目的地。对北半球的航海者而言，北极星在地平线以上的高度为他们提供了一种便利的纬度测量方法，而且从1500年左右开始，得益于天文学家们的细心观察，人们还可以通过测量正午太阳的高度来确定纬度。
只要知道目的地的纬度，水手们迟早可以抵达那里——只要沿着同一纬度航行即可。但是一旦看不到陆地，他们就无法确定自己的准确位置了，因为他们没有办法确定自己所在地的经度。这意味着他们永远无法确定自己何时能抵达目的地——这是一个危险的事态，尤其在天气恶劣或者能见度低的情况下。
无法测量经度还意味着没有准确的海图。例如，人们对太平洋宽度的估计与实际相差数千千米，而所罗门群岛（在16世纪中期被西班牙人首次发现）“失踪”了200年之久。即便是在熟悉的欧洲海域，海图通常也极不准确。“经度问题”直到18世纪中叶才得到解决，尽管欧洲各国政府在过去200年里为此提供了巨额奖金，但大多数航海者在很长时间之后才接触到这项新技术并掌握其使用方法。
那么，早期的水手是如何在开阔海域上导航的呢？
除了天文观测之外，他们手中还有三种简单的工具可用，分别是磁罗盘（似乎从12世纪开始在欧洲使用）、测程板和测深索。
当然，磁罗盘为人们提供了一种稳定的航向，尽管这并不像听起来那么简单，因为这些设备会受到一种名为“偏差”的潜在危险的影响。这一情况是由船上的磁性铁质物体对罗盘产生影响而造成的，令人困惑的是，偏差会随着船只的航向发生变化。
直到19世纪，人们才认识到这个令人费解的问题，并研究出了有效的补救方法。另外，人们花了很长时间才意识到，有时真北和磁北之间存在着巨大差异，而且这种差异不仅因地而异，还会随着时间的推移而变化。
测程板只是一块位于长绳末端的木头，绳子上每隔一段距离打一个绳结作为校准刻度。木头被抛出船的一侧，并在船尾拖行一段固定的时间（用沙漏计时）。人们根据木头拖出来的“节”的数量，便可以估算出船只在水中的速度。每一节被定义为每小时1海里（约等于1.85千米）。这是一套相当有效的系统，尽管测程板的校准经常会出现问题。
如果要说有什么不同的话，那就是测深索更简单。它是一根末端连接着一个圆锥形铅块的长绳，人们只要将其从船的一侧抛入海中就可以测量水深。另外，通过将一些脂肪塞入铅块底部的空腔中，还可以用它来对海床的成分进行取样，例如看看是否含有沙子、砾石或淤泥等。借助这些信息，以及那些展示海底特征的沿海水域的海图和海水深度，人们便可以确定船只的大致位置。
当然，在开阔的海面上，这种标准“铅块”毫无用处，因为那里的水深通常可达数千米。在那里，过去的航海家只能通过记录他们在既定方向上行驶了多远这一简单的权宜之计来估计自己的位置。因此，如果你以5节的速度向西航行10小时，就意味着你比10小时之前向西行驶了50海里。或者你是这么希望的。
通过记录每次航行速度和方向的变化（通常记录在一个简单的洞洞板上，因为大多数水手都不识字），理论上你可以计算出自己相对于出发点的位置，即使是在一系列航向和速度变化之后。这个过程被称为“航位推算”（dead reckoning，简称DR）。
人们常说DR其实是“deduced reckoning”
的简称，但是这个术语至少可以追溯到17世纪，它的起源难以考证。我倾向于认为它是伊丽莎白时代某个有黑色幽默感的水手创造的。
航位推算的问题在于它不可靠。实际上，它 非常 不可靠。它极易出现许多难以控制的错误。首先，要应对洋流问题，即便在大洋深处，洋流也可能很强劲。没有办法探测到它们，除非你有某种能够确定自己位置的方法。测程板可能会告诉你你正在以5节的速度航行，而罗盘会确保你一直向西行进；但是如果整个海洋都在移动，你实际上就可能正以不同的速度朝着不同的方向前进。还有一个问题是，当风不是从船尾（船的正后方）吹来时，帆船往往会有一种“下坠”的趋势。换句话说，它们除了向前移动，还会向一侧漂移。虽然可以通过对比船的尾流与真航向之间的夹角来估计“偏航”的程度，但它远远不是一门精确的科学。
舵手也是一个要考虑的因素。有些人擅长让船保持在航线上，而另一些人则不那么可靠。每次观察结束时，导航员可能会确信这艘船一直在以特定的速度稳定地向西航行，但实际上，它可能在沿着一条更不稳定的路线行进，而且速度可能也发生了变化。当然，还有天气因素的影响。当一艘船在暴风雨中行驶时，它无法追踪任何东西，而在风平浪静的海面上时，它只能任凭看不见的洋流摆布。在这样的情况下，航位推算会完全崩溃。
