民眾大舞台——風俗世情

7. 天文學家測光速

　　速度的定義是很簡單的， 以公式表示： v= st ； 用文字表示： 單位時間內物體行進的距離( 或位移) 。這裏的物體也可以是一種信號， 如聲音、電磁波、光波等。實際測量時， 主要是測距離值和時間值。

　　測量聲音傳播速度， 通常要有一個比聲音傳播速度快得多的信號， 用以標定聲音傳播的起止時間。

　　光傳播的速度很快， 在古代， 人們都認為光速是無限大的。這就是說， 光從一地傳播到另一地的時間是零。也許有人要問， 光的速度是無限大、還是有限大呢？ 要知道答案，就要從實驗上測量。

　　最先嚐試測量光的速度的人是伽利略。他測量光速的方法類似於聲速測量的方法。

　　在一個夜晚， 伽利略帶著他的助手到郊外。伽利略與他的助手分別站在兩個山頭上， 他們的手上各提著一個燈籠，

　　並且手拿著計時器。按照約定， 伽利略打開燈籠的同時開始計時， 當助手看到燈光馬上打開自己的燈籠， 而伽利略看到燈光馬上停止計時。這樣， 根據速度公式就可求出光的速度。

　　這樣測光速， 理論固然是不錯的， 但是實際上卻行不通。我們知道， 光速為每秒30 萬公裏。設兩個山頭距離為5 公裏， 來回行進的光信號需時為0. 033 毫秒。兩人打開燈罩的時間比0. 033 毫秒要長得多。因此， 伽利略測量光速的實驗失敗了。

　　伽利略實驗結果說明， 光速的數值是很大的， 測量這個數值不能用常規的辦法。測量光速應另覓途徑。簡單地說， 測量極快的速度， 或者有能力測出極短的時間間隔( 伽利略未能做到而失敗)， 或者加大距離( 稱為長基線) 。在17 ～18 世紀， 加大距離的辦法是可行的。可是怎樣加到如此大的距離呢？

　　丹麥天文學家羅默想到一個好辦法。他想， 若我們到某一天體距離是已知的， 測量光從天體到地球的時間就可以了。天體到地球之間的距離可以看做長基線了。另外， 羅默還解決了測時的問題。

　　1676 年， 羅默想到一隻很準確的“天文鍾”， 這就是木星的衛星食。這種衛星食就像是地球上見到的月食。木星處在太陽與木星的衛星時， 就發生木星的衛星食， 而且這種衛星食也是周期性的。

　　羅默選擇了木衛一， 它的衛星食周期為1. 76 天， 約42

　　個小時多一些。經過幾年的認真觀測， 他仔細觀察了木衛一衛星食的情況。他發現， 木衛一衛星食的周期有一定的誤差。這種誤差的表現是， 或推遲、或提前。

　　誤差是怎樣產生的呢？ 羅默進行了分析。地球離木星的距離達6. 3 億公裏， 如此遠的距離， 地球的影響差不多可以忽略了。因此， 地球上看到的木衛一的衛星食周期有變化，

　　肯定是觀測者離開木星的距離有變化。這種距離的變化， 是由於地球公轉時位置變化引起的。由於木星公轉周期約為地球公轉周期的12 倍， 即木星繞日一周， 地球繞日12 周， 因此， 地球的位置變化要顯著得多。

　　羅默怎樣測定光速呢？ 木衛一發生兩次衛星食的時間差可以測出， 這時地球公轉所行距離也可以測出。這樣， 光速就可算出了。羅默測定的結果是：光速= 215 ， 000 公裏/ 秒。這個光速值比較小。但是， 這畢竟是人類測得的第一個光速值。

　　羅默的方法是科學的。經分析， 產生誤差的原因是， 當時人們未能精確測出地球軌道半徑和光線穿越地球軌道所用的時間。

　　後來， 人們對這兩個誤差的因素做了修正， 仍用羅默的方法測量光速， 測得的光速為301 ， 000 公裏/ 秒。

　　天文學家測量光速還有一種很巧妙的方法， 稱做“光行差法”。說起光行差的原理是很簡單的， 可以舉一個例子加以說明。

　　下雨時， 你恰在一個車廂內。車靜止時， 可以見到雨點兒一滴一滴地豎直地落下來。從車的玻璃窗上顯示的雨線是豎直向下的。當車運動起來， 雨點兒就斜著向後甩去， 看到雨線是斜向下並向後的。

　　所謂光行差是由於地球運動產生的光效應。比如， 用望遠鏡看頭頂上的一顆恒星， 望遠鏡本應豎直向上看， 而恒星發出的光線應是豎直向下的。但是， 由於地球的運動， 望遠鏡必須有一個很小的偏斜。這個斜角可以測量出， 地球運動速度也可測出， 利用三角公式即可求出光的速度。

　　1782 年， 英國格林威治天文台台長布拉德雷觀察並測量了光行差效應， 並計算出光速為303 ， 000 公裏/ 秒。

　　天文學家利用天體間距離( 長基線) 測得了光速， 下麵該看物理學家的了。