科学有道理光速那么快，科学家是如何测。。。

　　一百多年前，人类历史上最伟大的科学家爱因斯坦告诉我们：光速是宇宙中最快的速度，没有什么可以超过光速。
　　直到今天，尽管偶尔有超光速现象的存在，但是绝大部分科学家仍然把这个理论奉为圭臬，并且很多时候都找到证据解释那些超光速现象的问题所在。因此，光速作为宇宙最快速度的地位，依然牢不可破。
　　那么，如此快的光速，科学家是怎么测量出来的呢？
　　实际上，对于光速的测量，经历了一个漫长的过程。人类的智慧不断进步，才终于完成了这个伟业。今天，咱们就看看，科学家是如何测量光速的。
　　亚里士多德
　　亚里士多德是古希腊时期（虽然他不是希腊人）著名的代表人物，尽管他的一些理论都被推翻了，但当时是非常盛行、甚至被捧到天上的。
　　以亚里士多德为代表的古希腊人，同样认为光速是最快的。但和爱因斯坦不一样的是，他们认为光速是无限的，也就是所谓的超距效应。也就是说，不论多远，光都可以在一端点亮的情况下，另一端在同时就能接收到这束光。因此，对于他们来说，测量光速完全是荒谬的，没有必要的。
　　这不能怪他们，毕竟那个时候，地球的距离都是他们无法驾驭的，能够驾驭欧洲的距离都不太可能。所以，不论是他们生活的范围、还是他们的科学认识，都导致了他们对光速看法的局限性。
　　伽利略
　　在大家的印象中，最能打亚里士多德脸的人，就是伽利略了。实际上，比萨斜塔的实验，基本已经被证伪了。不过，伽利略敢于提出质疑并付诸实验的精神，确实一点不假的。
　　他并不相信光速无限，坚持要自己做实验。于是，他和他的助手，爬上了两座山头，进行了实验。他的实验原理很简单，助手拿着一盏非常非常明亮的灯，用木板挡住它。然后，助手移走木板，露出灯光，伽利略计算助手移走木板和自己看到灯光的时差，用距离除以时间，就是光速了。
　　现在我们知道，伽利略的这个实验，是不可能有结果的，因为光速实在太快了。别说两座山头了，就算他们站在地球的两端，光速从一端传播到另一端（咱就按直径算，不按周长算了），也仅仅需要不到0。05秒，也就是不到50毫秒。而即使是运动员，反应速度也需要150毫秒。因此，伽利略这种方法，根本不可能测量光速，最多也就是测量一下他的反应速度。对此，他自己也是承认的。
　　罗默
　　无心插柳
　　伽利略虽然失败了，但他的贡献却让测量光速变为可能。他的实验告诉我们：想要测量光速，必须要有更远的距离。而他更重要的贡献，是告诉别人：望远镜这种东西可以看天，看星球。并且，他还发现了木星的四颗卫星，并称为伽利略卫星。而其中的木卫一，对于测量光速起到了重要作用。
　　1676年，一个叫做奥勒罗默的人，意外测得了光速的数值。
　　说起来，他这也是无心插柳，因为他只是想测量木卫一的公转周期，以作为天文上的一个精确“时钟”。这个测量方法其实很简单，如果木卫一运行到被木星挡住阳光的位置，我们是看不见它的；如果它运行出这个阴影，我们就能看见它。
　　大家可以看这个示意图，A是太阳，EFGHLK所在的圆是地球轨道，B是木星。当木卫一运行到CD之间的阴影时，我们就看不见它。因此，只要多次测量它两次出现的时间差，就知道了它的公转周期。
　　于是，问题出现了：每隔一段时间，测量的数据就不一样。
　　罗默认为，这不可能是木卫一运行不规律造成的，这不符合天体物理学的法则。唯一的解释，就是光并非瞬时传播，光速是有限的。于是，他转而开始通过这个发现，来测量光速。
　　确定量级
　　还是上面的图，假设，我们是从地球北极的上空看太阳系，那么地球、木星和木卫一，都是逆时针公转的。如果地球运行到F点时发现木卫一被木星挡住了（消踪），也就是木卫一位于C点的时候。由于光速传播需要时间，所以实际上我们在F点看到木卫一到达C点的时候，已经是几分钟之前的事了，它实际上已经在CD之间了。
　　当木卫一在D点重新出现（现踪）时，地球可能已经运行到G点了（为了方便大家看，比例会非常失衡，只要我们懂得道理就行了）。同样的，就像我们在F点看到木卫一到C点有延迟一样，在G点看木卫一到达D的时候，其实也是几分钟之前的事了。
