鄭信豪的部落格

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一百多年前，人類歷史上最偉大的科學家愛因斯坦告訴我們：光速是宇宙中最快的速度，沒有什麼可以超過光速。 直到今天，儘管偶爾有超光速現象的存在，但是絕大部分科學家仍然把這個理論奉為圭臬，並且很多時候都找到證據解釋那些超光速現象的問題所在。因此，光速作為宇宙最快速度的地位，依然牢不可破。 那麼，如此快的光速，科學家是怎麼測量出來的呢？ ... 實際上，對於光速的測量，經歷了一個漫長的過程。人類的智慧不斷進步，才終於完成了這個偉業。今天，咱們就看看，科學家是如何測量光速的。 亞里士多德 亞里士多德是古希臘時期（雖然他不是希臘人）著名的代表人物，儘管他的一些理論都被推翻了，但當時是非常盛行、甚至被捧到天上的。 ... 以亞里士多德為代表的古希臘人，同樣認為光速是最快的。但和愛因斯坦不一樣的是，他們認為光速是無限的，也就是所謂的超距效應。也就是說，不論多遠，光都可以在一端點亮的情況下，另一端在同時就能接收到這束光。因此，對於他們來說，測量光速完全是荒謬的，沒有必要的。 這不能怪他們，畢竟那個時候，地球的距離都是他們無法駕馭的，能夠駕馭歐洲的距離都不太可能。所以，不論是他們生活的範圍、還是他們的科學認識，都導致了他們對光速看法的局限性。 伽利略 ... 在大家的印象中，最能打亞里士多德臉的人，就是伽利略了。實際上，比薩斜塔的實驗，基本已經被證偽了。不過，伽利略敢於提出質疑並付諸實驗的精神，確實一點不假的。 他並不相信光速無限，堅持要自己做實驗。於是，他和他的助手，爬上了兩座山頭，進行了實驗。他的實驗原理很簡單，助手拿著一盞非常非常明亮的燈，用木板擋住它。然後，助手移走木板，露出燈光，伽利略計算助手移走木板和自己看到燈光的時差，用距離除以時間，就是光速了。 現在我們知道，伽利略的這個實驗，是不可能有結果的，因為光速實在太快了。別說兩座山頭了，就算他們站在地球的兩端，光速從一端傳播到另一端（咱就按直徑算，不按周長算了），也僅僅需要不到0.05秒，也就是不到50毫秒。而即使是運動員，反應速度也需要150毫秒。因此，伽利略這種方法，根本不可能測量光速，最多也就是測量一下他的反應速度。對此，他自己也是承認的。 ... 羅默 無心插柳 伽利略雖然失敗了，但他的貢獻卻讓測量光速變為可能。他的實驗告訴我們：想要測量光速，必須要有更遠的距離。而他更重要的貢獻，是告訴別人：望遠鏡這種東西可以看天，看星球。並且，他還發現了木星的四顆衛星，並稱為伽利略衛星。而其中的木衛一，對於測量光速起到了重要作用。 1676年，一個叫做奧勒·羅默的人，意外測得了光速的數值。 說起來，他這也是無心插柳，因為他只是想測量木衛一的公轉周期，以作為天文上的一個精確「時鐘」。這個測量方法其實很簡單，如果木衛一運行到被木星擋住陽光的位置，我們是看不見它的；如果它運行出這個陰影，我們就能看見它。 ... 大家可以看這個示意圖，A是太陽，EFGHLK所在的圓是地球軌道，B是木星。當木衛一運行到CD之間的陰影時，我們就看不見它。因此，只要多次測量它兩次出現的時間差，就知道了它的公轉周期。 於是，問題出現了：每隔一段時間，測量的數據就不一樣。 羅默認為，這不可能是木衛一運行不規律造成的，這不符合天體物理學的法則。唯一的解釋，就是光並非瞬時傳播，光速是有限的。於是，他轉而開始通過這個發現，來測量光速。 確定量級 還是上面的圖，假設，我們是從地球北極的上空看太陽系，那麼地球、木星和木衛一，都是逆時針公轉的。如果地球運行到F點時發現木衛一被木星擋住了（消蹤），也就是木衛一位於C點的時候。由於光速傳播需要時間，所以實際上我們在F點看到木衛一到達C點的時候，已經是幾分鐘之前的事了，它實際上已經在CD之間了。 當木衛一在D點重新出現（現蹤）時，地球可能已經運行到G點了（為了方便大家看，比例會非常失衡，只要我們懂得道理就行了）。同樣的，就像我們在F點看到木衛一到C點有延遲一樣，在G點看木衛一到達D的時候，其實也是幾分鐘之前的事了。 ... 木星和木衛一 由於木星公轉速度相對較慢，我們認為它基本沒動。那麼，顯然DG的長度要比CF短一些。因此，雖然都有延遲，但是DG距離比CF短，所以延遲也相對短一點。這意味著，我們在FG之間測量的木衛一消失的時間，要比它實際消失的時間短一點。 你蒙了嗎？ 針對最核心的部分，我們打個比方。 假設你在玩王者榮耀，但是用的網非常卡。遊戲開始的時候，你還在延遲，開場10秒鐘你才進場。結果你發現自己忘記開WiFi了，於是換成了WiFi。不過這個WiFi信號也不好，只比流量快一點，有8秒的延遲。結果，這局遊戲已經結束了，你還在峽谷里跑了8秒鐘才知道結果，因此，如果整局遊戲持續了15分鐘，你只玩了14分58秒。 懂了吧？ ... 反過來說，當地球遠離木星的時候，情況就是相反了的。當地球在L處發現木衛一在C處消失，又在K處發現木衛一在D處出現的時候，同樣要考慮到延遲的效應。這次，就相當於你用WiFi進場玩遊戲，但是中途WiFi斷了改用更慢的流量，所以你玩的時間要比遊戲實際的時間要長，也就是地球測量的木衛一消失-出現時間比木衛一實際消失-出現的時間要長。 然後羅默開始假設：設光速等於地球直徑，而地球在木衛一公轉一圈的期間移動的距離是210倍地球直徑（不知道他是根據什麼假設的），那麼木衛一的光傳播到地球的時間就要差了210秒（也就是遊戲實際時間和你玩的時間差），也就是三分半鐘。換句話說，當地球靠近木星的時候，木衛一消失的時間會短3.5min，遠離的時候會長3.5min，加一起就是7min。 而實際觀測的結果是，二者相差並沒有7min，而且差得很多。由此可見，光在一秒鐘內的傳播速度，遠遠超過了地球直徑。他推測，光速的量級大約是10的8次方米每秒。 別說，和現在的數據還真是一個量級——雖然他的假設也有點離譜。 粗略計算 那麼，確定了量級，還能更精確一點嗎？ 能。 ... 對於木衛一的公轉周期，雖然不是完全準確，但是基本是沒有問題的，大約是42.5天。也就是說，如果觀察位置不變，木衛一消失的周期也應該是42.5天。而位置如果變化了，那麼就是光速傳播所導致的了。 從1668年到1678年，羅默持續觀察了11年的時間（前面講得太多，我恐怕你連羅默是誰都忘了……）。測量發現，地球距離木星最遠的時候，木衛一消失的時間要比最近處晚了22分鐘。而這個時間，就是地球在太陽的兩側所帶來的光速移動時間。因此，只要解決地球半徑的問題，就可以解決光速的問題。 不過，如果大家還記得我們以前【科學有道理】欄目關於日地距離測量的那一期的話，就會發現，這個時候人類還沒有精確測量出日地距離。因此，羅默測出了時間，但是沒有距離，這怎麼算速度？ ... 實際上，羅默的計算，就到此為止了。很多人認為羅默首次計算了光速，但實際上，他更多的只是提供了借鑑。另外，通過複雜的計算，他得出了光每秒傳播的距離比地球直徑更大，僅此而已。 他的論文發表出去後，被惠更斯看見了。他根據自己所掌握的天文數據，也就是比較粗略的日地距離，得到了光速大約是每秒22萬公里。同時，牛頓計算的結果，是21萬公里每秒。他並沒有說自己是根據什麼計算的，因此，我們很難相信他不是借鑑了羅默的學術成果。牛大爺和惠大爺在關於光是波還是粒子的問題上吵得不可開交，所以也有可能是牛頓不甘落在惠更斯後面，才偷偷「抄作業」吧~ ... 顯然，不論是惠更斯還是牛頓，測量的光速都不準確，大約是現代數據的70%。這是由於當時人們對於日地距離沒有準確的數據，才出現了這個偏差。 當然，即使按照日地距離已知的情況，羅默的數據也不準。這裡面可能導致誤差的因素比較多，比如當時的儀器精密度、木星的運動等等。當然，木星的運動，最終也要歸結到日地距離上，因為一旦日地距離確定，木星的軌道也就可以確定了。 不管怎麼說，對於16世紀的人們來說，能夠測量到這個級別，已經是相當厲害了。 而更精確的數據，則要等到大約200年後，我們下一期再介紹~ 轉自：科學求知者，侵刪

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