光年是光走一年的距离,是距离单位。但是,一光年的距离光真的需要走一年吗?

莫离129758747


先说答案:一光年的距离,光的确不需要走一年。因为光不需要任何时间,别说一光年距离,就是整个可观测宇宙大小的距离(930亿光年),光经过也不需要一点时间。光是时空脱离的界限,因此不再需要时间。

物体只有在还没有达到光速的时候,其时间流逝才会有变慢的问题,这是狭义相对论的时间膨胀效应。如果物质达到光速,物质就成为光了。而光是没有时间的,所以物质在光速下不是时间流逝会变慢,而是压根没有时间。但问题是静质量不为0的物质是不可能达到光速的。这由狭义相对论的质量效应公式可以看出:


(其中m为物体的质量,m0为物体的静质量,Ⅴ为物体的运动速度,c为光速),当V→c时,分母→0,则m→+∞,也就是说当物体运动速度趋向于光速时,物体的质量会趋向于无穷大。如果宇宙是有限的,那全宇宙的能量都不够推动这个物体的。当然这个结论是基于光速不变原理得出的,即光速对于任何参考系都是个常数。光速是个常数在理论上是来自于麦克斯韦的联立方程组的推导,在实践上和观测上也屡屡被证实。比如在大型对撞机上,无论对粒子用多大能量加速,粒子总也达不到光速。这就是光速限制原理。


好了,扯的远了,说这么多,是因为题主在描述中说到人在光速飞船过一年和地球过一年不同的问题。通过上面所说可知,飞船是不可能达到光速的,还是那句话:如果飞船达到光速了,人在飞船里面也是光速了,人和飞船都成为光了,他们不再有时间,因此是没有什么“一年”的问题。不要认为飞船达到光速了,而人相对光速是静止的,所以人该怎么过就怎么过,照常有时间,照常吃喝过一年。

错了,不是这样的

人如果在光速飞船里,人和飞船一起脱离时空,没有什么相对绝对这一套了。爱因斯坦常说人如果达到光速,光对于人是什么样?连他也想知道,可见这个问题超过相对论的适用范围。就像“光对于人是光速,根据相对性,那人对于光是不是也是光速?”这个问题一样,在这里相对性是不管用的,因为这已经超越我们这个宇宙时空了。

这个问题到这儿应该是回答完了:一方面回答了不可能达到光速,不存在光速飞船。另一方面回答了假如真达到了会是怎样的问题――不需要走一年。但人不会满足猎奇心,那下面我们就引申一下,来谈谈亚光速的情况,这是现实能达到且更令人神往的。


人只有在亚光速飞船才有时间,才有过了一年的问题,但在亚光速飞船里的一年和在地球上过一年,对于人的体验感觉是一样长的。不同的是时间的相对性和同时的相对性:在不同参考系对同一观察对像时间的观察结果是不一样的。比如说,人乘坐亚光速飞船到半人马座的阿尔法恒星系,这个三星系统其中的比邻星距离我们地球只有4光年多一点。飞船以极为接近光的速度(光速是不可能达到的)飞往阿尔法星。在地球上的观察者看来,地球和阿尔法星是静止的,而飞船用了4年多的时间走了4光年的距离到了阿尔法星;但在近光速飞船的太空人看来,地球和阿尔法星都是运动的,地球在离飞船而去,阿尔法星向飞船而来,到阿尔发星的距离没有4光年,用了不到4年的时间到了阿尔发星。这一切都是真实的,这个飞船越接近光速,飞船用的时间越短,远远低于4年的时间就到达阿尔法星了(由于本文不涉及空间距离,在这里就不列举尺缩效应公式,至于时间膨胀公式将在下面列出)。
这里面有一个问题就是,地球人尽管测得距离阿尔法星是4光年,飞船也飞了4年多,但这是地球时间,地球观察者观察到飞船上的钟表时间变慢了(只要能看到),飞船上的太空人动作非常慢,飞船长度也变短了。而另一方面太空人认为自己的时间并没有变慢,相反,他观察到地球的时间变慢了,地球的观察者在运动方向上变短了。太空人认为自己用了不到4年的时间到了阿尔法星,那地球上的时间会过的更少。也就是说两个不同参考系的观察者相互的观察结果是相对的,地面的观察者看到亚光速飞船的人的时间流逝的很慢,同样飞船里的人观察到地面的时间流逝的也很慢。这就是“时间佯谬”,也叫双生子佯谬。这是怎么回事儿?这不和上面说的矛盾了吗?不,当然只要这个亚光速飞船一直匀速直线运动下去,不再返回地球,那飞船和地面的“一年”是“一样”的。


