光的速度-相對論前傳

經過了漫長的前面幾篇文章的閱讀，我們終於要開始真正進入到相對論的世界了，如果說相對論是隱藏在山谷中的桃花源的話，那麼正是「光」引導著懵懂的人類撥開草叢，沿著蜿蜒的小溪進入一個幽暗的洞穴，穿出洞穴，然後一切突然豁然開朗，桃花源就在眼前。

說相對論就必須要談談人類對光的傳播速度的探索歷程，你必須再耐著性子，壓著對相對論到底是什麼的強烈好奇，和我一起回顧一下人類和自然界中最普通也最神秘的光的故事（不是羅大佑的光陰的故事，而是光的故事），注意，這絕對不是廢話，「光」是我們本書最重要的主角之一。

第一個對光速無限大提出質疑的人就是我們的老熟人伽利略先生，伽利略從哲學的角度思考，認為物質從一個地方到達另一個地方不需要時間是一件無論如何都無法想像的事情，上帝既然創造了空間，那麼就不應該再創造出可以無視空間存在的東西。伽利略畢竟是伽利略，他不僅僅是停留在對光速無限大提出質疑上，而是著手開始用實驗來測量光速。

我們來看看伽利略是怎麼做的。伽利略一行四人，分成兩組，分別登上兩座相隔甚遠的山峰，每組各自攜帶一個光源。很不幸的是，那個時代能夠讓伽利略他們挑選的光源只有兩樣：火把和煤油燈。伽利略他們只好帶上兩盞自己改良後的煤油燈，其實只是做了一個簡單的改進，就是在煤油燈的一面加上了一個滑蓋，這樣亮光就被擋住了。如果把滑蓋迅速地拉起，亮光就會照**出來，通過快速地拉動滑蓋就能製造出從遠處看來煤油燈一閃一閃的效果。除了兩盞煤油燈外，還需要兩隻一模一樣的鐘擺計時裝置（這種裝置也是伽利略發明的，利用鐘擺的等時性原理製成，是擺鐘的前身），以及記錄數據的紙筆。好了，這就是伽利略他們全部的裝備。各位如果你們現在來到山頂，拿著這些裝備，得到的任務是測量光速，你會怎麼辦？你是不是會一籌莫展呢？且看我們的大科學家伽利略是怎麼做的吧。

在上山前，伽利略開始給隊員們布置任務：「卡拉齊，你和我一組去A區，貝尼尼和卡拉瓦喬一組，你們去B區。我和貝尼尼負責掌管煤油燈，卡拉齊和卡拉瓦喬負責數據記錄。貝尼尼，你給我記住，當看到我的煤油燈發出的信號時，你也立即拉開滑蓋給我信號，我一看到你的信號我就會關上燈，然後你一看到我的燈滅了，你也趕緊把燈關上，我看到你關上了燈我就迅速的又把燈打開發出信號，於是你按照前面的步驟重複，我們就這麼循環做下去，只要我給信號你就不要停。聽明白了嗎？貝尼尼。」

貝尼尼說：「是！」

看到這幅場景，如果不知道的人，保證以為伽利略是特種部隊的頭，正在打真人CS呢。

伽利略說：「卡拉齊，卡拉瓦喬，你們兩個負責記錄數據，你們聽好了，你們的任務是記錄在鐘擺的一個來回內，你們總共看到你們的同伴發出了多少次信號。任務大家都清楚了吧？還有沒有問題？」

眾人齊聲：「沒有了！」

伽利略：「有沒有信心完成任務！」

眾人齊聲：「保證完成任務！」

於是，帶著必勝的信念他們上山去了。伽利略的智慧是過人的，他已經有了用統計學的方法來消除誤差的想法。他很清楚，他們在打開關閉煤油燈的過程中，必然會有很多來自方方面面的誤差，要消除這個誤差，就必須重複做大量的次數取均值。你可以想見在那個寒風凜冽，伸手不見五指的山頂（為了實驗效果，他們還要特意選擇沒有月光、星光干擾的陰天），伽利略和他勇敢無畏的助手們為了探求光速的秘密，不知疲倦地做著開關煤油燈的機械動作，邊上還有兩個人一邊數著煤油燈開關的次數，一邊還要注意鐘擺的擺動，其難度可想而知。

然而不幸的是，雖然有必勝的信念，但卻是一個不可能完成的任務。如果伽利略地下有知光速是30萬公里每秒的話，他也只能用他的那句名言「追求科學需要特殊的勇氣」來自嘲一下了。用煤油燈和鐘擺計時器想要測量光速無異於把比薩斜塔抱起來去量一下細菌的長度，但我們仍然要向伽利略致敬，是他吹響了人類向光速測量進攻的號角。

