光速知多少

1676奥勒·罗默光学，罗默测量得出，光的传播速度约为133000英里/秒（约214000千米/秒）

1. 探寻光的速度

奥勒·罗默

1672年，丹麦科学家奥勒·罗默应邀离开哥本哈根前往巴黎，成了法国的皇家数学家，他还有一个任务是教导路易十四的儿子。罗默在皇家天文台完成了大量观测。当时这里的台长是意大利天文学家乔凡尼·多美尼科·卡西尼，卡西尼发现了土星环上的缺口，直到今天，这道缝隙仍被称作“卡西尼缝”。

黑暗的卡西尼缝分开了在内侧宽广的B环和外侧的A环，这张影像是哈勃太空望远镜的先进巡天照相机在2004年3月22日拍摄的，较不明显的C环就在B环的里面。

卡西尼号拍摄的卡西尼环缝，可以在中央偏右看见惠更斯缝

2.  木星的卫星

当时卡西尼一直试图解决在海上测量经度的问题。

1610年，伽利略发现了木星最大的四颗卫星（它们被统称为“伽利略卫星”），于是他提出，可以利用这几颗星星来测量经度。这些卫星绕着木星沿固定的轨道运行，其中木卫一的轨道离木星最近，它的大小和月球差不多，公转周期还不到两天。只有在这些卫星运行到木星正面时，地球上的观察者才能看见它们，然后卫星逐渐消失在那颗巨大行星的阴影中，直到下一次重新出现在阳光下。如果水手能够测量木卫一的运行周期，再与事先制好的表格比对，就能算出自己所在的经度，因为在地球上不同地点观测到的木卫一离开木星阴影的时间会有细微的差别。但这种方法有几个问题。第一，要等待木卫一出现，你需要持续观察很长一段时间，这不是一件容易的事情，而若是空中有云遮挡，你可能根本看不见那颗卫星。另外，定点观察在陆地上很容易做到——只要有望远镜就行——但海上的船时时刻刻都在运动，几乎不可能长时间固定在某个位置。所以，利用木卫一来计算经度实际上根本不可行。尽管如此，巴黎皇家天文台的天文学家还是搜集了木卫一大量的运行数据，卡西尼也曾制作表格，预测什么时候能在地球上的各个地点观察到它。 3  发现异常罗默意识到，这些数据里隐藏着一些秘密。卡西尼的表格不太可靠，有时候需要修正，但更严重的问题是，按照表格中的数据，地球与木星的相对位置会出现有规律的异常变化。每年中有几个月的时间，地球上的人们根本看不到木星，因为它运行到了太阳背面，或者离太阳的位置太近，完全被恒星的光芒掩盖，所以无法观察。不过，当木星重新出现在我们的视野中时，它与地球的距离相当遥远（见下方示意图中的距离A）。接下来，地球在轨道上继续运行，我们与木星间的距离逐步缩小，直至抵达最近点（见下页示意图中的距离B），然后两颗行星间的距离才会再次拉开。天文学家惊讶地发现，地球与木星之间的距离最近时，我们看到木卫一的时间比木星刚刚出现在视野中的时候早了11分钟；换句话说，木星分别位于近地点和远地点时，木卫一离开木星阴影的时间有11分钟的误差。唯一可能的解释是，光需要11分钟的时间才能跑过这段距离，即A与B之间的差值。罗默并不知道地球与太阳之间的准确距离，不过根据当时最准确的估测值，他算出了光在这11分钟内的传播速度至少应该是133000英里/秒（214000千米/秒）。这个值比我们今天公认的光速（186000英里/秒或299792458米/秒）慢了大约25％，不过这毕竟是人类第一次测量光速，考虑到测量的难度，这个值已经算是非常接近。

按照罗默的1676年绘图重新绘制的版本。

在罗默论文里，他比较木卫一轨道周期的两个时间间隔：

一个是地球在朝向木星运行时的木卫一轨道周期（有向弧FG的方向），

另一个是地球背向木星运行时的木卫一轨道周期（有向弧LK的方向）。

4. 巧妙的预测

1676年9月，罗默预测称，9月9日木卫一出现的时间会比表格里的理论值晚10分钟。结果他说的完全正确。尽管如此，卡西尼仍拒绝接受罗默的假设和推理，而罗默也从未正式发表过自己的研究成果。不过，去英国访问的时候，罗默得到了牛顿和爱德蒙·哈雷的赞同和支持。后来罗默回到哥本哈根，成了丹麦的皇家天文学家，并出任了皇家天文台台长。

罗默的手稿，写于1678年月之后某日，于1913年被重新发现。木卫一的消踪或现踪时间写在图像的右手边，这应该是折纸的第一页。

选自《薛定谔的猫》（Schrodinger's Cat） 作者：（美）亚当·哈特-戴维斯 (Adam Hart-Davis)