一百多年前，人類(lèi)歷史上最偉大的科學(xué)家愛(ài)因斯坦告訴我們：光速是宇宙中最快的速度，沒(méi)有什么可以超過(guò)光速。

直到今天，盡管偶爾有超光速現(xiàn)象的存在，但是絕大部分科學(xué)家仍然把這個(gè)理論奉為圭臬，并且很多時(shí)候都找到證據(jù)解釋那些超光速現(xiàn)象的問(wèn)題所在。因此，光速作為宇宙最快速度的地位，依然牢不可破。

那么，如此快的光速，科學(xué)家是怎么測(cè)量出來(lái)的呢？

實(shí)際上，對(duì)于光速的測(cè)量，經(jīng)歷了一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程。人類(lèi)的智慧不斷進(jìn)步，才終于完成了這個(gè)偉業(yè)。今天，咱們就看看，科學(xué)家是如何測(cè)量光速的。

亞里士多德

亞里士多德是古希臘時(shí)期（雖然他不是希臘人）著名的代表人物，盡管他的一些理論都被推翻了，但當(dāng)時(shí)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(rèn)為光速是最快的。但和愛(ài)因斯坦不一樣的是，他們認(rèn)為光速是無(wú)限的，也就是所謂的超距效應(yīng)。也就是說(shuō)，不論多遠(yuǎn)，光都可以在一端點(diǎn)亮的情況下，另一端在同時(shí)就能接收到這束光。因此，對(duì)于他們來(lái)說(shuō)，測(cè)量光速完全是荒謬的，沒(méi)有必要的。

這不能怪他們，畢竟那個(gè)時(shí)候，地球的距離都是他們無(wú)法駕馭的，能夠駕馭歐洲的距離都不太可能。所以，不論是他們生活的范圍、還是他們的科學(xué)認(rèn)識(shí)，都導(dǎo)致了他們對(duì)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(shí)際上，比薩斜塔的實(shí)驗(yàn)，基本已經(jīng)被證偽了。不過(guò)，伽利略敢于提出質(zhì)疑并付諸實(shí)驗(yàn)的精神，確實(shí)一點(diǎn)不假的。

他并不相信光速無(wú)限，堅(jiān)持要自己做實(shí)驗(yàn)。于是，他和他的助手，爬上了兩座山頭，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。他的實(shí)驗(yàn)原理很簡(jiǎn)單，助手拿著一盞非常非常明亮的燈，用木板擋住它。然后，助手移走木板，露出燈光，伽利略計(jì)算助手移走木板和自己看到燈光的時(shí)差，用距離除以時(shí)間，就是光速了。

現(xiàn)在我們知道，伽利略的這個(gè)實(shí)驗(yàn)，是不可能有結(jié)果的，因?yàn)楣馑賹?shí)在太快了。別說(shuō)兩座山頭了，就算他們站在地球的兩端，光速?gòu)囊欢藗鞑サ搅硪欢耍ㄔ劬桶粗睆剿?，不按周長(zhǎng)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(yùn)動(dòng)員，反應(yīng)速度也需要150毫秒。因此，伽利略這種方法，根本不可能測(cè)量光速，最多也就是測(cè)量一下他的反應(yīng)速度。對(duì)此，他自己也是承認(rèn)的。

羅默

無(wú)心插柳

伽利略雖然失敗了，但他的貢獻(xiàn)卻讓測(cè)量光速變?yōu)榭赡?。他的?shí)驗(yàn)告訴我們：想要測(cè)量光速，必須要有更遠(yuǎn)的距離。而他更重要的貢獻(xiàn)，是告訴別人：望遠(yuǎn)鏡這種東西可以看天，看星球。并且，他還發(fā)現(xiàn)了木星的四顆衛(wèi)星，并稱(chēng)為伽利略衛(wèi)星。而其中的木衛(wèi)一，對(duì)于測(cè)量光速起到了重要作用。

1676年，一個(gè)叫做奧勒·羅默的人，意外測(cè)得了光速的數(shù)值。

說(shuō)起來(lái)，他這也是無(wú)心插柳，因?yàn)樗皇窍霚y(cè)量木衛(wèi)一的公轉(zhuǎn)周期，以作為天文上的一個(gè)精確“時(shí)鐘”。這個(gè)測(cè)量方法其實(shí)很簡(jiǎn)單，如果木衛(wèi)一運(yùn)行到被木星擋住陽(yáng)光的位置，我們是看不見(jiàn)它的；如果它運(yùn)行出這個(gè)陰影，我們就能看見(jiàn)它。

