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一百多年前，人类历史上最伟大的科学家爱因斯坦告诉我们：光速是宇宙中最快的速度，没有什么可以超过光速。 直到今天，尽管偶尔有超光速现象的存在，但是绝大部分科学家仍然把这个理论奉为圭臬，并且很多时候都找到证据解释那些超光速现象的问题所在。因此，光速作为宇宙最快速度的地位，依然牢不可破。 那么，如此快的光速，科学家是怎么测量出来的呢？  实际上，对于光速的测量，经历了一个漫长的过程。人类的智慧不断进步，才终于完成了这个伟业。今天，咱们就看看，科学家是如何测量光速的。 亚里士多德 亚里士多德是古希腊时期（虽然他不是希腊人）著名的代表人物，尽管他的一些理论都被推翻了，但当时是非常盛行、甚至被捧到天上的。  以亚里士多德为代表的古希腊人，同样认为光速是最快的。但和爱因斯坦不一样的是，他们认为光速是无限的，也就是所谓的超距效应。也就是说，不论多远，光都可以在一端点亮的情况下，另一端在同时就能接收到这束光。因此，对于他们来说，测量光速完全是荒谬的，没有必要的。 这不能怪他们，毕竟那个时候，地球的距离都是他们无法驾驭的，能够驾驭欧洲的距离都不太可能。所以，不论是他们生活的范围、还是他们的科学认识，都导致了他们对光速看法的局限性。 伽利略  在大家的印象中，最能打亚里士多德脸的人，就是伽利略了。实际上，比萨斜塔的实验，基本已经被证伪了。不过，伽利略敢于提出质疑并付诸实验的精神，确实一点不假的。 他并不相信光速无限，坚持要自己做实验。于是，他和他的助手，爬上了两座山头，进行了实验。他的实验原理很简单，助手拿着一盏非常非常明亮的灯，用木板挡住它。然后，助手移走木板，露出灯光，伽利略计算助手移走木板和自己看到灯光的时差，用距离除以时间，就是光速了。 现在我们知道，伽利略的这个实验，是不可能有结果的，因为光速实在太快了。别说两座山头了，就算他们站在地球的两端，光速从一端传播到另一端（咱就按直径算，不按周长算了），也仅仅需要不到0.05秒，也就是不到50毫秒。而即使是运动员，反应速度也需要150毫秒。因此，伽利略这种方法，根本不可能测量光速，最多也就是测量一下他的反应速度。对此，他自己也是承认的。  罗默 无心插柳 伽利略虽然失败了，但他的贡献却让测量光速变为可能。他的实验告诉我们：想要测量光速，必须要有更远的距离。而他更重要的贡献，是告诉别人：望远镜这种东西可以看天，看星球。并且，他还发现了木星的四颗卫星，并称为伽利略卫星。而其中的木卫一，对于测量光速起到了重要作用。 1676年，一个叫做奥勒·罗默的人，意外测得了光速的数值。 说起来，他这也是无心插柳，因为他只是想测量木卫一的公转周期，以作为天文上的一个精确“时钟”。这个测量方法其实很简单，如果木卫一运行到被木星挡住阳光的位置，我们是看不见它的；如果它运行出这个阴影，我们就能看见它。  大家可以看这个示意图，A是太阳，EFGHLK所在的圆是地球轨道，B是木星。当木卫一运行到CD之间的阴影时，我们就看不见它。因此，只要多次测量它两次出现的时间差，就知道了它的公转周期。 于是，问题出现了：每隔一段时间，测量的数据就不一样。 罗默认为，这不可能是木卫一运行不规律造成的，这不符合天体物理学的法则。唯一的解释，就是光并非瞬时传播，光速是有限的。于是，他转而开始通过这个发现，来测量光速。 确定量级 还是上面的图，假设，我们是从地球北极的上空看太阳系，那么地球、木星和木卫一，都是逆时针公转的。如果地球运行到F点时发现木卫一被木星挡住了（消踪），也就是木卫一位于C点的时候。由于光速传播需要时间，所以实际上我们在F点看到木卫一到达C点的时候，已经是几分钟之前的事了，它实际上已经在CD之间了。 当木卫一在D点重新出现（现踪）时，地球可能已经运行到G点了（为了方便大家看，比例会非常失衡，只要我们懂得道理就行了）。同样的，就像我们在F点看到木卫一到C点有延迟一样，在G点看木卫一到达D的时候，其实也是几分钟之前的事了。  