闲聊宇宙（89）——光速与距离

文/侯工

网友Z：

你的智商真有问题，一个简单问题反复说也理解不了。你是用什么办法验证了光在太空经过299 792 458米距离的？现在我要你用距离来求出时间，而不是相反。

侯工：

这是定义，不是计算，你懂吗？不懂就别装。

网友Z：

还定义，真是没治了，你分得清定义和公式的区别吗？我问的是公式，公式是可以转换的。有已知时间和距离可以求出速度，有已知距离和速度可以求出时间，有已知时间和速度可以求出距离。光年只是距离单位，但不能用光速来测算天体距离，因为你根本做不到。
你先去了解什么叫脉动变星的星变周期？什么叫绝对星等？什么叫视星等？你了解了这些天文学知识才会知道天体距离的测算是无法用光速测算的。好比公里也是距离单位，但你是不能用公里来求出距离的。
我是问你，光速是常数，当你不知道A星与B星的距离你如何知道光花了多少时间？比教猪还费劲！

侯工：

定义是透过列出一个事件或者一个物件的基本属性来描述或规范一个词或一个概念的意义；相当于数学上的对未知数的设定赋值，即用已知的参数来设定未知数的值，并且赋予其特定的意义。例如，由于光速是个恒量，当距离一定时，就可以定义时间的单位值。定义有利于交流中的识别及认同，所以，定义不是公式。光年虽然是距离单位，它的定义是：光在1年时间走过的距离。可见光年包含着时间速度距离三个参数。

至于如何测算天体距离，那是技术问题，与定义无关。看来你的概念不清已经到了极点。你自己长个猪脑，还想去教人，哈哈。

网友A：

你先不要管Z，请你谈谈如何测量光速吧。

侯工：

1849年，斐索在地面上的实验齿轮法装置中测得光速。齿轮法的装置如下图所示：

光自垂直于图面的狭缝状光源s出发，经过透镜L0和有半镀银面的平板M1，而会聚于F点。在F点所在的平面内，有一个旋转速度可变的齿轮W，它的齿隙不遮光，而它的齿却能遮住所有会聚于F点的光。通过了齿隙的光，经过透镜L1后成为平行光，透镜L2将此平行光会聚在它自己焦点上的凹面反射镜M2的表面上。光至反射镜M2后被反射沿原路回来。如果在光由F到M2的一个往返的时间间隔t内，齿轮所旋转的角度正好使齿隙被齿所代替，则由M2反回的光受阻，在透镜L3后E处看不见光；反之，如果齿隙被另一齿隙所代替，则在E处能看见由M2反回来的光。这样，当齿轮转速由零而逐渐加快时，在E处将看到闪光。当齿轮旋转而达第一次看不见光时，必定是图中的齿隙1为齿a所代替。M2到W的距离为L。设齿轮此时的转速为每秒v圈，齿数为n，则a转到1所需的时间间隔：

t=2L/c

由于L和c已知，那么时间t就可以测量出来了。

又因为：

t=1/2nv

所以：c=4nvL

L=c/4nv

以上实验，距离、速度和时间三个参数中，只要知道其中两个，就可以计算出第三个。由于光速是个恒量，所以，距离和时间的量值都可以用光速为参数作定义。

根据以上实验的原理，就可以由近及远地测量出天体之间的距离了。比如向月球发出电磁波，测量发出到反射回来的时间，就可以测出地球到月球的距离，这是以时间和光速来测得距离的实证，至于更远的天体，也是由近及远测出来的，其中的技术问题（三角形法、视差法等）就不赘述了——但是，光速是测量距离的基本参数。