【知道SET】第一个用天文法测量光速的人

本集主题：第一个用天文法测量光速的人

在各种科幻作品中，我们经常会接触到这样一个词，那就是“光速”，有光速的武器，光速的飞船，光速的人等等，那么光速到底有多快呢？真空中的光速是一个物理常量，国际公认值为299 792 458米每秒。在宇宙中，光年也是很常用的距离单位，假设光以299 792 458米每秒的速度行进一年，可以走9.46万亿千米。而距离我们最近的恒星大约在40万亿千米之外，或者说距离我们大约4.2光年。对于距离比较近的天体还可以用光时、光分或者是光秒来描述。比如冥王星距离地球大约5.3光时，太阳距离地球大约为8.3光分，而月球距离地球大约只有1.3光秒。

在17世之前，人们一直以为光的速度无穷大，比如古希腊哲学家亚里士多德，就曾经有过这样的猜测，即使是后来的开普勒和笛卡尔也都认为光的传播是不需要时间的。就是这么快，就是这么任性，直到那个发明了天文望远镜的男人—伽利略（Galileo Galilei，1564—1642）对这些观点提出了怀疑。

1607年，伽利略为了测量光速，展开了这样一场有趣的实验，他让两个人分别站在相距1.5公里的两个山头，我们先管这两个人叫小甲和小乙，他们俩每个人手里拿着一盏灯，小甲先打开灯，同时记下时间，山那头小乙看到灯光后，再打开灯，这时，山这边小甲看到小乙反馈回来的灯光，再次记录时间，于是这两个时间的间隔就是光速传播的时间吗？当然不是！虽然尝试了数次，但伽利略的这次实验显然是失败了，要知道，光走完3公里的距离，大概只需要十万分之一秒，且不说当时的钟表无法进行如此精确的测量，光是开灯关灯，低头看表这一套操作造成的误差，就比光线走完这点距离所需要的时间大数万倍了。

但是，测量光速的序幕既然已经拉开，自然不会因为这点小挫折就草草散场，根据伽利略的假设，想要测量出光速，实验只有朝这两个方向继续努力：要么增加测量的距离，要么就需要用到更加精密的仪器，而一位来自丹麦的天文学家在几十年后为这个测量光速的实验找到了最佳的场地—宇宙，他就是奥勒·罗默（Ole Römer 1644—1710）。

17世纪70年代，巴黎皇家天文台派出了几位天文学家前往第谷·布拉赫位于汶岛的观天堡天文台对伽利略卫星进行观测。什么是伽利略卫星呢？在之前的节目中我们有提到过，伽利略卫星（Galilean satellites）是木星的四个大型卫星，由伽利略于1610年1月7日首度发现其中的3颗，一周之内又发现了第4颗。在那个人们正为地心说和日心说争论不休的年代，这个发现成为了赞同哥白尼的日心说的有关行星运动的主要依据。

这四个卫星可以用低功率望远镜来观测，在极好的观测条件下，甚至可用肉眼勉强看到木卫四。当时，他们观测的重点是这几颗卫星被木星遮挡后从视野中消失的那一刻。当时的罗默是法国天文学家让·皮卡尔（Jean Picard 1620-1682）的助手，后来凭借着在观天堡的工作经验，罗默在巴黎天文台找到了一份工作。

然而，他们对伽利略卫星的观测带来了一个棘手的难题：当木星的卫星被木星遮挡时，这个现象发生的时间总是和用牛顿力学计算得出的时间有所偏差。1676年，罗默在巴黎天文台台长乔凡尼·卡西尼(Giovanni Cassini)先前工作的基础上提出了对这一问题的解释。之前人们总是认为光速是无限的——光可以瞬间从A点传播到B点，但是当木星的卫星被木星遮挡时，这种现象所发生的时间总是出现偏差——当地球和木星距离很近时，这种现象提前发生；反之当地球和木星距离很远时，则会推迟发生——这说明，光的传播也是需要时间的。罗默计算出，光走过太阳到地球这么长的一段距离大约需要11分钟，也就是说光速大约是220 000 000米每秒。

2016年12月7日，测定光速 340 周年纪念日，谷歌推出的奥勒·罗默涂鸦

现在，我们知道光速是299 792 458米每秒，虽然罗默和卡西尼计算得到的结果与这个数字有一定差距。不过最重要的倒不是在于他们得出的数值是多少，而是他们最终证明了光速是有限的，即使是光也需要时间才能到达目的地。只是由于光速实在是太快了，所以我们在日常生活中很难注意到这一点，只有在天文学的尺度上，才能注意注意到这些变化。

虽然17世纪与光相关的研究可以说是硕果累累，但在18世纪对于光的研究却是相对沉闷的，直到19世纪随着光学工业的发展，终于有人找到了在实验室里的测试光速的方法，20世纪初，美国的第一个诺贝尔物理学奖得主，也由此诞生，这中间的故事，还请期待我们未来的节目。

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