大家可以看這個(gè)示意圖，A是太陽(yáng)，EFGHLK所在的圓是地球軌道，B是木星。當(dāng)木衛(wèi)一運(yùn)行到CD之間的陰影時(shí)，我們就看不見(jiàn)它。因此，只要多次測(cè)量它兩次出現(xiàn)的時(shí)間差，就知道了它的公轉(zhuǎn)周期。

于是，問(wèn)題出現(xiàn)了：每隔一段時(shí)間，測(cè)量的數(shù)據(jù)就不一樣。

羅默認(rèn)為，這不可能是木衛(wèi)一運(yùn)行不規(guī)律造成的，這不符合天體物理學(xué)的法則。唯一的解釋?zhuān)褪枪獠⒎撬矔r(shí)傳播，光速是有限的。于是，他轉(zhuǎn)而開(kāi)始通過(guò)這個(gè)發(fā)現(xiàn)，來(lái)測(cè)量光速。

確定量級(jí)

還是上面的圖，假設(shè)，我們是從地球北極的上空看太陽(yáng)系，那么地球、木星和木衛(wèi)一，都是逆時(shí)針公轉(zhuǎn)的。如果地球運(yùn)行到F點(diǎn)時(shí)發(fā)現(xiàn)木衛(wèi)一被木星擋住了（消蹤），也就是木衛(wèi)一位于C點(diǎn)的時(shí)候。由于光速傳播需要時(shí)間，所以實(shí)際上我們?cè)贔點(diǎn)看到木衛(wèi)一到達(dá)C點(diǎn)的時(shí)候，已經(jīng)是幾分鐘之前的事了，它實(shí)際上已經(jīng)在CD之間了。

當(dāng)木衛(wèi)一在D點(diǎn)重新出現(xiàn)（現(xiàn)蹤）時(shí)，地球可能已經(jīng)運(yùn)行到G點(diǎn)了（為了方便大家看，比例會(huì)非常失衡，只要我們懂得道理就行了）。同樣的，就像我們?cè)贔點(diǎn)看到木衛(wèi)一到C點(diǎn)有延遲一樣，在G點(diǎn)看木衛(wèi)一到達(dá)D的時(shí)候，其實(shí)也是幾分鐘之前的事了。

木星和木衛(wèi)一

由于木星公轉(zhuǎn)速度相對(duì)較慢，我們認(rèn)為它基本沒(méi)動(dòng)。那么，顯然DG的長(zhǎng)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(duì)短一點(diǎn)。這意味著，我們?cè)贔G之間測(cè)量的木衛(wèi)一消失的時(shí)間，要比它實(shí)際消失的時(shí)間短一點(diǎn)。

你蒙了嗎？

針對(duì)最核心的部分，我們打個(gè)比方。

假設(shè)你在玩王者榮耀，但是用的網(wǎng)非?？?。游戲開(kāi)始的時(shí)候，你還在延遲，開(kāi)場(chǎng)10秒鐘你才進(jìn)場(chǎng)。結(jié)果你發(fā)現(xiàn)自己忘記開(kāi)WiFi了，于是換成了WiFi。不過(guò)這個(gè)WiFi信號(hào)也不好，只比流量快一點(diǎn)，有8秒的延遲。結(jié)果，這局游戲已經(jīng)結(jié)束了，你還在峽谷里跑了8秒鐘才知道結(jié)果，因此，如果整局游戲持續(xù)了15分鐘，你只玩了14分58秒。

懂了吧？

反過(guò)來(lái)說(shuō)，當(dāng)?shù)厍蜻h(yuǎn)離木星的時(shí)候，情況就是相反了的。當(dāng)?shù)厍蛟贚處發(fā)現(xiàn)木衛(wèi)一在C處消失，又在K處發(fā)現(xiàn)木衛(wèi)一在D處出現(xiàn)的時(shí)候，同樣要考慮到延遲的效應(yīng)。這次，就相當(dāng)于你用WiFi進(jìn)場(chǎng)玩游戲，但是中途W(wǎng)iFi斷了改用更慢的流量，所以你玩的時(shí)間要比游戲?qū)嶋H的時(shí)間要長(zhǎng)，也就是地球測(cè)量的木衛(wèi)一消失-出現(xiàn)時(shí)間比木衛(wèi)一實(shí)際消失-出現(xiàn)的時(shí)間要長(zhǎng)。

