测量光速以丈量宇宙

这种“自然时钟”因此引起了天文学家的兴趣，1676年，在新建成的巴黎天文台工作的年轻丹麦天文学家罗默被委托了一项任务：将离木星最近的卫星——木卫一艾奥——离开木星的本影出现在人们视野中的时间制成表格。罗默很快就注意到，就像开普勒定律所预测的那样，木卫一连续两次出现之间的时间间隔并不固定，而是在一年中的6个月内越来越长，在随后的6个月内越来越短。为了进行这些测量，他使用了由惠更斯开发的精密时钟。罗默意识到，这种现象是由光速的有限性所造成的。

随着地球在公转轨道上远离木星，当木卫一绕木星一个周期后，地球与木星的距离也增加了。于是，观测到木卫一重新出现的时间被推迟了，推迟的时间长度为，当木卫一在其轨道上完成一次公转后，光经过地球所移动的路径所需要的时间。在地球靠近木星的六个月里，出现了相反的现象，木卫一每次都提前重新出现。木卫一每绕着木星公转一圈，就有几秒钟的提前或延迟，六个月之后，这个时间差累积到大约20分钟。罗默得出结论，这是光穿越地球公转轨道的直径所需的时间，即地球到太阳距离的两倍。但这个距离，也就是现在所说的“天文单位”是多少呢？

早在四年前，为了回答这个问题，巴黎天文台的另一位天文学家让·里歇尔（Jean Richer）被派往了圭亚那（现法属圭亚那）。他的任务是在圭亚那的卡宴测量火星在最接近地球的有利时刻的视差，并将这个视差与巴黎天文台在同一时刻测量的视差进行比较，巴黎的测量由天文学家让·多梅尼科·卡西尼（Jean-Dominique Cassini）执行，他是罗默的老板。要了解什么是“视差”，只需要做一个非常简单的实验。将手放到自己面前，看着食指的垂直指向，同时在同一轴线上固定一个远距标记（例如，位于大约10米外的门框或窗户框）。通过交替闭眼来进行这种观察。根据睁开的眼睛的不同，你会以不同的角度看到食指，它要么处于标记的右方，要么处于其左方。这种视角的变化就是视差效应。现在，弯曲手臂，把食指拉到距离眼睛更近的地方，重复上述实验。视差的效果被放大了。越靠近物体，两只眼睛分别观看到物体的角度的差异就越大。对于一个非常遥远的物体（理论上在无限远处），视差为零，因此这个物体可以作为参考来测量一个较近物体的视差。

在1672年的那次实验中，里歇尔是一只“眼睛”，而卡西尼是另一只，火星是“食指”，“标记”则是当晚空中火星位置附近的一颗位置固定的恒星。测量大约是同时进行的，足以确保在这两次测量之间，地球的旋转幅度没有超过卡宴和巴黎之间距离的一小部分。两次测量之间相差数分钟是可以接受的。实验结果显示，卡西尼的测量值与里歇尔的测量值之间有25弧秒的视差（当然，他们不得不等上几个月，直到里歇尔返回巴黎后再进行这一比较）。通过简单的三角测量计算，可以推断出火星当晚与地球的距离大约是从巴黎到卡宴的距离的7500倍，而两地距离是已知的，约为1700里格（7000公里）。因此，火星冲日时（即火星、地球和太阳按此顺序排成一条直线）地球与火星间距约为1300万里格（即5300万公里）。在知道主导行星运行轨道规律的前提下，这一测量足以推导出火星和地球轨道的参数，特别是地球和太阳的间距，即“天文单位”。

卡西尼和里歇尔推导出，地日距离的近似值是3000万里格，因此，可以从木卫一重新出现时的延迟出发，推断出光速大约为每秒50000里格。这个数值的准确性并不太高（我们知道，光速的实际数值非常接近300000公里/秒，或75000里格/秒），但这是人类第一次推算出光速正确的数量级。奇怪的是，罗默本人没有给出光速的数值，而是惠更斯从他的观测中推算出这一结果并发表。

对这个物理学基本参数进行的首次测定，需要把宇宙本身当作一个实验室，并且使用自伽利略时代以来精度已经大为提高的测量仪器。望远镜被固定在六分仪之上，后者可以通过非常精确的螺丝和游标系统进行定向，透镜的焦平面之上的精细标线可以让镜头准确地指向所观测的天体，误差仅在几弧秒之内。

在这些实验的观测下，宇宙展示了它的浩瀚无垠。观测涉及的巨大距离让地球和人类本身都获得了重新定位，延续了哥白尼的发现所引发的自我审视。我们不仅不是宇宙的中心，而且事实证明，我们的地球只是无限空间中的一颗渺小尘埃。文艺复兴时期的航海家的环球探索确定了地球的尺寸，即长达7000公里的巴黎-卡宴之间距离的数据，巴黎天文台的天文学家又用这个数值来测量太阳系的大小。现在，人们又有了一个增大四万倍的测量单位，即地球公转轨道的直径，它反过来又将作为确定我们到最近恒星的距离的单位。这些恒星之间的视差，即使在地球公转轨道上的两个在直径上相对的点、在相隔6个月的时间差下测量，也只有几分之一的弧秒。直到一个半世纪后，天文望远镜的进步才使我们有可能测量出这些微小的角度，并将这些恒星定位在距离我们数万个天文单位的地方。与光从太阳出发、抵达地球所需要的八分钟半不同，来自这些恒星的光需要好几年的时间才能抵达地球。

伽利略曾经梦想过的、能够测量出的光的有限速度，又为天文学增加了一个基本参数，即时间。我们今天所看到的光，有一部分是若干年前从太阳附近的某颗恒星发射来的。那些更加遥远的恒星与地球之间的距离，需要等到很久之后才能通过其他方法估算出，而来自那里的光，在到达地球之前，已经在宇宙中行进了数百万年，甚至数十亿年。通过接收这些光，我们可以破译来自宇宙遥远的过去的信息。诞生于古典时代的天文学，最初是一门关于空间的科学，后来演变成了天体物理学，即一门关于空间和时间的科学，其最终目标是研究宇宙学，也就是宇宙的历史。当然，在卡西尼和罗默的时代，情况还远非如此，但值得记住的是，这门科学在路易十四时期的伟大世纪（Grand Siècle）的天文观测中已经处于萌芽阶段。

17世纪观测天文学的进步来自于基于透镜的光学仪器的改进。在此之前的几个世纪，它们的大小一直遵循着经验的标准，当光线在空气和透明物质中的传播定律被确立后，它们的尺寸得到了更好的控制，变得更加精确。因此，以精确观测自然现象为基础的科学方法，导致了精确的数学表述，这是其最早的应用之一。 hBG3VtACXPwvHOFWk42W1y9bQziVkcffEAMDVvV5LDfZwoXseGOwFAbduMiOW5E1