速度的詞彙中,除了我們常見的時速之外,相信大家也一定聽過音速與光速兩個速度名詞。但大家知道光速這個速度名詞是如何測定的嗎?又是哪位科學家將光速測定出來的呢?其實,光速測定是一位來自丹麥的天文學家奧勒·羅默在 1676 年測定的成果,而 Google 為了紀念光速測定滿 340 週年,特別在首頁換上了當初測定光速的科學家奧勒·羅默的動畫,以及當初測定光速時所使用的公式與器材,以紀念測定光速 340 週年紀念日。

[Google Doodle] Ole Romer 奧勒·羅默 光速測定 340 週年紀念日

 

在討論光速測定之前,我們先來聊聊何謂光速?白話一點的說法,光速意指光在真空中的速率,是一個物理常數,同時也是目前世界上發現最快的速度名詞,當物體在真空狀態中,移動速度達到精確值為 299,792,458 公尺每秒(≈3.00×108 m/s)時,也就是在真空狀態中,移動速度達到約 30 萬公里/秒的時候,就會進入光速。而光速移動速度之快,以物體繞行地球赤道一圈的距離來看,光速大約可以在一秒內繞行地球赤道七圈之多。

[Google Doodle] Ole Romer 奧勒·羅默 光速測定 340 週年紀念日

(圖片引用)

 

而光速測定,是在 1676 年時,被當時就職於巴黎天文台的丹麥天文學者奧勒·羅默實驗驗證的,當時羅默估計,傳播等同於地球繞太陽公轉軌道直徑的距離,光波需要大約 22 分鐘時間,這大約等於 220,000公里每秒,比實際數值低了 26%。不過,後來發現這可能是因為木星的軌道根數的錯誤所造成的誤差,使得羅默認為木星比實際更接近太陽。至於羅默怎樣計算出這數值,大部分資料在 1728 年哥本哈根的大火中已遭到焚毀,大火中僅存一篇手稿,內容有約 60 筆從 1668 年至 1678 年觀察木衛一蝕的數據資料。值得注意的是,內容除了記載約 60 筆資料外,還同時紀載了分別在兩個衝日點 1672 年 3 月 2 日、1673 年 4 月 2 日兩邊的兩組觀察數據。在一封於 1677 年 9 月 30 日寫給惠更斯的信裏,羅默表示,這些從 1671 年至 73 年的觀察數據是運算的主要依據。

[Google Doodle] Ole Romer 奧勒·羅默 光速測定 340 週年紀念日

(圖片引用)

 

存留下來的手稿是在最後一筆天文觀察紀錄(日期為 1 月 6 日)之後才撰寫完成,因此是在羅默寫信給惠更斯之後,而羅默似乎在蒐集關於伽利略衛星被掩蔽的數據,並且紀錄在一本備忘錄裡。手稿也紀錄了在衝日點 1676 年 7 月 8 日兩邊的觀察數據,這是羅默發表結果的依據。不過,事情可沒有想像中這麼順利。在 1676 年 8 月 22 日時,卡西尼向巴黎的皇家科學院宣布,他將會改變他計算木衛一蝕所使用的方法。他也表示出原因:「這二個不等式似乎是因為光波需要一段時間從衛星傳播至我們,光波似乎需要 10 至 11 分鐘來傳播等同於地球繞太陽公轉軌道半徑的距離。」最為關鍵的,卡西尼預測,1676 年 11 月 16 日的木衛一蝕的現蹤時間會比先前計算方法得到的結果早 10 分鐘。雖然並沒有任何關於木衛一蝕 11 月 16 日現蹤,只有 11 月 9 日現蹤的觀察數據紀錄,但羅默則是用這證據於 11 月 22 日解釋他的新算法給皇家科學院的學者。雖然,皇家科學院的原本會議紀錄已不存在,但是羅默發表紀錄已被刊登於 12 月 7 日《學者期刊》(Journal des sçavans)的新聞報告。這篇報告又被翻譯與發表在 1677 年 7 月 25 日。在當時,羅默的理論頗具爭議性,他無法讓那時在巴黎天文台擔任主任的喬凡尼·卡西尼完全接受他的理論。但是,他的理論很快的讓克里斯蒂安·惠更斯、艾薩克·牛頓等等許多自然哲學者肯定。後來,到了 1729 年,英國天文學者詹姆斯·布拉德雷(James Bradley)對於恆星視差的解釋,確認了羅默的觀測結果的正確性。