木星和木卫一 由于木星公转速度相对较慢，我们认为它基本没动。那么，显然DG的长度要比CF短一些。因此，虽然都有延迟，但是DG距离比CF短，所以延迟也相对短一点。这意味着，我们在FG之间测量的木卫一消失的时间，要比它实际消失的时间短一点。 你蒙了吗？ 针对最核心的部分，我们打个比方。 假设你在玩王者荣耀，但是用的网非常卡。游戏开始的时候，你还在延迟，开场10秒钟你才进场。结果你发现自己忘记开WiFi了，于是换成了WiFi。不过这个WiFi信号也不好，只比流量快一点，有8秒的延迟。结果，这局游戏已经结束了，你还在峡谷里跑了8秒钟才知道结果，因此，如果整局游戏持续了15分钟，你只玩了14分58秒。 懂了吧？  反过来说，当地球远离木星的时候，情况就是相反了的。当地球在L处发现木卫一在C处消失，又在K处发现木卫一在D处出现的时候，同样要考虑到延迟的效应。这次，就相当于你用WiFi进场玩游戏，但是中途WiFi断了改用更慢的流量，所以你玩的时间要比游戏实际的时间要长，也就是地球测量的木卫一消失-出现时间比木卫一实际消失-出现的时间要长。 然后罗默开始假设：设光速等于地球直径，而地球在木卫一公转一圈的期间移动的距离是210倍地球直径（不知道他是根据什么假设的），那么木卫一的光传播到地球的时间就要差了210秒（也就是游戏实际时间和你玩的时间差），也就是三分半钟。换句话说，当地球靠近木星的时候，木卫一消失的时间会短3.5min，远离的时候会长3.5min，加一起就是7min。 而实际观测的结果是，二者相差并没有7min，而且差得很多。由此可见，光在一秒钟内的传播速度，远远超过了地球直径。他推测，光速的量级大约是10的8次方米每秒。 别说，和现在的数据还真是一个量级——虽然他的假设也有点离谱。 粗略计算 那么，确定了量级，还能更精确一点吗？ 能。  对于木卫一的公转周期，虽然不是完全准确，但是基本是没有问题的，大约是42.5天。也就是说，如果观察位置不变，木卫一消失的周期也应该是42.5天。而位置如果变化了，那么就是光速传播所导致的了。 从1668年到1678年，罗默持续观察了11年的时间（前面讲得太多，我恐怕你连罗默是谁都忘了……）。测量发现，地球距离木星最远的时候，木卫一消失的时间要比最近处晚了22分钟。而这个时间，就是地球在太阳的两侧所带来的光速移动时间。因此，只要解决地球半径的问题，就可以解决光速的问题。 不过，如果大家还记得我们以前【科学有道理】栏目关于日地距离测量的那一期的话，就会发现，这个时候人类还没有精确测量出日地距离。因此，罗默测出了时间，但是没有距离，这怎么算速度？  实际上，罗默的计算，就到此为止了。很多人认为罗默首次计算了光速，但实际上，他更多的只是提供了借鉴。另外，通过复杂的计算，他得出了光每秒传播的距离比地球直径更大，仅此而已。 他的论文发表出去后，被惠更斯看见了。他根据自己所掌握的天文数据，也就是比较粗略的日地距离，得到了光速大约是每秒22万公里。同时，牛顿计算的结果，是21万公里每秒。他并没有说自己是根据什么计算的，因此，我们很难相信他不是借鉴了罗默的学术成果。牛大爷和惠大爷在关于光是波还是粒子的问题上吵得不可开交，所以也有可能是牛顿不甘落在惠更斯后面，才偷偷“抄作业”吧~  显然，不论是惠更斯还是牛顿，测量的光速都不准确，大约是现代数据的70%。这是由于当时人们对于日地距离没有准确的数据，才出现了这个偏差。 当然，即使按照日地距离已知的情况，罗默的数据也不准。这里面可能导致误差的因素比较多，比如当时的仪器精密度、木星的运动等等。当然，木星的运动，最终也要归结到日地距离上，因为一旦日地距离确定，木星的轨道也就可以确定了。 不管怎么说，对于16世纪的人们来说，能够测量到这个级别，已经是相当厉害了。 而更精确的数据，则要等到大约200年后，我们下一期再介绍~ |
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