英国皇家海军准将安森（Anson）在18世纪40年代领导了一次著名的远征探险，生动地说明了航位推算有多么不可靠。在恶劣的天气条件下，安森一行人艰难地绕过合恩角，并认为他们这支遭受重创的小船队已经足够深入太平洋海域，可以安全地沿着南美洲西海岸向北航行了。但接下来他们陷入了一个难以应对的意外状况。
午夜时分，当安森确信他们已经来到外海并远离陆地时，领头的船上突然鸣枪示警：他们正向毁灭驶去，因为前面就是火地岛的岩石悬崖。那真是一次死里逃生的经历。当时他们推算的船位与实际情况相差了大约500海里（约926千米）。随后，他们寻找胡安－费尔南德斯群岛的首次尝试也失败了，而延误还导致数十名水手死于坏血病。
20世纪50年代，随着可以在水下连续作业数月的核潜艇的发展，一种全新的导航挑战出现了。虽然当时的天文导航已经很完善，各种基于无线电的定位工具也已问世，但这些工具对在深海下巡逻的核潜艇来说是不可用的。
这个问题的答案在于一种导航系统的形成，该系统在一系列陀螺仪的帮助下可以记录三维加速度，换句话说，就是舰船的速度和方位变化。通过整合这些惯性传感器的输入数据，计算机可以跟踪核潜艇的每一次动作，并在任何给定时刻生成一个准确的位置。然而，人们还要考虑到地球本身的自转，而且该系统需要不时地进行更新，否则它会逐渐“漂移”。这一系统被称为“惯性导航系统”，已被广泛应用在导弹、客机甚至宇宙飞船上。
有趣的是，人类和许多其他脊椎动物都有类似的机制，它被称为“前庭系统”。我们的内耳被设计用来探测加速度，就像核潜艇上的陀螺仪一样，尽管它们的运作方式有所不同。名为耳石的微小结石位于半规管内，会对敏感的毛发施加压力，同时这些压力又会向大脑发送信号，从而计算出你身体的运动方向和速度。但这还不是全部。与此同时，你会从你的关节和肌肉那里得到有价值的反馈。例如，通过计算你所走的步数，你可以估算出自己走的路程；通过感知地面的坡度和需要付出的努力，你可以判断自己是在上坡还是下坡。
通过整合这些不同的“自发运动”
线索所提供的信息，原则上我们应该可以追踪自己所在的位置。但遗憾的是，正如下面的这则故事所展示的，这套系统在实践中并不能很好地发挥作用。
一场暴风雪过后，整个世界看起来大不相同。旅行者通常依赖的地标隐藏于无形之中，如果缺乏对当地的充分了解或者因纽特猎人的技能，他们可能很快就会陷入麻烦。
这正是19世纪中期美国著名作家马克·吐温和他的同伴们在前往内华达州的边陲小镇卡森城的途中所发生的事。
马克·吐温在他的半自传性游记《苦行记》（ Roughing It ）中描述了他和同伴们差点冻死在荒野的经历，其中包括一个名叫奥伦多夫（Ollendorff，普鲁士人）的“万事通”和一个名叫巴卢（Ballou）的人。厚厚的积雪掩盖了道路，而且因为能见度很低，旅行者们也无法根据远处的山脉来确定路线：
这看起来很可疑，但是奥伦多夫说，他的直觉就像指南针一样敏感，可以为我们找到一条通往卡森城的“捷径”，而且永远不会偏离它。他说，如果他在这条真正的道路上行进时偏离一分一毫，他的本能就会像愤怒的良知一样折磨他。于是，我们兴奋且满足地跟随着他。我们小心翼翼地往前走了半个小时，但最后发现一条新留下的痕迹，奥伦多夫自豪地喊道：“我就知道，我像指南针一样精确，伙计们！这是别人留下的踪迹，他们会在前面找路，让我们毫不费力地跟上去。我们快点赶路，加入他们吧。”
马克·吐温和同伴们策马奔跑起来，他们发现前面的人留下的足迹变得更清晰了，于是推断自己肯定是快要追上他们了。一个小时后，足迹看上去“更新鲜、更明显了”，而且相当令人惊讶的是，他们前面的旅行者的人数似乎在稳步增长：
我们很好奇，在这一时刻，这样一个偏僻的地方，怎么会有这么多人来旅行？有人猜测，他们肯定是来自要塞的士兵，我们接受了这个说法，并稍微加快了速度，因为他们很可能就在不远处。但是足迹仍在增加，我们开始觉得这队士兵的数量正在奇迹般地扩大到一个团——巴卢说他们已经增加到500人了！不一会儿，他勒马停下，喊道：“伙计们，这是我们自己的足迹啊，我们实际上一直在这儿兜圈子，已经在这片什么也看不见的荒芜之地上绕了两个多小时！真是见鬼！”
