前言

纵观科学探索的漫长旅途，偶然的发现就像夜空中闪烁的星星，虽然微小却璀璨夺目。这些意外的收获往往是探寻另一事物的副产物，是科学探索道路上的意外之喜；这些发现的背后是曲折复杂的故事，让追寻真理之路变得神秘又充满魅力。今天我们分享关于木星卫星的故事——两个科学里程碑式的发现。

【木星与四颗卫星 图片来源：维基百科】

伽利略卫星：木星的四大卫星

在天文学的漫长历史中，望远镜的发明无疑是一个重要节点。1608年，荷兰眼镜师汉斯·利普尔希（Hans Lippershey）制造了第一架望远镜，这一发明很快引起了意大利科学家伽利略（Galileo Galilei）的注意。伽利略马上制作了自己的望远镜，并将其用于观测星空，开启了宇宙观测时代。

1610年 初 ，伽利略 在观察木星时，发现周围有三颗小而亮的星星，两颗在东侧，一颗在西侧。刚开始他只是将它们当作普通的恒星，只是它们在天空中的视觉位置和木星靠的比较近。但第二天，他发现这三颗星星却都跑到了木星的西侧；第三天，他发现，只有两颗出现在东侧，另一颗消失了。如果这三颗星星和恒星的话，短时间内它们在星空中和木星的相对位置是不会有这么大的变化的。因此，伽利略就假设这三颗星星在围绕着木星运动。通过 长达一个月的木星观测， 他 确信 有四颗星星 始终 以不 同的距离围绕木星转动。在 1610年3月，他 认定这些星星 就 是木星的卫星 。为 了纪念伽利略的 重大 发现，这些卫星被命名为“伽利略卫星”，它们分别是木卫一、木卫二、木卫三和木卫四。

Sidereus Nuncius (Starry Messenger), Galileo Galilei, 1610

木星卫星的位置变化记录

图片来源：维基百科

与此同时，德国天文学家西蒙·马里乌斯（Simon Marius）也独立地发现了这四颗卫星。马里乌斯与天文学家约翰内斯·开普勒（Johannes Kepler）一起，赋予了这些卫星独特的名称。他们选择了希腊神话中被宙斯（木星Jupiter的罗马名）引诱或绑架的女性名字，即IO、Europa、Ganymede和Callisto，来命名那四颗被木星捕获的卫星。这一略显恶趣味的命名方式在后续得到了广泛认同，尽管伽利略本人对于这套命名十分抵制，他更倾向于使用罗马数字来表示这些卫星。

木星卫星的发现为日心说提供主要支撑。波兰天文学家哥白尼在1543年发表的《天体运行论》中提出了完整的日心说宇宙模型，然而支持者甚少。在1609年之前，人们普遍认为地球是宇宙的中心，其他天体都围绕地球运转。1610年伽利略发现了围绕木星运转的四颗卫星，这一发现直接挑战了当时盛行的地心说，为日心说提供了至关重要的证据，表明除了地球之外，木星也有自己的卫星系统。

《天体运行论》中哥白尼的宇宙观 图片来源：维基百科

遗憾的是，这一发现极大地挑战了教会的权威，哥白尼被软禁长达九年，甚至被迫宣布自己的理论是错误的。不过，时间会证明这一理论的先进性。

经度的确定

除了推动天文研究进步之外，伽利略的发现还具有实际应用。在大航海时代，确定船舶在茫茫大海中的精确位置是一项极具挑战的任务。纬度的测量相对简单，通过观测北极星的高度就可以确定。但是经度的测量却复杂得多，因为它需要精确的时间同步。西班牙、荷兰和英国在不同时期都提供了大笔奖励，以期实现经度的精确测定。

伽利略观察到的木星卫星的周期性日食现象（即木星卫星运行至木星的背面，无法被地球上的观察者看到），为解决这一难题提供了新的思路。伽利略提出，可以通过观测木星卫星的日食来确定经度。这种方法的原理是，木星日食的发生时间是固定的，在地球上某一确定的经度上观测到这些日食的时间也是确定的——作为已知参考时间，可以通过比较当地的观测时间和已知参考时间的差异来计算出两地经度的差异，从而确定任何地方的经度值。但事实上，这一方法在现实中仍较难实现，通过移动船上的望远镜观察伽利略卫星的困难较大。

伽利略于1616 年申请了 6000 金杜卡特的西班牙奖品，终身养老金为每年 2000 美元。二十年后他又申请了荷兰奖，然而那时他被怀疑为异端而遭软禁。

科学的发展必然经历一系列阻挠与挑战，但这并不能阻挡科学的进步。任何一个发现都可能对自然科学的发展起到巨大的帮助。下面，我们就要介绍这样一个偶然而奇妙的发现——光速的初步计算。

光速的测量

18世纪之前，人们普遍认为光速是无限的，这一观点得到了亚里士多德和笛卡尔的支持。然而，伽利略提出了不同的看法，他认为光只是很快，但还达不到无限，可惜他设计的实验只能证明光速远高于音速，想要得到光速的具体数值还远远不够。有趣的是，伽利略也不曾想到，他所追求的答案可以由自己发现的木星卫星来解答。

伽利略卫星的日食现象被视为一个精确的天文时钟，引发了一系列观测浪潮。1676年，丹麦天文学家罗默（ Ole Roemer ）经过长时间观察，发现地球在K点时观测到的木卫一日食现象比在L点观测到的约晚三分钟半。 地球的位置 相对于 木卫一的轨道周期长度没有影响，所以一定有其他因素导致了他所看到的 日食开 始时间的差异。就在那时，罗默意识到他所看到的是光在木卫一和地球之间传播所需的时间差异。 如果光速是有限的，就能够解释这一点：当地球靠近木星时，观察到的木卫一日食间隔缩短；远离时，木卫一日食间隔延长。

左：Roemer在1676年发表的Measurement of the speed of light中的插图

右：Roemer在1676年记录的IO（木卫一）日食现象。（时间已标准化，从午夜而非中午开始计小时数）

图片来源：维基百科

在长达八年的观测过程中，罗默终于确定了光延迟的计算方法。他将延迟换算为地、日、木夹角与平角的比例，即 Δt = 22*（α⁄180°） min。当角度 α 为 180° 时，延迟时间变为 22 分钟（实际上，从点 E 是看不到木星的），这可以解释为光线穿过相当于地球轨道直径 H 到 E 的距离所需的时间。由此，他估算出光穿过地球轨道直径需要22分钟^[1]。

18世纪初，科学家们根据进一步计算出光速约为每秒227,000公里^[2]。计算方法如下图：

光速的计算

图片来源：https://www.youtube.com/watch?v=GhWqm4LZqus

这一数值与目前的精确测量值（299,792,458 m/s）相比已经较为接近，在科学史上是里程碑式的进步。可惜之处在于当时对地球的公转半径估计不准确，所以和光速的真实值之间存在一定差异。

以上的故事告诉我们，科学之路充满了神秘和意外，有些发现对于当下的意义尚不明确，却会在未来的探索中起到意想不到的关键性作用。正是这些点滴累积的努力，让人类得以不断接近自然的真相，在复杂而浩瀚的自然界中发现隐藏的规律，推动科技与文明的进步。

参考文献

[1] FRIEDMAN A J. ROEMER, NAVIGATION, AND THE SPEED OF LIGHT [J]. American Journal of Physics, 1986, 54(7): 583.

[2] 沈乃澂.真空中光速的精密测量——长度单位米定义的基础[J].物理,2016,45(12):790-797.