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光年到底是多长?你得先弄清一年有多少天,一天有多少秒!

时间:2023-09-18 12:09:33 来源:简易百科 阅读量:4302

第一次看到光年这个单位,大多数人是有点懵的。

那些熟悉的单位,比如厘米还是长度单位,千克还是质量单位,怎么光年就不是时间单位了?照这逻辑,难道虎年是老虎一年跑的路程?猴年和马月都是长度了?

没可比性,光年二字已经被赋予这样的含义,这叫木已成舟,而猴年马月还没有!

但若你知道光年二字其实可连写为lightyear, 那么你就会发现,它与厘米差不多,两部分之间是乘的关系,正如厘(centi)表示百分之一,所以百分之一乘以米(meter)得到厘米,而光速乘以年自然就是长度了。

好了,光年是长度,表示光在一年的时间内走过的距离的长度。

但这里至少还有两个问题值得你搞清楚。

第一个问题是,光速是按哪个光速来算?真空中的吗?

答案是肯定的,真空中的光速是一个物理常数,用c表示,它的确切值是299792458 m/s。

所以第一个问题也就不是问题了。

第二个问题是,这里的年到底是多长时间?

呃,这个问题看起来有点麻烦!因为你知道,一年可能是365天,又可能是366天,而仔细想来,一天的具体长度也是变化的。所以,你说一年到底多长?好像一下子很难说清楚。

不过,你大概知道,秒作为时间的基本单位,它的大小是确定的。因此,光年中的年如果是确定大小,那必定包含确定的秒数。

我们来看下,常见的天和年,有哪些类型,它们所含秒数是不是确定的呢?

先来看天,也就是日。

第一个是太阳日,它是太阳连续两次到达天空最高点之间经过的时间。它的值是86400秒。

这数字有点巧吧?你大概知道,秒是根据原子物理来定义的,一个太阳日竟然刚好是243600秒,为什么?

因为秒以前就是按照将一个太阳日分成86400份来定义的!直到1967年,才采用原子物理的方法重新定义,具体定义是:

1秒定义为未受扰的基态的超精细能级之间的跃迁周期的9192631770倍。

注意,虽然秒被重新定义了,但没有改变秒的实际大小,而是兼容了之前的定义。也就是说,一天仍然近似是86400秒。只不过,秒的生产及复制的标准采用了更精密的原子物理的方法。

当然,太阳日的时间实际上在变化。具体说有两方面的变化,一是在一年内会起伏,但这种起伏有正有负,因而不会积累;二是受到月球的引潮力的作用,地球自转会逐渐变慢,所以太阳日会逐渐变长,但这种变化非常慢。所以,总的来说,太阳日一般就认为是86400秒。

第二个是恒星日,是指地球某一条子午线连续两次正对同一颗恒星时的时间间隔。因为恒星是极其遥远的,所以这个时间就是地球自转360度的周期,为23小时56分4秒。换句话说,恒星日就是地球自转周期。

由于引潮力的原因,地球自转周期会变长,所以恒星日的值也在微弱地增加。

一个有意思的问题:太阳日为什么比恒星日要长一点?

可以根据下图来理解。

1和2之间是恒星日,地球刚好完成了一次完整的自转mdash;mdash;某条子午线A再次正对恒星。但在2这个位置,子午线A处太阳的光并不是正好从头顶直射下来,地球须继续走一小段才能使太阳正对该处。

这个过程中,地球再多转一个小小的角度,达到3这个位置时,太阳高度才达到最大,所以1和3之间是太阳日。它比恒星日长3分56秒。

相比恒星日,太阳日这个名词用得更多。平时我们说一天,一般默认就是指太阳日,它就是24小时,即86400秒。我们说一年含有多少天里的天也是指太阳日。

讲完了天,再来看年。

首先是回归年,又称为太阳年(Solar year),是指太阳连续两次通过春分点的时间间隔。每个回归年的具体长度是不同的,每过一年,回归年会产生6.14times;天的长度变化。目前回归年的大小是365.24219879天,即365天5小时48分46秒,这是根据计算121个回归年的平均值得到的。

其次是恒星年,它是指地球绕太阳一周实际所需的时间。也就是从地球上观测,以太阳和某一个恒星在同一位置上为起点,当观测到太阳再回到这个位置时所需的时间。一个恒星年比一个回归年长约20分24秒。

需要说明的是,恒星年与回归年是两种不同的时间体系,恒星年只在天文上使用,它记录的是原子时。

回归年也好,恒星年也好,都是变化的,换句话说,这些年所包含的秒数都是不完全确定的。既然这些年的时间长度不确定,那么光年里的这个年不可能是这些年中的任何一个,否则光年就变成了不确定的长度了。

光年中的年是另外重新定义的一种年,叫儒略年,它等于365.25个太阳日,即365.2586400s。

儒略年原本是指儒略历中的一年的长度,指365天或366天,平均为365.25天。儒略历由凯撒大帝在希腊数学家和天文学家的帮助下设计,并于公元前45年1月1日起开始使用。因为它比实际的太阳年明显大一些,每隔128年就会增加一天,这个误差有点大,所以在1582年被公历年取代。

现在,儒略年只是天文中测量时间的单位,它的大小是365.2586400秒,也就是365.25个太阳日。儒略年并不对应特定的历史年份,因此儒略年现在与任何历法都没有关联,也与任何其他形式年的定义没有关联。

再说一下我们日常生活中常说的那个年,它叫公历年,它是公历(Gregorian calendar)中规定的一年的平均长度。公历也叫格里历,由罗马教皇格里高利十三世批准颁行,并于1582年10月15日开始使用。

公历年的大小为365.2425天,也就是365.2425X86400秒,与实际的太阳年的长度365.24219879天非常接近,在将近7700年的时间内也只会导致一天的误差,这就是格里历能取代儒略历的原因。

你可能会问,既然公历年的平均长度比儒略年的值更接近回归年,为什么不采用它来定义光年单位中的年呢?

简单的说就是,公历年牵扯到太多的东西,而儒略年既然已经退出历史舞台赋闲在家,用它来定义一个新的单位,不会有啥不好的影响,还顺便纪念了一下这个在历史上长期使用的历法年。

实际上,儒略年并不是国际单位制中的计量单位,而是专门为国际天文学联合会(IAU)使用的单位,并成为了光年定义的基础。

下面来算一下,1光年的长度到底有多大?

不错,9460730472580800米,这就是1光年的确切长度。注意,确切二字说明它没有任何近似,它的值是被人为定义的。

所以,光年与真空中的光速一样,也是一个被定义的确切值!

END


不代表中科院物理所立场

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