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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30天文单位 。
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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 。
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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 。
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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 。
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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 。
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【1光年有多远?光走1光年,真要1年的时间?光:只要一瞬间】
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 。
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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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