光年到底是多长?你得先弄清一年有多少天,一天有多少秒!


光年到底是多长?你得先弄清一年有多少天,一天有多少秒!

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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?
光年到底是多长?你得先弄清一年有多少天,一天有多少秒!

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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(centimeter)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(centimeter),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?
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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 。
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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 。
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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(Solar day),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24 3600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(上面定义中的那个长长的数字,正是迁就之前的定义的结果) 。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 。
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第二个是恒星日(Sidereal day),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 。
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1和2之间是恒星日,地球刚好完成了一次完整的自转——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(Tropical year),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6.14× 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 。


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