第一節 伽利略為何失敗(1 / 2)

失敗者乃成功之母。前人成功的經驗,給後人樹立了指向勝利的路標;失敗的教訓,給後人鋪平了坑窪不平的路麵。因此,在科學研究上,無論是成功還是失敗,都是對人類的偉大貢獻。伽利略就是這樣……

在十六世紀以前,人們對光的認識還很不充分,認為光從光源一發出,同時也就照亮了物體,光的傳播是不需要時間的。其實不然,隻不過由於光跑得太快,在一般情況下,人們覺察不出來罷了。隨著人類認識和科學技術手段的發展,人們逐漸認識到這種看法是不對的,於是,開始試著去測定光的速度。

意大利物理學家伽利略是第一個嚐試著測定光速的人。1607年的一天傍晚,伽利略和他的助手,各帶一盞燈和計時器,分別到達兩座相距很遠的山頭上。測定工作一開始,伽利略先迅速取下燈罩,給他的助手發出信號,並記下起始時刻;他的助手在另一座山頭上看見他發的信號後,隨即迅速取下燈罩,給他發回信號,他看見助手發回的信號時立即記下終止時間。因此,光在兩座山頭之間的往返,根據事先測定好的兩座山頭之間的距離和光在兩座山頭之間的往返時間,就可以算出光的速度了。但是,伽利略的實驗失敗了,光速沒有能計算出來。因為光的速度太快了,他們不知道光在1秒鍾裏就能繞地球赤道跑7.5圈,兩座山頭之間的距離和地球赤道長度相比不是太短了嗎?伽利略所選定的兩座山頭之間的距離約為1.5公裏,現在算來,光往返於這兩座山頭之17,隻需十萬分之一秒!這十萬分之一秒,人的感覺是覺察不出來的,一般的計時器也遠遠達不到這樣的精確度,何況象他那樣測量,取下燈罩和計時等動作又遠遠超過了這個時間呢。

伽利略的光速測定失敗了,但是,卻給人們以寶貴的啟示——光的速度極大,要測定出光速來,必須在非常非常大的空間距離中進行測定工作,或者采取某種特殊的實驗裝置來測定,否則是不能成功的。繼伽利略之後,許多科學家循著這兩個方向進行探索,又做了一些新的光速測定,果然獲得了成功。

丹麥天文學家羅麥是第一個采用長距離空間測定光速而獲得成功的人。1676年,他通過觀測木星的幾個衛星來測定光的速度,這樣,光所經過的路程要比伽利略的方法大得多得多了。地球和木星分別繞太陽公轉,地球和木星都各有自己的衛星。當木星的一個衛星進入自己的本影中時,木星的這顆“小月亮”便周期地發生“月蝕”現象,而“小月亮”每兩次“月蝕”的時間間隔,即“小月亮”繞木星一周所經曆的時間,應當是相等的。但是,羅麥觀測的結果,兩次“月蝕”時間間隔卻是不相等的。羅麥測出了兩次“月蝕”的平均時間。他發現:當地球和木星在太陽的同一側時,觀測木星的“月蝕”,比平均時間提前了約11分鍾;而當地球和木星分居於太陽的兩側時,觀測木星的“月蝕”,卻比平均時間延遲了約11分鍾。這樣,在太陽兩側觀測木星的衛星“月蝕”,時間相差22分鍾,這是怎麼回事呢?原來,來自木星的光線在地球和木星分居時多通過了地球繞太陽公轉軌道的直徑這樣一段長距離。羅麥設定這段距離為2.9×108千米,這樣就算出了光的速度2.2×108米/秒。由於當時的天文學還未能準確測出地球軌道直徑和光通過這段距離所用的時間,那時候的時鍾的準確性也不高,因而他所測得的光速數值偏低一些。但考慮到當時的技術條件,羅麥的工作成就卻是對人類的一個偉大貢獻,他給人們提供了一個有力的證據:光速是有限的,而且是可以測定出來的。後來,人們對他的測定誤差作了修正,采用同樣的方法去測定光速,得到的結果是這樣一個數值:3.01×108米/秒。

法國物理學家斐索是第一個采用實驗裝置測定光速而獲得成功的人。1849年,斐索在地麵上相當短的距離內,采用了一種非常巧妙的方法,對光速進行了實際測定。他測定光速方法的示意圖。在這個實驗裝置中,有一個轉動速度可連續調整的齒輪。從光源發出的光束,經傾斜放置的半透半反射鏡反射後,穿過齒輪的一個齒間空隙,投射到與齒輪相距8633米外的平麵鏡上,然後依原路反射回來,並經過原來的齒間空隙進入觀察者的眼睛裏。讓齒輪轉動起來,開始時,眼睛還能夠看見燈光,當齒輪轉速增大時,穿過齒輪空隙射到平麵鏡上的光反射回來後剛好被齒輪上空隙旁的齒所擋住,這時觀察者看不見反射回來的燈光。如果將齒輪轉速繼續增大,齒輪正好轉過一個齒,反射回來的光再穿過下一個齒間空隙而達到觀察者的眼睛裏。這樣,在這段時間裏,光已經經過了2×8633=17266(米)路程,因而觀察者重新看見了燈光。斐索設計的齒輪有720齒,轉速增大到25.2轉/秒時,第一次重新看見燈光。

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