文学作品和民间传说中充斥着这样的故事，而且它们得到了科学研究的证实，尽管关于其原因存在很多争论。
早在20世纪20年代，一位名叫A. A.谢弗尔（A. A. Shaeffer）的科学家就声称，人类有一种奇怪的、与生俱来的螺旋运动趋势，当我们不清楚自己正前往何方时，它就会自动发挥作用。他提出，正是这种运动趋势让我们去“兜圈子”。然而，另一些人声称，腿部长度的差异、姿势的改变、注意力的分散或者双脚位置摆放错误（仅举几个例子）都有可能会导致我们的内部导航系统出现故障。
最近，扬·索曼（Jan Souman）进行了一项实验，他要求受试者蒙着眼睛走过一个又大又平坦的机场。其间，没有声音引导他们，索曼发现他们无法保持直线行走，即使在较短的距离内。他们沿着曲折而明显随机的道路前进，而且经常会绕回原地。最终的实验结果是，所有受试者从他们的起点到终点的最远距离平均只有大约100米。
在索曼看来，这些错误并没有规律可循，也没有任何迹象表明腿的长度或力量差异等身体因素是罪魁祸首。另一名研究者此前曾调研过在目标突然被隐藏之后，人们还能保持多久的稳定方向。答案是，他们只能保持大约8秒。
即便有一些视觉信息可用，我们保持直线前进的能力也相当差，除非有太阳或月亮照耀。索曼测试了受试者在两种截然不同的环境中不蒙眼走路的情况，这两种环境都没有给他们提供很多有用的地标——德国的森林和突尼斯的沙漠。有趣的是，结果喜忧参半。
在多云的条件下，所有受试者都很难保持直线行进，但是当太阳出来后，他们的表现就好多了，经常可以在长得惊人的距离范围之内保持稳定的行进方向，即便在混乱且令人迷惑的森林环境中也是如此。一名夜行在突尼斯沙漠中的受试者也做得相当不错，只要他能看到月亮。但是当月亮被云层遮挡后，他拐了几个急弯，最终又回到了原来的路上。
这些发现表明，借助日光或月光，大多数人可以通过某种粗略但可用的时间补偿方法来控制前进方向。但是，我们有充分的理由相信，人们不能仅仅依靠内部的自我运动信号来维持恒定的方向。因为系统误差会不可避免地悄悄出现，而且往往会不断累积。因此，最终必然出现方向偏差。如果动物（任何一种动物）想要保持直线前进，它必须拥有外部参照，无论是地标，还是某种形式的罗盘。如果没有参照，它的路径轨迹迟早会接近螺旋形。
所以，也许索曼一直以来都是对的——或许我们的确拥有一种与生俱来的螺旋运动趋势。
2009年，一只名叫斑尾塍鹬（bar-tailed godwit）的陆地鸟被追踪到在8天多一点的时间里不间断地飞越太平洋，从阿拉斯加一路飞到新西兰，全程长达11680千米。而其他几只斑尾塍鹬的飞行距离只是稍短一些，所以这显然不是个别的超常现象。对一种必须拍打翅膀才能产生升力的鸟来说——而不是像漂泊信天翁那样翱翔和滑翔——飞行那么远几乎令人难以置信，而当你考虑到斑尾塍鹬不能降落在水面上时（因为一旦打湿自己，它们就无法再飞到空中了），这就更令人惊叹了。
这些超长距离的飞行对斑尾塍鹬提出了巨大的体能要求，为了保持在空中飞行，它们被迫将静息代谢率提高8~10倍。然后，它们必须在整个旅程中保持这一消耗水平。为了满足它们的能量需求，这些鸟会在出发之前增肥，它们的重要器官会收缩，将起飞时的重量降至最低。当它们抵达新西兰时（死的比活的多），它们的体重会减轻三分之一。但是这些鸟还必须穿越数千千米的空旷海洋，并应对途中不利天气的影响。如今，人们尚不清楚它们是如何做到这一点的，不过有趣的是，为了充分利用顺风，它们会仔细计算离开阿拉斯加的时间。
但是这些斑尾塍鹬明明可以沿着亚洲大陆的边缘飞行，为什么要选择直接飞越开阔的海洋呢？有几个因素似乎在起作用。看起来，这条直达航线不仅为斑尾塍鹬节省了宝贵的时间，还将它们的总能量消耗降至最低。飞越海洋还能让它们避开游隼等捕食者，并降低了接触寄生虫和疾病的风险。然而，当它们再次向北飞行时，优势平衡肯定会有所不同：这一次，它们的大部分路线是沿着海岸进行的。
气候变化在太平洋上引起的任何季风变化都将扰乱斑尾塍鹬的跨洋迁徙。此外，它们还受到亚洲湿地迅速减少的威胁，因为它们在向北飞行的途中会在那里停下来补充能量。