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只要抬头注视太阳,无论何时何地,都能感受到它刺眼的光芒。而实际上,太阳每时每刻散发出来的光照射到地球,都要经过8分钟左右的传递才行。也就是说,我们每一次看到的都是8分钟之前的太阳。

与我们相伴的太阳,光芒照射尚且需要一定时间。如果是更远的恒星,所需的时间就更多了!

正是在这种背景下,仅使用光年一个单位来表达宇宙之间的距离,会出现很多局限。这时候,另一个比光年还要“可怕”的尺度标准诞生了。

另外的一套尺度

日常生活中,我们测量较短的距离用厘米、分米,距离拉长则用米和千米,由于地球的距离范围有限,因此千米就能测量到地球上的任意一个角落了。

然而,随着人类开始仰望星空,才渐渐意识到,我们平时所用的最大距离单位“千米”,放在太阳系乃至宇宙空间里,小到可以忽略不计。

如此一来,如果仍旧用千米计算星体之间的距离,就会出现“把1千米换算成毫米而形成的巨大数值”。从书写和表达的角度看,所有的数据最低都是亿位数起步,连读下去都根本无法进行了。

建立一套新的尺度单位势在必行,可又该用什么来做标准呢?历史上,我们使用的长度单位各国的标准都不统一,直到进入近现代社会后,各国为了方便交流,才都先后改用了公制,也可称之为国际单位制。

同样,要建立一套测量星体和宇宙的尺度单位,标准必须是大家公认、且是固定不变的数值才行。

就这样,围绕地球和到太阳的距离,以及太阳光照射到地球所需时间的数值和标准逐渐确立了下来。

太阳到地球之间的平均距离

地球绕着太阳不停公转,虽然运行的轨道不是绝对圆而是椭圆,但运行的过程是基本不变的。

天文学家由此就想到,找到地球到太阳之间的平均距离,并将这一数值固定下来,不就成为新尺度单位的基础数值了嘛。

最开始的定义是,地球绕太阳公转形成的椭圆轨道半长轴长度,作为新尺度单位中的基础数值,正式的表述名称是天文单位。

随后在上世纪70年代,国际天文联合会又将这一数值进一步精确化。该联合会是世界上研究天文学的一个权威机构,1919年在布鲁塞尔成立,是由此前的几个天文学组织整合而来的。

这里插一句额外话,要想成为该联合会的个人会员,必须是博士起步。我国于1935年,也成为该联合会的国家会员,时至今日在其中的个人会员一共有669名。

截止到2020年,该联合会一共有82个正式的会员国,总计的会员有12120位。其中美国的个人会员最多,有2084名会员。

所以说,由这帮天文学家来制定测量宇宙的尺度单位,其权威性应该是最高的了。也因此在1976年,经过当时会员们的一致定义和确认,天文单位的这个数值就被确定了下来,其具体的数值换算成米为149597870700。

当然,在天文学领域的日常表达中,科学家们不会用这一长串数字表达,而是将其称为一个天文单位,英文的缩写是AU,也可以写成ua、au、a.u.。

从上世纪70年代至今,天文单位的概念,也可以简单理解为太阳到地球之间的平均距离。

到了2012年,天文学家在定义上又进行了一定的改动,除去了日地平均距离的概念,直接以精确的149597870700米来定义。

数值不变,但在概念上去掉了太阳和地球的距离关系,之所以要重新定义,是因为地球公转的轨道时间有变化。如果将这一概念继续引入天文单位里,可能会产生不精确或不必要的歧义。

而且,重新以米来定义天文单位,就又引出了另一个天文学领域的长度单位——光年。

光速背后的距离长度

了解天文常识的人都知道,光年和天文单位一样,都属于长度单位。光年概念和数值确立的背后,是光在真空环境中的速率,也即我们所知的光速,这个数值也是固定的。

它的精确数值是每秒299792458米,不懂物理学的网友,也不必去纠结这个数值最初是怎么计算出来的,你只需记住这个数值也是固定不变的,它就是一个物理常数。

也因此简单理解的话,在概念上,可以将这一固定数值,理解成为常规长度单位中的毫米。这么大的数值,用常规长度单位去理解只是毫米级别?那是因为,这只是光每秒的速率,在秒之上,还有分、时、日、年。

以长度概念去理解,光速也能称为光秒,在这之上有光分、光时、光日、光年。每递增一级,它的数值也是按照常规的时间60进制来计算的。在天文学领域,这些距离单位是常用的,而大众日常见到最多的,基本就只有光年这一个单位。

那么,光年在内的这一系列长度单位,和上面提到的天文单位又有什么关系呢?

