正文

第三章 光的速度(2)

时间的形状:相对论史话 作者:汪洁


在上山前,伽利略开始给队员们布置任务:“卡拉齐,你和我一组去A区,贝尼尼和卡拉瓦乔一组,你们去B区。我和贝尼尼负责掌管煤油灯,卡拉齐和卡拉瓦乔负责数据记录。贝尼尼,你给我记住,当看到我的煤油灯发出的信号时,你也立即拉开滑盖给我信号,我一看到你的信号我就会关上灯,然后你一看到我的灯灭了,你也赶紧把灯关上,我看到你关上了灯我就迅速的又把灯打开发出信号,于是你按照前面的步骤重复,我们就这么循环做下去,只要我给信号你就不要停。听明白了吗?贝尼尼。”

贝尼尼说:“是!”

看到这幅场景,如果不知道的人,保证以为伽利略是特种部队的头,正在打真人CS呢。

伽利略说:“卡拉齐,卡拉瓦乔,你们两个负责记录数据,你们听好了,你们的任务是记录在钟摆的一个来回内,你们总共看到你们的同伴发出了多少次信号。任务大家都清楚了吧?还有没有问题?”

众人齐声:“没有了!”

伽利略:“有没有信心完成任务!”

众人齐声:“保证完成任务!”

于是,带着必胜的信念他们上山去了。伽利略的智慧是过人的,他已经有了用统计学的方法来消除误差的想法。他很清楚,他们在打开关闭煤油灯的过程中,必然会有很多来自方方面面的误差,要消除这个误差,就必须重复做大量的次数取均值。你可以想见在那个寒风凛冽,伸手不见五指的山顶(为了实验效果,他们还要特意选择没有月光、星光干扰的阴天),伽利略和他勇敢无畏的助手们为了探求光速的秘密,不知疲倦地做着开关煤油灯的机械动作,边上还有两个人一边数着煤油灯开关的次数,一边还要注意钟摆的摆动,其难度可想而知。

然而不幸的是,虽然有必胜的信念,但却是一个不可能完成的任务。如果伽利略地下有知光速是每秒30万公里的话,他也只能用他的那句名言“追求科学需要特殊的勇气”来自嘲一下了。用煤油灯和钟摆计时器想要测量光速无异于把比萨斜塔抱起来去量一下细菌的长度。虽然如此,我们仍然要向伽利略致敬,是他吹响了人类向光速测量进攻的号角。

光速测量大赛

伽利略死后又过了30多年,也就是到了1675年左右,人类终于首次证明了光是有传播速度的,这个荣誉要授予一个丹麦天文学家,他的名字叫罗默(Olaf,Romer,1644-1710)。罗默特别喜欢观测木星(这是最容易在地球上看到的一颗星星,很大很亮,像我在上海,夜晚的灯光很亮,天上只能看见少数的几颗星星,一般来说,那颗最亮的,那颗像灯泡一样挂在天上的星星就是木星)。当年伽利略第一个发现木星原来也有卫星,而且至少有四颗,这四颗卫星围绕着木星公转,从我们地球的角度看过去有时候这些卫星会转到木星的背面去,于是就产生了如同我们在地球上看月食一样的现象,木星的卫星慢慢地消失,然后又在木星的另一侧慢慢出现。罗默对木星的“月食”现象整整观察了9年,积累了大量的观测数据。他惊奇地发现,当地球逐渐靠近木星时,木星“月食”发生的时间间隔也会逐渐缩小,而当地球逐渐远离木星时,木星“月食”发生的时间间隔也会逐渐变大。这个现象太神奇了,因为根据当时人们已经掌握的定理,卫星绕木星的运转周期一定是固定的,不可能忽快忽慢。罗默经过思考,突然灵光一现:我天,这不正是光速有限的最好证据吗?因为光从木星传播到地球被我们看见需要时间,那么地球离木星越近,光传播过来的用时就越短,反之则越长,这用来解释木星的“月食”时间间隔不均现象那真是再恰当不过了。罗默的计算结果是光速是22.5万公里/秒,已经和真相差得不远了。罗默最大的贡献在于他用翔实的观测数据和无可辩驳的逻辑证明了光速有限,并且还精确地预言某一次“月食”发生的时间要比其他天文学家计算的时间晚10分钟到来,结果与罗默预言的分毫不差,从此,光速有限还是无限的争论画上了句号,整个物理学界都认同了光速是有限传播的。


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