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伽利略吹響衝鋒號

在人類漫長的歷史中,大家曾一度認為光線的傳播是不需要任何時間的,也就是光的傳播速度無限大。這非常符合我們的常識,你在漆黑的房間裡面劃亮一根火柴,火柴的亮光發出的一剎那,整個房間就被照亮了,誰也沒有看到過自己的手先亮起來,然後是自己的腳再亮起來,再看到房間的牆壁慢慢顯現在黑暗中。當太陽從山後升起來的那一剎那,地面上所有的東西都同時披上了金色的外衣,誰也沒有看到過陽光像箭一樣朝我們射過來。

但是,在今天,連小學生都知道,之所以我們無法感覺到光的傳播速度,不是因為光的傳播不需要時間,而是光傳播的速度竟然達到驚人的30萬千米/秒。這是一個多麼快的速度啊,如果用這個速度跑步,一秒鐘可以繞地球7圈半。如果用這個速度從地球跑去月球,1秒鐘多一點就到了,而人類最快的飛行器阿波羅登月飛船要飛4天。你可能很好奇,這麼快的速度,到底是怎麼測量出來的?這正是本章要講述的故事——測量光速。但是所有參與這個故事的人都只猜到了開始,卻沒有猜到結局,人類對光速的測量本是一個普普通通的物理實驗行為,沒想到最後卻給整個經典物理學說籠罩上了一層烏雲。

第一個對光速無限大提出質疑的人就是我們的老熟人伽利略先生。伽利略從哲學的角度思考,認為物質從一個地方到達另一個地方不需要時間是一件無論如何都無法想像的事情,上帝既然創造了空間,那麼就不應該再創造出可以無視空間存在的東西。伽利略畢竟是伽利略,他不僅僅是停留在對光速無限大提出質疑上,而是著手開始用實驗來測量光速。

我們來看看伽利略是怎麼做的。

伽利略一行四人,分成兩組,分別登上兩座相隔甚遠的山峰,每組各自攜帶一個光源。很不幸的是,那個時代能夠讓伽利略他們挑選的光源只有兩樣:火把和煤油燈。伽利略他們只好帶上兩盞自己改良後的煤油燈。煤油燈其實只是做了一個簡單的改進,就是在燈的一面加上了一個滑蓋,當放下滑蓋時,亮光就可以被擋住,而把滑蓋拉起後,亮光又會照射出來。通過這樣快速地拉動滑蓋,就能製造出從遠處看來煤油燈一閃一閃的效果。除了兩盞煤油燈外,還需要兩隻一模一樣的鐘擺計時裝置(這種裝置也是伽利略發明的,利用鐘擺的等時性原理製成,是擺鐘的前身),以及記錄數據的紙筆。好了,這就是伽利略他們全部的裝備。各位如果你們現在來到山頂,拿著這些裝備,得到的任務是測量光速,你會怎麼辦?是不是會一籌莫展呢?且看我們的大科學家伽利略是怎麼做的吧。

在上山前,伽利略開始給隊員們佈置任務:「卡拉齊,你和我一組去A區,貝尼尼和卡拉瓦喬一組,你們去B區。我和貝尼尼負責掌管煤油燈,卡拉齊和卡拉瓦喬負責數據記錄。貝尼尼,你給我記住,當看到我的煤油燈發出的信號時,你也立即拉開滑蓋給我信號,我一看到你的信號我就會關上燈,然後你一看到我的燈滅了,你也趕緊把燈關上,我看到你關上了燈我就迅速地再把燈打開發出信號,於是你也按照前面的步驟重複,我們就這麼循環做下去,只要我給信號你就不要停。聽明白了嗎?貝尼尼。」

貝尼尼:「是!」

看到這幅場景,如果不知道的人,保證以為伽利略是特種部隊的頭,正在打真人CS呢。

伽利略繼續說:「卡拉齊,卡拉瓦喬,你們兩個負責記錄數據,你們聽好了,你們的任務是記錄在鐘擺的一個來回內,你們總共看到你們的同伴發出了多少次信號。任務大家都清楚了吧?還有沒有問題?」

眾人齊聲:「沒有問題!」

伽利略:「有沒有信心完成任務!」

眾人齊聲:「保證完成任務!」

於是,帶著必勝的信念他們上山去了。伽利略的智慧是過人的,他已經有了用統計學的方法來消除誤差的想法。他很清楚,他們在打開關閉煤油燈的過程中,必然會有很多來自方方面面的誤差,要消除這個誤差,就必須重複做大量的次數取均值。你可以想見在那個寒風凜冽,伸手不見五指的山頂(為了實驗效果,他們還要特意選擇沒有月光、星光干擾的陰天),伽利略和他勇敢無畏的助手們為了探求光速的秘密,不知疲倦地做著開關煤油燈的機械動作,邊上還有兩個人一邊數著煤油燈開關的次數,一邊還要注意鐘擺的擺動,其難度可想而知。

然而不幸的是,雖然有必勝的信念,但這卻是一個不可能完成的任務。如果伽利略地下有知光速是30萬千米/秒的話,他也只能用他的那句名言「追求科學需要特殊的勇氣」來自嘲一下了。用煤油燈和鐘擺計時器測量光速,無異於把比薩斜塔抱起來去測量細菌的長度,但我們仍然要向伽利略致敬,是他吹響了人類向光速測量進攻的號角。