但如果飞船又通过减速加速返回地球,那飞船的时间就真的比地球的时间膨胀多了,过的慢多了。这是因为通过加速和减速,飞船进入了不同的参考系而真正改变了时间。飞船上过“一年”地球上真的过了N个年。双生子中当宇航员的哥哥回到地球真要比弟弟年轻的多了。这个N随飞船速度越趋近光速而 越大。具体有个公式:

其中t′为地球时间,t为飞船时间,V为飞船速度,c是光速。由式中可以看出,V→c时,分母→0,t′→+∞,也就是说飞船越接光速,飞船上即使过很少的时间,地球也会过相当长的时间,下面简单说几个速度的情况:当t=1年,V=0.99c时,t′≈7.089年。当V=0.999999c时,t′≈707年。……有兴趣的可以继续算。这个公式反过来用也行,用t′来计算t,就是用地球时间t′来计算飞船t的时间,就能算出上面乘近光速飞船用了多少时间到阿尔法星。

不过不管飞船和地球差多少年,不同参考系观察者对时间的感觉(意识时间)是一样的,而对时间流逝速度(真正的物质时间)是感觉不到的。


物原爱牛毛1


一光年是一个很大的距离,虽然光年是宇宙中基本的距离单位,但是对于人类来说,一光年之外的地方却是可望不可即,因为人类所能够运动的最快速度相对于光速来说简直是蜗牛之于火箭。


一光年的距离究竟有多远呢?简单来计算一下,光在真空沿直线传播的速度为30万公里每秒,那么一年的时间,光可以走9.64万亿公里。这是一个什么概念?日地距离为1.5亿公里,光从太阳表面传播到地球上需要的时间是500秒,地球和月球的距离为38万公里,那么光从地球传播到月球上需要的时间就是1.3秒。

比邻星,是距离太阳最近的恒星,它与地球的距离为4.22光年,这意味着哪怕是以光速飞行,从地球到比邻星,也需要4.22年的时间。美国于1977年发射了旅行者一号空间探测器,经过了40余年的飞行,旅行者一号目前已经飞出了太阳系,它的目标是比邻星,但是等到它飞到比邻星,那也是几万年之后的事了。


一光年的确是很难跨越的一个距离,假设此时有一个人以时速100公里驾驶着一辆汽车从地球到太阳,那么他需要的时间就是150万小时,也就是171年,那么如果距离进一步扩大到一光年的话,那么需要的时间就是1079万年,这简直就是一个天文数字,对于人类来说,寿命顶多不过百余年,所以说,如果速度不够快的话,人类很难走出太阳系到达另一个恒星系。

但是呢,光速虽然快,那也是有限的,所以这就意味着光的传播是有速度的也是需要时间的,但是实际上这个时间是相对于人类来说的,对于以光速运动的光子来说,它们是没有时间概念的,这是根据爱因斯坦的狭义相对论推导出来的结论,根据狭义相对论,当一个物体运动的速度越来越快的时候,时间相对于它来说就变得越来越慢,当速度达到光速的时候,时间相对于它来说就是停止了,所以,一光年距离对于光子来说可能需要一年的时间走完,有可能仅仅一瞬间就可以完成,不过时间的长短对于光子来说没有区别。


镜像宇宙


光年是光走一年的距离,是距离单位。但是,一光年的距离光真的需要走一年吗?

一个非常有趣的话题展开了,别看几句话简单描述,但这里面包含好几层含义,我们一层层来剖析!

一、一年的时间是多久?365天?366天?

在平时一年是365天还是366天都影响不大,反正我们是过整数日子的,并没打算过半天或者小半天之类!但在计算光速时突然就成了一个严重的问题,一年到底是多久?

我们以地球环绕太阳公转一圈一年的标准,当然不可能凑那么好刚好是个整数天!而且又跑出好多关于年的定义,首先来看看跟公转相关的有哪几种年?

