科學家發現一種特殊的天文現象,首次證實了光速是有限的

天空之城 2022/11/24 檢舉 我要評論

光速大約為每秒鐘30萬公里,以這樣的速度,1秒鐘就可以繞著地球的赤道跑7圈半,光速是如此之快,以至于在過去的很長一段時間里,很多人都認為光速是無限的,無論距離有多遠,光都可以瞬間到達。

當然了,并不是所有的人都對這種觀點表示認同,比如說著名物理學家伽利略就對「光速無限」表示了懷疑。

通常來講,我們只需要測量出一個物體的運動距離和運動時間,就可以計算出它的運動速度,根據這個思路,伽利略在1638年的時候設計了這樣一個實驗:兩個人分別站在相距1英里的兩座山峰上,他們都攜帶著配有遮光板的燈,通過打開和關閉遮光板,他們應該就可以測量出看到燈光的時間差,進而計算出光速。

然而由于這個時間差太過短暫,以至于以人類的反應速度根本就不可能察覺得到,因此這個實驗最終失敗了,不過這也拉開了人類探索光速的序幕。

時間來到1676年,在這一年里,丹麥天文學家奧勒·羅默通過一種特殊的天文現象——「木衛一蝕」,首次證實了光速是有限的。

「木衛一」是木星的一顆天然衛星,其平均直徑約為3642公里,是木星的四顆伽利略衛星中的一員(由伽利略于1610年1月發現),也是太陽系中的第四大衛星。

觀測數據表明,「木衛一」有一種特殊的表現,那就是它會有規律地「突然消失」,過一段時間之后,它又會在另一個位置上「突然出現」。為什麼會這樣呢?原理其實并不復雜。

這是因為「木衛一」圍繞木星的公轉軌道與木星圍繞太陽的公轉軌道幾乎位于同一個平面上,所以我們就會從地球上觀察到,「木衛一」會有規律地「躲」到木星「背后」的陰影區,看上去就像是這顆衛星突然消失了,過一段時間之后,「木衛一」又會離開木星「背后」的陰影區,此時我們就會觀察到它在另一個位置上突然出現了。

這種天文現象就稱為「木衛一蝕」,那這跟「光速是有限的」有什麼關系呢?我們接著看。

由于地球和木星圍繞太陽的公轉并不是同步的,并且這兩顆星球的公轉軌道也不是標準的圓形,因此地球和木星的距離會不斷地發生變化(最近時的距離約為6.3億公里,最遠時的距離約為9.3億公里),具體表現為:在有些時候,地球會離木星越來越遠,有時會離木星越來越近。

奧勒·羅默的發現是:當地球處于遠離木星的運動狀態的時候,「木衛一」從「消失」到「出現」的時間間隔就會變長,而當地球處于接近木星的運動狀態的時候,這個時間間隔則會變短。

奧勒·羅默認為,「木衛一」圍繞木星公轉的軌道是固定的(公轉周期大約為42.5小時),假如光速真的是無限的話,那無論地球是在遠離木星,還是在接近木星,「木衛一」從「消失」到「出現」的時間間隔都應該是恒定的,但實際情況卻并非如此,據此就可以得出,光速其實是有限的。

簡單來講就是,假設地球正在遠離木星,在地球上的我們看到「木衛一」消失之后,它與我們的距離其實是在不斷增加,這就意味著,當「木衛一」在過了一段時間之后重新出現時,它就離我們更遠了,所以從「木衛一」發出的光就需要更多的時間才能抵達地球,在我們看來,「木衛一」從「消失」到「出現」的時間間隔就變長了。

反過來講,假設地球正在接近木星,那麼在「木衛一」消失一段時間之后重新出現時,它就會離我們更近,它發出的光就可以更快地抵達地球,所以我們就會觀察到,它從「消失」到「出現」的時間間隔變短了。

奧勒·羅默提出的觀點很快得到了科學界的普遍認同,在此之后,荷蘭天文學家克里斯蒂安·惠更斯根據該理論以及當時的天文觀測數據,首次計算出了人類科學史上的第一個光速值:每秒鐘21.4萬公里。可以看到,這與實際情況相差很多,不過以那時的觀測水平來講,這也可以理解。

總而言之,「木衛一蝕」這種特殊的天文現象,有力地證實了光速是有限的,只不過快得異乎尋常,而這也為科學家們在接下來的日子里精確地測量出光速打下了堅實的基礎。

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