| 第二节 雨行差和光行差 我们知道，雨点打在行进汽车玻璃窗上的雨迹是从前向后斜的。为什么会是这样的呢？因为在汽车上看雨点有两种运动，一是垂直下落运动，二是汽车不能带动雨点，它和窗外景物一起有一个向后倒退的运动。这两种运动的合成的雨点当然是向后偏斜的。所以，在一个完全没有风的下雨天，人们由于走动就必须将伞稍微向前倾斜一定的角度才能将雨完全挡住，也就是这个道理。这种现象我们可以把它叫做雨行差。 如果雨滴是从汽车的顶棚上掉下的，这种雨滴是被汽车所带动，它就是垂直下落而不向后偏斜了。 出生于英国格洛斯特郡舍博恩的布拉德雷一直在观测恒星周年视差。按照哥白尼的日心体系，地球每年绕太阳一周公转，地球上的观察者必定可以看到较近的恒星相对于较远的恒星背景有一个周期性的位移，位移的方向与地球轨道的向径相平行。1725年，布拉德雷利用一台212英尺长的望远镜确实发现了恒星位移。观测结果表明，通过格林威治天顶的天龙座γ星每年有约20弧秒的微小周期性位移。但奇怪的是，该位移的方向并不像预想的那样与地球轨道向径平行，而是垂直，相差90度。 布拉德雷很久想不通这是怎么一回事。到了1728年，有一天他在泰晤士河上划船，发现船上飘着的旗帜飘动的方向不仅取决于风向，还取决于船前进的方向，这启发他解开了那奇怪的位移之谜。 道理很简单，在一个完全没有风的下雨天，人们由于走动就必须将伞稍微向前倾斜一定的角度才能将雨完全挡住，这个角度只取决于雨的下落速度和人的步行速度。人走得越快，雨伞就必须向前倾斜得越厉害。 光的情况与此极为相似。光从某颗恒星沿某个方向以速度c射到地球上，同时地球以30公里/秒的速度绕太阳运转。望远镜就像雨伞一样，必须朝地球前进的方向略微倾斜，才能使光线笔直地落到透镜上。望远镜这个略微的倾斜导致了一年之中恒星的视位移，而位移的方向恰好与地球轨道的径向垂直。布拉得雷把这个20弧秒的小小的倾角称为“光行差”。其实把地球比作汽车，把光比作雨点，光行差也就是雨行差了。 由于汽车不能带动雨点才能产生雨行差，所以只有地球不能带动光才能产生光行差。而光又是在以太中传播的，可推得地球也不能带动以太。当然啦，火车呀，汽车呀什么的就更不能带动光或以太了。 根据光行差的大小，布拉德雷可以重新计算光速。上个世纪时，丹麦天文学家罗伊默曾经依据木卫食推算过光速，这次布拉德雷可以得出更准确的数值。结果表明罗伊默的光速值基本上是对的。光行差的发现不仅证明了地球是运动的，而且也提供了测量光速的另一种方法。 布拉德雷虽然没有发现恒星周年视差，但证明地球在运动的目的已经达到。由于恒星出人意料地遥远，恒星周年视差还得等一百年才被发现。 为了观测光行差，布拉德雷系统细致地给整个星空定位，在这一过程中，他还发现恒星的赤纬除光行差外还有一处微小的变化。这显然是地球自转轴有微小的周期性移动所致，他称之为地球的章动。1732年，他提出章动的原因是月球对地球各处引力不平衡造成地轴摆动。为了进一步研究章动问题，布拉德雷将自己的恒星观测精确到了2弧秒，在这样的精度内还没有发现恒星周年视差，足见恒星是相当遥远的。1748年，布拉德雷公布了自己多年来对恒星的观测资料，系统分析了光行差和章动现象。 1733年，布拉德雷测量了木星的直径，发现比地球直径大得多；1742年，哈雷去世，布拉德雷被任命为格林威治天文台第三任台长。据说，当国王准备给他提高薪水时，他拒绝了这一好意，他害怕皇家天文学家的薪水太高必导致许多投机钻营者觊觎，反而使真正的天文学家得不到这一职位。 总而言之，光`行差是这样的一幅图景：地球以30公里/秒的速度在静止的以太中穿行。从地球上看天顶的光有两种运动，一是从天顶垂直向地面射来的速度为c=300000公里/秒的真运动，二是因地球不能带动光，光以v=30公里/秒的速度沿地球前进方向作倒退的视运动。所以，地面上的望远镜应向地球运动的方向倾斜一个角度α并且 tgα=v/c 由上式可求出α=20.5”，这与实际的观测结果完全相符。 光行差有两个重要结论：一是地球不能带动光。否则就象雨滴从汽车的顶棚上掉下时，它被汽车带动垂直下落不向后偏斜而没有雨行差的道理一样，我们当然就看不到光行差了。 二是光从天顶某颗恒星以垂直地面的速度c射到地面上，同时地球又以30公里/秒的速度v绕太阳运动。望远镜必须朝地球前进的方向略微倾斜一个角度α，才能使光线笔直地落到透镜上。tgα=v/c=30/300000，由此得α=20.5”， 实际观测也是α=20.5”。因此，从地球上看天顶的光是合运动，它是斜边，而v和c是直角边。也就是说，我们已经看到了大于光速的光——从地球上看天顶射向地面的光。这是大于光速的一个反例，只要这样一个反例就完全可以否定光速不变原理。 |