1回归年=365.24220 平太阳日   

1恒星年=365.25636 平太阳日   

1近点年=365.25964平太阳日   

1交点年=346.62003平太阳日   

1儒略年= 365.25平太阳日

回归年和恒星年即以遥远恒星为参照物时与太阳经过同一点时的时间,两者相差1个小时左右,对我们日常当然没有区别,但对光走的路程差别就大了,而儒略年则是天文学上测量时间的单位,定位为365.25日,每天86400秒,一年总共为:31557600秒!光年的标准是计算比例以儒略年为时间单位!

二、光走一年到底是多远的距离

上文已经定义了一年的标准时间为:31557600秒

光速则为光在真空中的速度为标准:299792458m/s

那么光年很容易即可计算出来,为:9460730472580800m

三、光走一光年的时间真的是一年吗?

终于到关键问题了,一年的时间也确定了,光走一年的距离也计算出来了,那么吃瓜群众有一个问题,不知道该问还是不该问,“光走一光年真的是一年吗?"

我们还是先给出答案吧:一光年的距离对于光子来说需要的时间是0,但我们却能切切实实的观测到光需要一年的时间才能走完整个路程!这是因为在光速下光子的时间是停滞的,对于光子来说它去到任何地方都不需要时间,甚至到宇宙的尽头!这就是相对论中的钟慢效应!

换算公式如上图,t'为观测者的时间,t则为光子所经过的时间,当u=c时候,很明显t将等于无穷大,因为它永远都走不满这个时间,所以无穷大了!


星辰大海路上的种花家


严格意义上来说,一光年的距离并非是光走一年的距离,而是应该光在真空中走一年的距离,这是一个长度单位。之所以需要强调真空,是因为光的传播速度与介质有关。在非真空的介质中,光的传播速度要比真空中的光速更慢,例如,光在水中的传播速度大约为真空光速的75%。

那么,为什么真空光速会被用于长度单位的定义呢?

由于光的传播速度非常快,很早之前的人们会觉得光速是无限的。到了17世纪,天文学家罗默基于木卫一的星蚀现象确定,光速是有限的,只是速度非常快。后来的科学家通过各种方法测定,光的传播速度每秒可达30万公里。

虽然光速是常数,并且相对于任何参照系都维持恒定,但由于测量仪器的误差,我们不可能完全准确地测出光速的大小。在科学家把光速测定到一定精度之后,科学家决定舍弃掉光速的小数点,把光在真空中的传播速度定义为准确的299792458米/秒。

光速被确定之后,人们舍弃了由米原器确定1米长度的标准,转而用光在真空中传播1/299792458秒所走的距离来确定1米的长度。这样的好处是1米长度不会因为米原器的误差而发生变化,而且由于光速的定义值与此前测出的结果非常接近,这样反过来用光速来定义1米的长度不会对与长度有关的参数造成什么影响。

于是,真空中的光速被完全确定下来之后,就可以用它来定义一光年的长度。这样就不会有不确定的因素,1光年严格等于9460730472580800米。但需要注意的是,计算光年时所用的一年时长为365.25天,这是儒略年。

有了光年这样的长度单位,用于表示宇宙天体的距离就很方便,也很容易理解。不过,天文学中更常使用的长度单位是秒差距,这个单位来历已久,比光年更早出现。

另外,从某种意义上来说,对于光子本身而言,以光速运动的它们无所谓时间和空间,无论1光年,还是更远的距离,由于尺缩钟慢效应,它们都是在一瞬间抵达。不过,物理学中并不承认光速参照系。


火星一号


光年是一个长度单位,用来计量光在宇宙真空中沿着直线传播一年的时间所走的距离,它常常会被用来表示天体与天体间的距离。按照字面意思来说,就是光在宇宙中沿着直线传播一年的时间所经过的距离,光年是通过时间与光速计算出来的一个长度单位,并不是所谓的时间单位。那么,了解了光年这个单位后,我们不禁产生了疑问,难道一光年的距离真的需要光走一年吗?



