光的速度-相对论前传_【微文阅读推荐】

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经过了漫长的前面几篇文章的阅读，我们终于要开始真正进入到相对论的世界了，如果说相对论是隐藏在山谷中的桃花源的话，那么正是“光”引导着懵懂的人类拨开草丛，沿着蜿蜒的小溪进入一个幽暗的洞穴，穿出洞穴，然后一切突然豁然开朗，桃花源就在眼前。
说相对论就必须要谈谈人类对光的传播速度的探索历程，你必须再耐着性子，压着对相对论到底是什么的强烈好奇，和我一起回顾一下人类和自然界中最普通也最神秘的光的故事（不是罗大佑的光阴的故事，而是光的故事），注意，这绝对不是废话，“光”是我们本书最重要的主角之一。

第一个对光速无限大提出质疑的人就是我们的老熟人伽利略先生，伽利略从哲学的角度思考，认为物质从一个地方到达另一个地方不需要时间是一件无论如何都无法想象的事情，上帝既然创造了空间，那么就不应该再创造出可以无视空间存在的东西。伽利略毕竟是伽利略，他不仅仅是停留在对光速无限大提出质疑上，而是着手开始用实验来测量光速。
我们来看看伽利略是怎么做的。伽利略一行四人，分成两组，分别登上两座相隔甚远的山峰，每组各自携带一个光源。很不幸的是，那个时代能够让伽利略他们挑选的光源只有两样：火把和煤油灯。伽利略他们只好带上两盏自己改良后的煤油灯，其实只是做了一个简单的改进，就是在煤油灯的一面加上了一个滑盖，这样亮光就被挡住了。如果把滑盖迅速地拉起，亮光就会照**出来，通过快速地拉动滑盖就能制造出从远处看来煤油灯一闪一闪的效果。除了两盏煤油灯外，还需要两只一模一样的钟摆计时装置（这种装置也是伽利略发明的，利用钟摆的等时性原理制成，是摆钟的前身），以及记录数据的纸笔。好了，这就是伽利略他们全部的装备。各位如果你们现在来到山顶，拿着这些装备，得到的任务是测量光速，你会怎么办？你是不是会一筹莫展呢？且看我们的大科学家伽利略是怎么做的吧。

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30万公里每秒的话，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，但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。

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，特别是在秋冬天，你晚上八点左右的时候抬头看天，哪怕城市里面的灯光很亮，天上只能看见少数的几颗星星，那颗最大最亮的星星准保是木星，绝对错不了）。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22.5万公里每秒，已经和真相差得不远了。罗默最大的贡献在于他用详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划上了句号，整个物理学界都认同了光速是有限传播的。

接下来的事情就像一场比赛，大家比赛看谁能更精确地测量出光速。在这场比赛中，有两大阵营，就是天文学家阵营和物理学家阵营。天文学家用天文观测的方法来计算光速（除了利用我们前面说到的类似罗默观测木星卫星的方法来观察其他行星的卫星，还有一种方法叫光行差，这里不多介绍，有兴趣自己网上查），而物理学家试图在实验室中精确地测量出光速。刚开始，天文学家一直跑在前面，毕竟光的速度太快了，在天文的大尺度范围内显然更容易观测到因为光速有限而产生的各种天文现象，但对实验物理学家来说，要想让实验的精度提高到足以测量光速，那真是比登天还难。不过，普通大众总是更愿意相信实验室中的数据，毕竟天文观测离我们太遥远，人们迫切地希望能在实验室中真正测量出光速来，毕竟看得见摸得着的实验设备还是更让人觉得温暖一点，但是想要提高实验精度谈何容易。因此一直到罗默证明光速有限后又过去了170多年，直到1849年，法国物理学家菲索（1819-1896）想出了一个绝妙的主意来测量光速，这个点子实在是太棒了，下面我们来看看菲索的旋转齿轮法是如何测定光速的，凡是见过这套实验设备的人无不拍案叫绝。
菲索的旋转齿轮法的原理图如下：

一束光穿过齿轮的一个齿缝**到一面镜子上，然后光会被反**回来，我们在这个镀了银的半透镜后面观察（这种镜子有种特殊的性质，就是一半的光会被反**掉，一半的光会被透**过去，这种现象一点都不稀奇的，你在家里对着窗户朝外看，如果明暗合适，就既能看到自己的影像又能看到外面的景物，这就是光的半透**现象），你想一下，如果齿轮是不转的，那么被反**回来的光原路返回，仍然通过那个齿缝被我们看到。此时，你开始转动齿轮，在刚开始转速比较慢的时候，因为光速很快，光仍然会通过这个齿缝回来。但是当齿轮越转越快，越转越快，总会到那么一个特定的速度时候，光返回的时候这个齿缝刚好转过去了，于是光被挡住了，我们就看不到了那束光。当齿轮的转速继续加快，快到一定程度时，光返回的时候恰好又穿过了下一个齿缝，于是我们又能看见了。这样的话，我们只要知道齿轮的转速，齿数，还有我们的眼睛距离镜子的距离，就能计算出光速了。注意，这个实验的最伟大之处就是不再需要一个计时器了，之前所有的实验室测量都失败的根本原因都在于找不到有足够精度的计时器。但是你们也别以为菲索很轻松，事实上因为光速实在太快了，菲索只能不断地加大光源到镜子的距离，这样就对光源的强度提出了更高的要求，还要不断地提高齿轮的齿数，齿数太少精度也不够，就这样，在菲索不懈的努力下，终于当齿数上升到720齿，光源距镜子的距离长达8公里之遥，转数达到每秒12.67转的时候，菲索欢呼一声，他首次看到了光源被挡住而消失了，当转速被提高一倍以后，他又再次看到了光源。菲索终于胜利了，他计算出了光的速度是31.5万公里/秒，和光速的真相已经咫尺之遥了。

光速测量的比赛还在继续，各种各样的新方法被发明出来，实验精度一步步地提高，但是我们就不再继续深究下去了。我只想通过前面的讲述让你明白人类在对光速测量之路上是如何艰难跋涉的，光速也绝不是某人的凭空想象，是几代人的不断努力才发现的大自然的奥秘。但关于光速的故事才刚刚开始，好戏即将上演。