伽利略死後又過了30多年，也就是到了1675年左右，人類終於首次證明了光是有傳播速度的，這個榮譽要授予一個丹麥天文學家，他的名字叫羅默（Olaf,Romer,1644-1710）。羅默特別喜歡觀測木星（這是最容易在地球上看到的一顆星星，很大，很亮，特別是在秋冬天，你晚上八點左右的時候抬頭看天，哪怕城市裡面的燈光很亮，天上只能看見少數的幾顆星星，那顆最大最亮的星星準保是木星，絕對錯不了）。當年伽利略第一個發現木星原來也有衛星，而且至少有四顆，這四顆衛星圍繞著木星公轉，從我們地球的角度看過去有時候這些衛星會轉到木星的背面去，於是就產生了如同我們在地球上看月食一樣的現象，木星的衛星慢慢地消失，然後又在木星的另一側慢慢出現。羅默對木星的「月食」現象整整觀察了9年，積累了大量的觀測數據。他驚奇地發現，當地球逐漸靠近木星時，木星「月食」發生的時間間隔也會逐漸縮小，而當地球逐漸遠離木星時，木星「月食」發生的時間間隔也會逐漸變大。這個現象太神奇了，因為根據當時人們已經掌握的定理，衛星繞木星的運轉周期一定是固定的，不可能忽快忽慢。羅默經過思考，突然靈光一現：我天，這不正是光速有限的最好證據嗎？因為光從木星傳播到地球被我們看見需要時間，那麼地球離木星越近，光傳播過來的用時就越短，反之則越長，這用來解釋木星的「月食」時間間隔不均現象那真是再恰當不過了。羅默的計算結果是光速是22.5萬公里每秒，已經和真相差得不遠了。羅默最大的貢獻在於他用詳實的觀測數據和無可辯駁的邏輯證明了光速有限，並且還精確地預言某一次「月食」發生的時間要比其他天文學家計算的時間晚10分鐘到來，結果與羅默預言的分毫不差，從此，光速有限還是無限的爭論划上了句號，整個物理學界都認同了光速是有限傳播的。

接下來的事情就像一場比賽，大家比賽看誰能更精確地測量出光速。在這場比賽中，有兩大陣營，就是天文學家陣營和物理學家陣營。天文學家用天文觀測的方法來計算光速（除了利用我們前面說到的類似羅默觀測木星衛星的方法來觀察其他行星的衛星，還有一種方法叫光行差，這裡不多介紹，有興趣自己網上查），而物理學家試圖在實驗室中精確地測量出光速。剛開始，天文學家一直跑在前面，畢竟光的速度太快了，在天文的大尺度範圍內顯然更容易觀測到因為光速有限而產生的各種天文現象，但對實驗物理學家來說，要想讓實驗的精度提高到足以測量光速，那真是比登天還難。不過，普通大眾總是更願意相信實驗室中的數據，畢竟天文觀測離我們太遙遠，人們迫切地希望能在實驗室中真正測量出光速來，畢竟看得見摸得著的實驗設備還是更讓人覺得溫暖一點，但是想要提高實驗精度談何容易。因此一直到羅默證明光速有限後又過去了170多年，直到1849年，法國物理學家菲索（1819-1896）想出了一個絕妙的主意來測量光速，這個點子實在是太棒了，下面我們來看看菲索的旋轉齒輪法是如何測定光速的，凡是見過這套實驗設備的人無不拍案叫絕。

菲索的旋轉齒輪法的原理圖如下：

一束光穿過齒輪的一個齒縫**到一面鏡子上，然後光會被反**回來，我們在這個鍍了銀的半透鏡後面觀察（這種鏡子有種特殊的性質，就是一半的光會被反**掉，一半的光會被透**過去，這種現象一點都不稀奇的，你在家裡對著窗戶朝外看，如果明暗合適，就既能看到自己的影像又能看到外面的景物，這就是光的半透**現象），你想一下，如果齒輪是不轉的，那麼被反**回來的光原路返回，仍然通過那個齒縫被我們看到。此時，你開始轉動齒輪，在剛開始轉速比較慢的時候，因為光速很快，光仍然會通過這個齒縫回來。但是當齒輪越轉越快，越轉越快，總會到那麼一個特定的速度時候，光返回的時候這個齒縫剛好轉過去了，於是光被擋住了，我們就看不到了那束光。當齒輪的轉速繼續加快，快到一定程度時，光返回的時候恰好又穿過了下一個齒縫，於是我們又能看見了。這樣的話，我們只要知道齒輪的轉速，齒數，還有我們的眼睛距離鏡子的距離，就能計算出光速了。注意，這個實驗的最偉大之處就是不再需要一個計時器了，之前所有的實驗室測量都失敗的根本原因都在於找不到有足夠精度的計時器。但是你們也別以為菲索很輕鬆，事實上因為光速實在太快了，菲索只能不斷地加大光源到鏡子的距離，這樣就對光源的強度提出了更高的要求，還要不斷地提高齒輪的齒數，齒數太少精度也不夠，就這樣，在菲索不懈的努力下，終於當齒數上升到720齒，光源距鏡子的距離長達8公里之遙，轉數達到每秒12.67轉的時候，菲索歡呼一聲，他首次看到了光源被擋住而消失了，當轉速被提高一倍以後，他又再次看到了光源。菲索終於勝利了，他計算出了光的速度是31.5萬公里/秒，和光速的真相已經咫尺之遙了。

光速測量的比賽還在繼續，各種各樣的新方法被發明出來，實驗精度一步步地提高，但是我們就不再繼續深究下去了。我只想通過前面的講述讓你明白人類在對光速測量之路上是如何艱難跋涉的，光速也絕不是某人的憑空想像，是幾代人的不斷努力才發現的大自然的奧秘。但關於光速的故事才剛剛開始，好戲即將上演。

---未完待續---

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