答案是不确定的,不是绝对的。我们都知道,光的传播需要介质的,介质不同,其传播速度也不同,光在真空中传播速度是最快的,在除了真空以外的其它介质中都没真空中的速度快,所以光走一年的时间经过的距离与光所传播经过的介质有很大的关系。而一光年的距离只是指光在宇宙真空中走一年时间的距离,注意这里的介质是真空,必须是在真空这一介质中传播,所以严格来说,一光年的距离并不能笼统地说是光走一光年经过的距离,而应加上在真空这一介质中传播这个必要的条件,方可成立。



一光年为9460730472580800米,这是按一个儒略年(定义值为365.25天)的时间计算出来的确切值,如果我们还是用米,千米等单位表示宇宙中天体之间的距离,数据太大,未免也太麻烦了,但自从有了光年这个长度单位后,我们表示天体与天体之间的距离也就简单方便多了。


时间史


光年是天文学上的距离单位,简单的说就是真空中光行一年的距离,当然在太阳系内并不太适用,如果把奥尔特云看成是太阳系边界,太阳系的半径大约是一光年。而光速一秒钟可以绕地球七圈,这个速度飞行一年的时间可以看出来一光年距离真的很长;除此之外天文学上还有把日地距离规定成新的距离单位,一天文单温就等于一个日地距离大约是1.5亿公里;天文学上更大的距离单位还有秒差距和千秒差距,一秒差距大约3,2光年。

简单科普一下天文上的距离单位,之后我们看问题的描述:题主想知道的是光飞行一光年的距离是否真的需要一年的时间?

这个问题在相对论出现之前答案显而易将,光行一光年的距离所用时间当然是一年。但是在1905年爱因斯坦提出狭义相对论,该理论中有时间膨胀效应的推论,公式如下:

简单的理解就是:物体本身的运动速度会影响时间的流逝速度,运动的越快时间流逝速度越慢,直到速度无限接近于光速,时间无限接近于静止。

但是相对论中关于光速有两点前提:

  1. 有静止质量的物体运动速度达不到光速;

  2. 信息传递速度不能超光速;

但是光子是没有静止质量的,因此可以达到光速,那么意味着光子本身的时间是静止的,换一句话说光子可以永恒存在因为根本无时间的概念。无论飞行一光年、两光年、飞到宇宙尽头,光子都不需要时间或者是“一瞬间“到达。

在我们的参考系认为光飞行一光年的距离消耗了大约一年的时间,但是对于光本身来说并没有时间流逝,所以说并不需要一年的时间。这就是爱因斯坦时间的相对性。

除此之外广义相对论也有时间膨胀效应

此时时间流逝速度和物体所处的引力场有关,引力越大时间流逝速度越慢,或者是时空弯曲的曲率越大时间流逝越慢。在科幻剧《星际穿越》中就是这个道理,才发生了在其他天体上一小时等于地球上七年。因为那颗天体是在绕着超大质量黑洞公转,引力场是非常大的。

现在关于相对论时间膨胀效应已经在卫星导航上进行应用,卫星飞在太空中需要提前根据相对论计算时间膨胀差,并且调整导航卫星上的时间,让导航更加精准无误。



科学黑洞


这个问题涵盖的信息较大,且不同的介质条件下光的传播速度是不一样的,需要拆分进行回答。

从定义来讲,光年是根据光速和时间计算出来的长度单位,笼统的说一光年就是光在宇宙真空中沿直线传播一年所穿越的总里程,根据计算一年有60*60*24*365=31536000秒,而光在真空中的传播速度约为300000km/秒,二者相乘可求得一光年约等于9460800000000千米。

因此题中所说的光年是距离单位和一光年的距离光需要走一年这两个问题如果放在宇宙空间里都是对的,且虽然宇宙空间并非绝对的真空,但也是无限接近于真空(如月球表面已经是超高真空),因此对光的传播影响十分微弱,可以忽略不计。而且通过以上数值的计算,我们可以得出一个结果,就是光年前面的数值越大,其距离越远,比如地球到室女座本超星系团中的M87黑洞的距离约为5500万光年,它要远远大于地球到银河系中心距离的约2.6万光年,大约是2115.4倍。

由于光是宇宙中已知的传播速度最快的,且光年代表的实际距离足够远而数值相对较小,便于统计和计算,因此被作为计量天体距离的常用单位,此外天文单位、秒差距等也是常用的计量天体距离的单位之一。

前面讲到了光年所表示的距离是在真空环境下得出的,但这并不能反推出亿光年的距离光需要走一年这个结果,前者是后者的充分不必要条件。比如光在水中或在玻璃等透明物质中的传播速度要明显小于在真空中传播的速度。

不过,光年已经是一个定值约为9.461万亿千米,它就与一天文单位最早是等同于从地月系质心到太阳的平均距离一样,是人为定义的,即1天文单位等于149597870700米,不再是一个随着地月系质心到太阳平均距离的变化而变化,这样更有利于科学研究,因此也没必要抬杠说考虑到宇宙膨胀、地球自转速度减慢什么的,因为真的没有必要。


