光速

测量光速并非易事。光比普通事物快太多了，人类甚至在数千年里都不知道光是“运动的”。在古人的理论中（光从我们的眼睛离开，捕捉到宇宙的信息时，又把它带回来），光速被理解为无限快就可以了（毕竟我们一睁开眼睛就能看到星星）。但既然在海赛姆之后，我们把光看作外物发出后传递至人眼的“信使”，那我们就有必要厘清其具体的传播速度。

人类早期也测量过光的速度，这种尝试难能可贵，但结果是注定失败的。伽利略就曾做过一个著名的实验：他让两个人在晚上各提一盏带有遮盖物的灯，当第一个人揭开遮盖物的时候，第二个人一看见光就随之揭开自己的灯。在这种情况下，任何超出正常反应的延迟，都是由于光传播速度造成的。结合一些基本的数学推算，即可得出光速。在经过几次近距离的适应练习后（为了尽可能实现最快反应时间以减少误差），两名助理爬上相隔数里的山峰，进行最后的实验。但结果不尽人意，远距离实验中的反应时间与近距离练习时并无差别。最后，伽利略对此的结论只能是——光的传播速度“真的很快”。

但这个想法的主要问题并非出在理论上，伽利略的实验设计得十分合情合理，只是光速快得离谱，人类的反应根本捕捉不到光微乎其微的延迟。如果伽利略和助理选取相距100万千米的山峰再次实验，那么，助理看到同伴揭开灯之前，会有一个非常容易观测的延迟，大约是6秒钟。只是可惜，在地球上是无法做这种距离实验的（而且，地球也不是平的，所以100万千米外就要站在太空里，也有些不利于身体健康）。因此，对光速的首次有效估算就需要天文学观测，这无可厚非，毕竟在天文宇宙中，数百万千米的距离也是家常便饭。

虽然伽利略没能测量光速，但他确实为我们探索光速做出了一点点贡献（而且是出乎意料的）。伽利略过世几十年后，人们才对光速完成有效估算，但这得益于此前伽利略的重要发现：木星的卫星。17世纪初，人们普遍认同地心主义，认为宇宙是不停旋转的钟表，宇宙的一切——月亮、行星、太阳，甚至是遥远的星体——都围绕着地球公转。但是，当伽利略把他的新型望远镜对准木星时，看到了我们现在称为“伽利略卫星” ［艾奥（Io）、欧罗巴（Europa）、加尼美德（Ganymede）和卡利斯托（Callisto）］的天体，发现它并没有绕地球公转，而是绕着线行星（木星）转。这次发现，不仅让当时的人们感到震惊，更是第一次明确地证明地球不是宇宙中心。

艾奥是最靠近木星的卫星，也是我们确定光速的关键。因为木星有巨大的引力，艾奥以极快的速度飞驰，仅需42小时就能完成整轨绕行。用小型家用望远镜，再加上一些耐心，你也能看到艾奥的行踪：先经过木星前面，然后再绕到木星背后阴影中消失，相当于一次“月食”。而如果你想计算艾奥绕木星一圈的时间，那要关注“月食”开始的时间，这也为计算提供了一个明显的“标记点”。17世纪70年代，丹麦天文学家奥勒·罗默（Ole Rømer）在观察“艾奥之食”过程中惊讶地发现：艾奥围绕木星公转的时间似乎是变化的，经常会相差几分钟。但鉴于木星对卫星的引力保持稳定，这种时差背后肯定有蹊跷。

罗默意识到艾奥绕木星的轨道以可预测的方式变化：变化以1年为周期，颇具规律性。每当地球向木星移动时，艾奥似乎都在加速。6个月后，地球与木星距离最近，随后开始离开木星运动，这时艾奥就变慢了。6个月后，地球再次向木星移动，艾奥似乎又一次加速。当然，木星和艾奥的速度不可能迁就数亿千米外的地球。这种现象肯定出自某种观察错觉。罗默意识到从艾奥发出的光需要一定的时间才能穿过太空到达地球。地球迎向木星时，就会追赶信号，看起来信号会越来越快。如果情况相反，当地球远离木星时，就逃离信号，所以信号到达地球的时间也就越来越长。罗默甚至对光速首次做出较为准确的估算，他利用自己的时间数据，结合太阳系的布局，最终推论光速为每秒22万千米左右。这个数字虽略低于每秒约30万千米的实际值，但仍是历史性的突破，他成为首位“大概”算对光速的人。

