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光年是一个非常特殊的单位 , 里面有个“年”字 , 看起来表示时间 , 但其实是度量距离的单位 。 这个长度单位在日常生活中根本用不到 , 因为它实在是太大了 , 只有在天文学家领域才会用到 。 那么 , 1光年究竟是什么概念呢?走1光年要多长时间?
随着天文望远镜的发展 , 人类借此可以窥探到更为深远的宇宙 , 也认识到了宇宙大到不可思议的程度 。 在太阳系中 , 用公里或者天文单位来表示距离还是很方便的 , 比如 , 地球到太阳的距离约为1.5亿公里 , 即1天文单位;海王星到太阳的距离约为45亿公里 , 相当于45天文单位 。
但在太阳系外 , 还有浩瀚无垠的星际空间 , 乃至星系际空间 。 在肉眼可见的星空中 , 属于太阳系的星星只有几颗 , 天上的那些繁星皆是太阳系外的恒星 , 它们的距离非常远 。 此外 , 夜空中还有几个肉眼可见的云雾状天体 , 它们有的是银河系中的星云 , 有的是距离更远的河外星系 。
1838年 , 德国天文学家弗里德里希·贝塞尔(Friedrich Bessel)首次对太阳系外的恒星距离进行测量 。 他把目标选为天鹅座的天津增廿九(天鹅座61) , 测出的距离为66万天文单位 , 即99万亿公里 。 如此遥远的距离 , 究竟是如何测出来的呢?
这就要讲到十分巧妙的视差原理 。 试想一下 , 竖起拇指 , 然后把手伸直 , 闭上右眼 , 用左眼把拇指对准前方一个目标 , 保持不动 。 接着 , 再闭上左眼 , 睁开右眼 , 就能看到目标相对于拇指发生了移动 , 这就是视差 。 利用同样的原理 , 可以测出恒星的距离 。
先在一月份的某天对一颗恒星进行观测 , 记录它相对于其他背景恒星的位置 。 然后在半年后的七月份某天 , 当地球在公转轨道上转动到了太阳的另一侧时 , 再对这颗目标恒星进行观测 , 并记录它的相对位置 。
结合半年之间的两次观测结果 , 可以测出这颗恒星的视差角 。 由于地球到太阳的距离是已知的 , 再根据三角函数关系 , 就能算出恒星的距离 , 这就是用于恒星测距的三角视差法 。
在测出天津增廿九的距离后 , 人们第一次认识到星际空间的广袤 。 不过 , 当时光速的确切值是多少并不知道 , 而且光速是不是常数也不清楚 , 所以光年并没有被提出来 , 天文单位仍然是最大的长度单位 。
到了19世纪中叶之后 , 光速的测量精度有了显著的提高 。 麦克斯韦在提出麦克斯韦方程组后 , 从中推导出了真空中的光速是常数的重要结论 。 在这之后 , 爱因斯坦创立狭义相对论 , 更是明确了光速是宇宙中的一个基本常数 , 而且不会随着参照系的选择而改变 。
于是 , 科学家利用光速创造出一个巨大的长度单位 。 在光速被足够精确测量出来之后 , 科学家基于测量结果 , 把光速定义为了299792458米/秒 。 光在真空中前进1年的距离即为1光年 , 光速(速度)乘以1年(时间)得到就是距离 , 约为9.4607×10^15米 , 或者9.4607万亿公里 。
对于人类来说 , 1光年的距离极其遥远 。 如果我们每秒能走1.5米 , 走完1光年将需要长达2亿年的时间 。 如果改坐普通飞机 , 也要120万年的时间 。 就算速度为每秒10公里的宇宙飞船 , 也要耗时3万年 。
如果用光年来表示天津增廿九的距离 , 相当于10.4光年 , 这样非常便于表示遥远恒星的距离 。 光年无疑直接表示的是距离有多远 , 但这个特殊的单位其实还能间接体现出时间的概念 。
从光年的定义出发可知 , 天津增廿九距离地球10.4光年 , 这意味着这颗恒星发出的光需要耗时10.4年才能到达地球 。 也就是说 , 我们现在接收到的是天津增廿九在10.4年前发出的光 。 而它现在发出的光还在去往地球的路上 , 还要再过10.4年 , 我们才能接收到这些光子 。
因此 , 当我们观测宇宙时 , 距离看得越远 , 相当于看到了越久之前的时间 。 不过 , 空间一直在膨胀 , 宇宙一直在变大 , 尽管理论最远观测距离可达465亿光年 , 但最远所能追溯到的时间只有138亿年 。
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