　　木星和木卫一
　　由于木星公转速度相对较慢，我们认为它基本没动。那么，显然DG的长度要比CF短一些。因此，虽然都有延迟，但是DG距离比CF短，所以延迟也相对短一点。这意味着，我们在FG之间测量的木卫一消失的时间，要比它实际消失的时间短一点。
　　你蒙了吗？
　　针对最核心的部分，我们打个比方。
　　假设你在玩王者荣耀，但是用的网非常卡。游戏开始的时候，你还在延迟，开场10秒钟你才进场。结果你发现自己忘记开WiFi了，于是换成了WiFi。不过这个WiFi信号也不好，只比流量快一点，有8秒的延迟。结果，这局游戏已经结束了，你还在峡谷里跑了8秒钟才知道结果，因此，如果整局游戏持续了15分钟，你只玩了14分58秒。
　　懂了吧？
　　反过来说，当地球远离木星的时候，情况就是相反了的。当地球在L处发现木卫一在C处消失，又在K处发现木卫一在D处出现的时候，同样要考虑到延迟的效应。这次，就相当于你用WiFi进场玩游戏，但是中途WiFi断了改用更慢的流量，所以你玩的时间要比游戏实际的时间要长，也就是地球测量的木卫一消失出现时间比木卫一实际消失出现的时间要长。
　　然后罗默开始假设：设光速等于地球直径，而地球在木卫一公转一圈的期间移动的距离是210倍地球直径（不知道他是根据什么假设的），那么木卫一的光传播到地球的时间就要差了210秒（也就是游戏实际时间和你玩的时间差），也就是三分半钟。换句话说，当地球靠近木星的时候，木卫一消失的时间会短3。5min，远离的时候会长3。5min，加一起就是7min。
　　而实际观测的结果是，二者相差并没有7min，而且差得很多。由此可见，光在一秒钟内的传播速度，远远超过了地球直径。他推测，光速的量级大约是10的8次方米每秒。
　　别说，和现在的数据还真是一个量级虽然他的假设也有点离谱。
　　粗略计算
　　那么，确定了量级，还能更精确一点吗？
　　能。
　　对于木卫一的公转周期，虽然不是完全准确，但是基本是没有问题的，大约是42。5天。也就是说，如果观察位置不变，木卫一消失的周期也应该是42。5天。而位置如果变化了，那么就是光速传播所导致的了。
　　从1668年到1678年，罗默持续观察了11年的时间（前面讲得太多，我恐怕你连罗默是谁都忘了）。测量发现，地球距离木星最远的时候，木卫一消失的时间要比最近处晚了22分钟。而这个时间，就是地球在太阳的两侧所带来的光速移动时间。因此，只要解决地球半径的问题，就可以解决光速的问题。
　　不过，如果大家还记得我们以前【科学有道理】栏目关于日地距离测量的那一期的话，就会发现，这个时候人类还没有精确测量出日地距离。因此，罗默测出了时间，但是没有距离，这怎么算速度？
　　实际上，罗默的计算，就到此为止了。很多人认为罗默首次计算了光速，但实际上，他更多的只是提供了借鉴。另外，通过复杂的计算，他得出了光每秒传播的距离比地球直径更大，仅此而已。
　　他的论文发表出去后，被惠更斯看见了。他根据自己所掌握的天文数据，也就是比较粗略的日地距离，得到了光速大约是每秒22万公里。同时，牛顿计算的结果，是21万公里每秒。他并没有说自己是根据什么计算的，因此，我们很难相信他不是借鉴了罗默的学术成果。牛大爷和惠大爷在关于光是波还是粒子的问题上吵得不可开交，所以也有可能是牛顿不甘落在惠更斯后面，才偷偷“抄作业”吧
　　显然，不论是惠更斯还是牛顿，测量的光速都不准确，大约是现代数据的70。这是由于当时人们对于日地距离没有准确的数据，才出现了这个偏差。
　　当然，即使按照日地距离已知的情况，罗默的数据也不准。这里面可能导致误差的因素比较多，比如当时的仪器精密度、木星的运动等等。当然，木星的运动，最终也要归结到日地距离上，因为一旦日地距离确定，木星的轨道也就可以确定了。
　　不管怎么说，对于16世纪的人们来说，能够测量到这个级别，已经是相当厉害了。
　　而更精确的数据，则要等到大约200年后，我们下一期再介绍