在罗默之后的几个世纪里，人们继续测量光速，慢慢地接近真实答案。19世纪中期，法国物理学家莱昂·福柯（Léon Foucault）发明了相当巧妙的设备，设备核心是一面旋转镜片——只要旋转得足够快，就能在光束发出却尚未返回的瞬间改变其角度。福柯用旋转镜测量光速为298000千米/秒（误差值为正负500千米/秒）。20世纪70年代，某研究团队使用激光测得光速为299792.4562千米/秒，误差值仅为1米/秒：我们已经将光速误差缩减到了咫尺之间。1984年，光速测量已到达近乎完美值，科学界决定改变人类测量物体的方式。既然人们已经知道了光的准确速度，国际度量衡大会（General Conference on Weights and Measures）决定用光速来定义距离。自1984年以来，人们将“米”定义为光在1秒内传播距离的1/1299792458。此时人们测量的光速是每秒299792.458千米——误差值为0。

如今，我们理所当然认为光速是无比之快的。但在罗默最初进行的“大致范围”测量时，许多科学家都无法接受某物能传播如此之快：据说，罗伯特·胡克（Robert Hooke）就不认可这种又大又荒谬的数值，认为其相当于无穷快。他曾在1680年表示：

如此之快，超出想象……不到1秒的时间，位移相当于地球的直径——近8000英里，这个时间内想快速数完1、2、3、4也不可能：如果是这样，不如直接说是瞬时速度，我觉得也相差不大。

胡克的想法很正常，人人思考光速时都有类似的体验。1秒移动30万千米是人类完全无法想象的。但我们现在应当知道，人类的观点偶尔会略带偏颇：人类认为100万千米是很长的路，100万年是很长的时间。但在宇宙浩瀚而古老的背景下，100万年太微不足道了，一眨眼就过，难以测量，而100万千米也根本算不上距离。当我们用天文学尺度看待宇宙，我们更可能会提出反向问题：光速为什么这么慢？

艺术家乔什·沃斯（Josh Worth）设计了一个很有趣的互动工具，名为“太阳系精确得令人乏味真实比例尺图”。你真的应该抽时间玩一玩。顾名思义，该工具是一幅使用完全精确比例的太阳系示意图，从左到右排列，比例设置为月球只有1个像素宽。你从太阳的位置起步，以光速自内向外飞离太阳系。最让你震惊的一点是：你的速度太慢了。你不是在行星间飞驰而过，瞬间就穿过太阳系，而是在黑暗中爬行，艰难地慢慢前进。3分钟屏幕空空，然后才经过水星，而水星也只是一个悬挂在虚空中的小斑点。又过了漫长的3分钟，飞过金星。大约8分钟后才到达地球，15分钟后到达火星。途经火星后，开始漫长的等待游戏——你将一直盯着黑屏，45分钟后才抵达木星。如果你想到达海王星，就要等待4个小时。经过冥王星（大约5个半小时之后），你会收到一条让你深省的信息：“现在就停下来吧，想看到别的东西，需要等6771张这样长度的地图。”即使是以光速旅行，宇宙也是一个非常大的地方。

光速慢得无聊（至少从宇宙学角度来说）也有好处。正是因为其相对缓慢的速度，它才可以承载来自过去的信息，供我们观察。如果光速很快，这就不可能了。在太阳系的尺度上，两个天体的间距不出半天旅程，这个时差顶多只会带来少许不便，让我们必须耐心等待几分钟或几个小时，才能确保行星际和外星探测器能收到信息。但距我们越远，光承载的信息就越古老。我们看附近的恒星时，收到的是几十年或几百年前的样子，而当我们观察附近的星系时，收到的就是数百万年前的样子。在望远镜能力的极限观测距离内，我们甚至可以窥探数十亿年前的宇宙——我在本章开头就是在做这样的观察。遥远星系之光历经漫长的旅程，花费相当于宇宙年龄的大部分时间才到地球，因此我们可以用光回顾本质不同且更加年轻的宇宙。我们甚至可以隐约看见原始混沌中汇集而成的初代星系，观察它们在万古年间成长和演化的过程。如果光真的有瞬时速度，就相当于斩断了我们与过去千丝万缕的联系，望远镜将丧失穿梭时光的能力，宇宙的历史也将永远掩埋在神秘之中。

这就是我们“概念工具箱”的第一个利器——每当我们看向远处时，我们也在看过去。因为光速是固定的，所以“距离”和“回溯时间”在天文学中是完全交织的概念，我们可以将其互换使用。 如果我们观察1亿光年外的星系，我们看到的就是1亿年前的过去。如果我们观察50亿年前的过去，就需要选择距离相配的星系。 F79VNGF197DxuTR0p5LI2y6F1p1AbYZMDg+YC3me2Lj5zEexRrwLPgj9HYJAWaG2