太阳光照射到地球上大约需要8分钟,在1976年国际天文联合会的定义中,光传播产生的这段距离,也就是1天文单位。

如果以光年这些长度单位来换算的话,光在8分钟所传播的距离也就是8光分,也因此8光分等于1天文单位。

而光年则是指代光在一年内传播的距离,继续换算下来,1光年就大约是63240个天文单位。也可以理解成。是63240段太阳到地球之间的距离。换算成米就是9460730472580800米。

如此之大的数值,用1光年来替代的话,表达和书写上就简单多了。你觉得它很大,然而将这一数值放到宇宙空间内,瞬间就小到还不如九牛一毛了。

以我们所处的银河系为例,它的直径就介于100000光年到180000光年之间。如果跳过星系团和星系群的概念,直接上升到超星系团,像拉尼亚凯亚超星系团,它的直径就达到了500000000光年。

这时候,回头再去看天文单位、光年等尺度标准,它们在事实上就又变“小”了。怎么办呢?其实还有稍大一点的尺度标准。

组合而来的秒差距

秒差距这个概念,相比于天文单位和光年,普通大众接触更少。在天文学领域,它原本就是测量恒星距离的最古老方法。

最早在1913年,赫伯特·霍尔·特纳组合出了英语“秒差距”这个词。和其他的天文学数值一样,你也不用试图去理解秒差距是怎么计算的。你只需了解,1秒差距约等于3.26光年,206000天文单位,31兆公里即可。

在天文学领域,由于秒差距是天文观测的原始数据,通常不用再进行换算,就能进行快速的计算。所以在天文学领域,科学家们日常依然用秒差距来计算和定义。相比于大众了解的光年,秒差距的优势更明显。

简单理解起来就是,光年这些尺度单位,还能简单科普给大众了解。而秒差距的计算相对复杂,就是科学家们的一种日常计算和表达方式。

而且从其表达的尺度来看,实际上也并不比光年真正大多少。所以科学家们日常使用的时候,尤其要描述更大的宇宙尺度时,还会再加上更大数值的前缀。

比如,描述银河系内星体间的距离,就用千秒差距来表述。如果范围进一步扩大到银河系外,描述其他星系的距离就用百万秒差距。若是这个范围再进一步扩大,就用吉秒差距来描述。在国际单位制里,吉咖(G)表示的是10的9次方,也就是10亿。

秒差距组合更大数值的前缀,这样就能表述更远和更长的距离了。从大众的角度去理解,这样的表述方式,也就是天文学领域最大的长度单位了。

在天文学的日常使用中,较常用的是千秒差距和百万秒差距,而吉秒差距则较少使用。这倒不是说宇宙的尺度就在这个范围之内,最大的可能是,以人类现有的技术,我们所能探索到的距离,也就介于百万秒差距和吉秒差距之间了。

从太阳到地球之间的距离,又扩展到光年,再到更大数值组合成的秒差距,宇宙的距离尺度,大到完全超出人们的想象。

说到这里,或许人们就会生出另外一个疑问。我国两千多年前就已经制定出了精确的天文历法,那时候的人们,他们又是怎么做到准确计算星体之间的距离的呢?

结语:10万里,地球到太阳距离

《周髀算经》记载,还在西周时期,当时的天文学家就会用勾股定理再加上比例换算,来测量太阳的大小以及到地球的距离。

具体的方法是,用8尺长的空心竹管瞄向太阳,当观测到的太阳,正好位于管子另一端的中孔位置,那么竹管长度和孔径所得到的数值,就是日地距离和太阳直径的换算比例。

此外,再利用竖起竹管来观察不同季节里太阳的影子,由此再经过比例换算以及勾股定理,当时的人们得出太阳到观测点的距离为10万里,其直径为1250里。

虽然现在真实的数据和古时的计算有误差,但主要是因为当时的人们相信天圆地方的理念,他们以地球是平面的基础上进行计算的。不过,古人所运用的数学原理倒是没错。

不管是古代的计算,还是现在天文学领域确定新的尺度标准,其测量和制定的本质,都是围绕最基础的距离日地距离,最基础的速率光速来进行的。

或许在未来的某一天,当人类掌握了星际航行的技术后,宇宙尺度单位就又会更新了。

原文链接:https://www.toutiao.com/article/7309688734734680628

 

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