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木卫——帮助人类首次测量了光的速度

2019-11-05 天文

木卫——帮助人类首次测量了光的速度
 
现在我们知道,光的前进速度是每秒钟 30 万公里。这么大的速度是怎么测量出来的呢?科学家们为了测量光的速度,顽强地努力了好几个世纪。
 
第一个想要测量光速的科学家是伽利略,但是他没有成功。他设计的方法是这样的:让甲乙两人在夜里相隔一段距离面对面站着,每人都拿一盏提灯。甲首先开灯,乙一看到甲的灯光立刻打开自己的灯。甲记下从自己开灯起到看到乙的灯光为止所经过的时间。然后用甲乙之间距离的两倍去除以这个时间,就得到光的速度。
 
伽利略的这个方法,道理是对的。但是他没有估计到,光跑得实在太快了。就算甲乙两人相隔几公里远,光来回一趟也只要十万分之几秒钟的时间。而人的反应时间和开灯、记时动作用的时间要比这长得多。所以他的方法实际上是行不通的。
 
但是伽利略的失败却使后来的人受到了启发。光跑得这么快,看来应该让它跑一段很长很长的距离,这样所花的时间才能测得出来。这种长距离的测量在地面上是无法进行的,只有在天上,天体之间的距离才有这么长。
 
丹麦天文学家罗默在 1675 年首先通过天文观察来测光速。他的观测对象就是木星的一个卫星。
 
木星的 16 个卫星中最大的 4 个,是伽利略最先用望远镜看到的。他把它们分别叫做木卫一、木卫二、木卫三、木卫四。木卫一绕着木星转圈子,有时候转到了木星背后,被遮住了。木卫一绕木星转完一圈的时间大约是 42 小时。看起来,木卫一应该是每隔 42 小时被木星遮住一次。有一年,罗默就按这个想法,预计 6 个月之后木卫一被遮住的时间,观测的结果与预计被遮住的时间相差了大约 22 分钟。
 
罗默很聪明地想到,这差的 22 分钟就是光从地球公转的那个椭圆轨道横穿过去所用的时间。一年中的某个时候,地球离木星最近。半年之后,地球转到了离木星最远的位置。在这两个时候看木卫一,木卫一的光到达地球走过的距离是不同的。相差多少呢?差的就是从地球公转的椭圆这一头到那一头的长度。用这个长度去除以那个 22 分钟,不就把光的速度算出来了吗?
 
罗默就这样求出来光速是每秒钟 21 万多公里。这个结果现在看来当然很不精确,但却是成功的第一步。