然后羅默開(kāi)始假設(shè)：設(shè)光速等于地球直徑，而地球在木衛(wèi)一公轉(zhuǎn)一圈的期間移動(dòng)的距離是210倍地球直徑（不知道他是根據(jù)什么假設(shè)的），那么木衛(wèi)一的光傳播到地球的時(shí)間就要差了210秒（也就是游戲?qū)嶋H時(shí)間和你玩的時(shí)間差），也就是三分半鐘。換句話(huà)說(shuō)，當(dāng)?shù)厍蚩拷拘堑臅r(shí)候，木衛(wèi)一消失的時(shí)間會(huì)短3.5min，遠(yuǎn)離的時(shí)候會(huì)長(zhǎng)3.5min，加一起就是7min。

而實(shí)際觀測(cè)的結(jié)果是，二者相差并沒(méi)有7min，而且差得很多。由此可見(jiàn)，光在一秒鐘內(nèi)的傳播速度，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了地球直徑。他推測(cè)，光速的量級(jí)大約是10的8次方米每秒。

別說(shuō)，和現(xiàn)在的數(shù)據(jù)還真是一個(gè)量級(jí)——雖然他的假設(shè)也有點(diǎn)離譜。

粗略計(jì)算

那么，確定了量級(jí)，還能更精確一點(diǎn)嗎？

能。

對(duì)于木衛(wèi)一的公轉(zhuǎn)周期，雖然不是完全準(zhǔn)確，但是基本是沒(méi)有問(wèn)題的，大約是42.5天。也就是說(shuō)，如果觀察位置不變，木衛(wèi)一消失的周期也應(yīng)該是42.5天。而位置如果變化了，那么就是光速傳播所導(dǎo)致的了。

從1668年到1678年，羅默持續(xù)觀察了11年的時(shí)間（前面講得太多，我恐怕你連羅默是誰(shuí)都忘了……）。測(cè)量發(fā)現(xiàn)，地球距離木星最遠(yuǎn)的時(shí)候，木衛(wèi)一消失的時(shí)間要比最近處晚了22分鐘。而這個(gè)時(shí)間，就是地球在太陽(yáng)的兩側(cè)所帶來(lái)的光速移動(dòng)時(shí)間。因此，只要解決地球半徑的問(wèn)題，就可以解決光速的問(wèn)題。

不過(guò)，如果大家還記得我們以前【科學(xué)有道理】欄目關(guān)于日地距離測(cè)量的那一期的話(huà)，就會(huì)發(fā)現(xiàn)，這個(gè)時(shí)候人類(lèi)還沒(méi)有精確測(cè)量出日地距離。因此，羅默測(cè)出了時(shí)間，但是沒(méi)有距離，這怎么算速度？

實(shí)際上，羅默的計(jì)算，就到此為止了。很多人認(rèn)為羅默首次計(jì)算了光速，但實(shí)際上，他更多的只是提供了借鑒。另外，通過(guò)復(fù)雜的計(jì)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(fā)表出去后，被惠更斯看見(jiàn)了。他根據(jù)自己所掌握的天文數(shù)據(jù)，也就是比較粗略的日地距離，得到了光速大約是每秒22萬(wàn)公里。同時(shí)，牛頓計(jì)算的結(jié)果，是21萬(wàn)公里每秒。他并沒(méi)有說(shuō)自己是根據(jù)什么計(jì)算的，因此，我們很難相信他不是借鑒了羅默的學(xué)術(shù)成果。牛大爺和惠大爺在關(guān)于光是波還是粒子的問(wèn)題上吵得不可開(kāi)交，所以也有可能是牛頓不甘落在惠更斯后面，才偷偷“抄作業(yè)”吧~

顯然，不論是惠更斯還是牛頓，測(cè)量的光速都不準(zhǔn)確，大約是現(xiàn)代數(shù)據(jù)的70%。這是由于當(dāng)時(shí)人們對(duì)于日地距離沒(méi)有準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，才出現(xiàn)了這個(gè)偏差。

當(dāng)然，即使按照日地距離已知的情況，羅默的數(shù)據(jù)也不準(zhǔn)。這里面可能導(dǎo)致誤差的因素比較多，比如當(dāng)時(shí)的儀器精密度、木星的運(yùn)動(dòng)等等。當(dāng)然，木星的運(yùn)動(dòng)，最終也要?dú)w結(jié)到日地距離上，因?yàn)橐坏┤盏鼐嚯x確定，木星的軌道也就可以確定了。

不管怎么說(shuō)，對(duì)于16世紀(jì)的人們來(lái)說(shuō)，能夠測(cè)量到這個(gè)級(jí)別，已經(jīng)是相當(dāng)厲害了。

而更精確的數(shù)據(jù)，則要等到大約200年后，我們下一期再介紹~