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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。 eeSZP3yRvFIow71eQc677dy08a334hgD5TX9/N0SOME992mVVzRFKewsRsF1kSku

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