17世纪以前,“光速无限”是科学界的普遍共识。亚里士多德认为光“因某物存在而非运动”,伽利略的地面灯光实验因距离过短无果,直到一种周期性天文现象——木星卫星的掩食(木卫食),为人类揭开了光速的神秘面纱。丹麦天文学家奥勒·罗默通过追踪这一现象,成为首个用实验证实光速有限的科学家。
1671年,就职于巴黎天文台的罗默开启了对木卫一的系统观测。这颗最靠近木星的卫星,以42.5小时的固定周期环绕木星运行,每当它进入木星的阴影区域,就会发生“木卫一蚀”,从地球视角看便是突然消失又重现的规律现象。起初,罗默将其视为精准的“天文时钟”,试图通过观测数据编制经度测量表,却意外发现了反常之处。
按照木卫一的公转周期计算,每次掩食的时间间隔应恒定不变,但实际观测中,这一间隔会随地球公转位置变化而波动。当地球向木星靠近时,木卫一“现踪”的时间比预测早;当地球远离木星时,“现踪”则不断推迟。经过数年积累,罗默发现这种时间差的累积效应十分显著——1676年,他计算出地球从离木星最近到最远的过程中,木卫一蚀的总延迟竟达22分钟。
这个看似微小的时间差,正是破解光速之谜的关键。罗默大胆提出:“这并非木卫一公转周期变化,而是光线传播需要时间。”他构建的模型清晰地解释了这一现象:木星与木卫一的运动是稳定的,但地球在公转轨道上的移动,改变了光线从木卫一到达地球的距离。距离变长时,光需要额外时间传播,导致观测到的掩食时间推迟。
1676年11月,罗默在巴黎科学院公开其结论,并预言11月9日的木卫一蚀将比传统星历表计算的时间推迟10分钟。天文台的观测精准验证了这一预言,为他的理论提供了强有力的证据。结合当时已知的地球轨道半径近似值,罗默推算出光速约为22万公里/秒——尽管比现代精确值(299792公里/秒)低26%,但这是人类首次得到的光速定量数据。
这一发现的意义远超数值本身。它彻底颠覆了“光速无限”的传统认知,为后来的光学研究奠定基础。尽管当时巴黎天文台台长卡西尼曾提出质疑,但惠更斯、牛顿等学者纷纷支持罗默的理论。1729年,英国天文学家布拉德利通过恒星光行差现象进一步证实了光速有限,其测算的光速值已与现代数值十分接近。
罗默的突破得益于宇宙赋予的天然实验场——木卫食现象提供了足够遥远的距离尺度,让光速有限的效应得以显现。从望远镜中的微小偏差到撼动物理学的重大发现,这一过程印证了科学探索的本质:于常规中发现反常,于细微处探寻真理。如今,光速已成为物理学的基本常量,而木卫一蚀承载的科学记忆,仍在诉说着人类用智慧丈量宇宙的最初尝试。