首頁 » 1光年有多遠?光走1光年,真要1年的時間?光:只要一瞬間

1光年有多遠?光走1光年,真要1年的時間?光:只要一瞬間
2021/11/02
2021/11/02

光年是一個非常特殊的單位,裡面有個「年」字,看起來表示時間,但其實是度量距離的單位。這個長度單位在日常生活中根本用不到,因為它實在是太大了,只有在天文學家領域才會用到。那麼,1光年究竟是什麼概念呢?走1光年要多長時間?

隨著天文望遠鏡的發展,人類借此可以窺探到更為深遠的宇宙,也認識到了宇宙大到不可思議的程度。在太陽系中,用公里或者天文單位來表示距離還是很方便的,比如,地球到太陽的距離約為1.5億公里,即1天文單位;海王星到太陽的距離約為45億公里,相當于30天文單位。

但在太陽系外,還有浩瀚無垠的星際空間,乃至星系際空間。在肉眼可見的星空中,屬于太陽系的星星只有幾顆,天上的那些繁星皆是太陽系外的恒星,它們的距離非常遠。此外,夜空中還有幾個肉眼可見的雲霧狀天體,它們有的是銀河系中的星雲,有的是距離更遠的銀銀河外星系。

1838年,德國天文學家弗裡德里希·貝塞爾(Friedrich Bessel)首次對太陽系外的恒星距離進行測量。他把目標選為天鵝座的天津增廿九(天鵝座61),測出的距離為66萬天文單位,即99萬億公里。如此遙遠的距離,究竟是如何測出來的呢?

這就要講到十分巧妙的視差原理。試想一下,豎起拇指,然後把手伸直,閉上右眼,用左眼把拇指對準前方一個目標,保持不動。接著,再閉上左眼,睜開右眼,就能看到目標相對于拇指發生了移動,這就是視差。利用同樣的原理,可以測出恒星的距離。

先在一月份的某天對一顆恒星進行觀測,記錄它相對于其他背景恒星的位置。然後在半年後的七月份某天,當地球在公轉軌道上轉動到了太陽的另一側時,再對這顆目標恒星進行觀測,並記錄它的相對位置。

結合半年之間的兩次觀測結果,可以測出這顆恒星的視差角。由于地球到太陽的距離是已知的,再根據三角函數關係,就能算出恒星的距離,這就是用于恒星測距的三角視差法。

在測出天津增廿九的距離後,人們第一次認識到星際空間的廣袤。不過,當時光速的確切值是多少並不知道,而且光速是不是常數也不清楚,所以光年並沒有被提出來,天文單位仍然是最大的長度單位。

到了19世紀中葉之後,光速的測量精度有了顯著的提高。麥克斯韋在提出麥克斯韋方程組後,從中推導出了真空中的光速是常數的重要結論。在這之後,愛因斯坦創立狹義相對論,更是明確了光速是宇宙中的一個基本常數,而且不會隨著參照系的選擇而改變。

于是,科學家利用光速創造出一個巨大的長度單位。在光速被足夠精確測量出來之後,科學家基于測量結果,把光速定義為了299792458米/秒。光在真空中前進1年的距離即為1光年,光速(速度)乘以1年(時間)得到就是距離,約為9.4607×10^15米,或者9.4607萬億公里。

對于人類來說,1光年的距離極其遙遠。如果我們每秒能走1.5米,走完1光年將需要長達2億年的時間。如果改坐普通飛機,也要120萬年的時間。就算速度為每秒10公里的太空船,也要耗時3萬年。

如果用光年來表示天津增廿九的距離,相當于10.4光年,這樣非常便于表示遙遠恒星的距離。光年無疑直接表示的是距離有多遠,但這個特殊的單位其實還能間接體現出時間的概念。

從光年的定義出發可知,天津增廿九距離地球10.4光年,這意味著這顆恒星發出的光需要耗時10.4年才能到達地球。也就是說,我們現在接收到的是天津增廿九在10.4年前發出的光。而它現在發出的光還在去往地球的路上,還要再過10.4年,我們才能接收到這些光子。

因此,當我們觀測宇宙時,距離看得越遠,相當于看到了越久之前的時間。不過,空間一直在膨脹,宇宙一直在變大,儘管理論最遠觀測距離可達465億光年,但最遠所能追溯到的時間只有138億年。

在我們看來,光走1光年的距離需要1年的時間。但從光的角度來看(如果有的話),它們不管走1光年,還是走100億光年,其實只要一瞬間就能到達,這涉及到了狹義相對論的時間膨脹效應。

根據相對論,速度越快的參照系,時間相對過得越慢。當速度足夠逼近光速時,時間流逝速率也會隨之接近于零。假設一艘太空船以99.999985%光速前進時,飛船上過1天,相當于地球上過5年。如果飛船速度達到99.99999996247%光速時,飛船上的1天相當于地球上的100年。

只不過飛船是有靜質量的,無論如何都不會達到光速,所以飛船上的時間不會完全停止流動。而光子沒有靜質量,可以並且也只能以光速前進。對于光來說,沒有時間的概念,時間是靜止的,光無論走多遠,就算從宇宙的一端到另一端,都只需一瞬間。但在人類看來,光在1年的時間裡只能走1光年,這就是相對論的相對概念。




用戶評論