地理那些事


精确地来说光年不是光在普通意义上一年传播的距离。此外,一光年的距离,光至少要走一年,也就是说光可能还要走更长时间。物质无法达到光速,光速是有质量的物体的速度的极限,但达不到。


光年的定义

一光年的长度约为9.46万亿公里(9.46 x 10^12公里)。光年是由国际天文学联合会(IAU)定义的,具体的描述是:

光年是光在一个朱利安年(365.25天)内在真空中传播的距离。1光年精确地等于9460730472580800米。

上图:知名天体到地球的距离,以光年计算。


注意光年概念的几个要点:

  • 光年是人为确定的值

  • 光年是光在一个朱利安年在真空中传播的距离

  • 1光年的值是一个精确的值


在天文学中,朱利安年不是国际单位制(SI)中的计量单位,但它被国际天文学联合会(IAU)认可为用于天文学的非国际单位制单位。朱利安年定义为以每天86400秒计的365.25天。朱利安年的长度是在几个世纪前西方社会中使用的儒略历中的年平均长度。天文学上的朱利安年通常只是用于衡量持续时间而不用于指定日期。


我们日常使用的一年的概念是回归年

回归年(也称为太阳年)是从地球上看到太阳的在季节循环中返回同一位置的时间; 例如,从春分到春分,或从夏至到夏至的间隔时间。由于昼夜平分点的进动,季节周期与地球在太阳周围轨道上的位置并不完全同步。 因此,相对于太阳系外固定恒星测量的结果(恒星年),回归年比地球围绕太阳完成一个完整公转的时间短约20分钟。


二零零零年的回归年长度为365.24219个星历日(以遥远固定恒星来测量的一日的长度),每个星历日为86400秒,这实际上是365.24217个平均太阳日。[头条·小宇堂——未经许可严禁转载]

上图:一个恒星年是365.2564天,而一个回归年是365.2422平均太阳日(实际上每年是不同的)。


光年常用于非专业描述

在非专业和科普出版物中通常用光年来描述天体的规模和间隔距离但在专业天体测量中最常用的单位则是秒差距(大概是3.26光年)。

上图:秒差距的定义。秒差距是从太阳到具有一个弧秒的视差角的天文物体的距离。有点难懂是吧,记住1秒差距大概就是3.26光年就好了。


光在介质中的速度低于光速常量

一束光如果在透明介质(非真空)当中传播,那么它的速度必然会低于真空中的光速(也就是光速常量c)。因此如果光在一个朱利安年内穿过任何介质,那他便无法完成一光年的距离。

上图:折射现象就是光在不同的介质中因传播速度不同而形成的传播路径改变的现象,折射的角度与光在不同的介质中的传播速度存在着比例关系。这个关系由斯涅尔定律描述。


有质量的物体无法达到光速

根据狭义相对论,任何有质量的物体都无法达到光速。所以请不要动不动就扯光速飞船和超光速之类,不存在的,亲。


小宇堂


这个提问问的好,很多人考虑问题都是想当然,没几个人会思考的再深入点,尤其是权威已给出定义的情况下。



光年定义为距离单位,意指光在宇宙一年所跑过的距离。但是用光年做为距离单位,是大错特错的。 因为距离是速度乘以时间,这里有个隐含的必要假设,就是速度恒定。

可惜光在宇宙中穿越到时候,速度是非常多变的,这就牵扯到时间场的原因。

宇宙是时空的组合,时间和空间是两大要素,宇宙的大空间有一个总的时间,但是宇宙内部又有无数不同的相对单独的时间,其作用于不同的宇宙范围,时间和空间和相互结合的,这就是时间场。



不同层次,不同空间,不同范围,甚至不同星球都有各自的时间,快慢差异非常的大。那么光在层层宇宙范围穿过的时候,它的速度是不停变化的,所以光年根本就是不确定的,更不能当作距离单位。

现在基础物理和天文,有很多人是错的,都是在拿地球的小范形成的认识,去套整个宇宙,是根本行不通的。 真正从高层次解开宇宙和历史的奥秘 a.,.,.tianji.,.,.cool


铁血漫征程


光年是一个天文学概念,有这严格的定义。我们看下光年的定义:

光在宇宙真空中走一年的距离即为光年。



那么,看了定义就简单明了了,光年虽然带了个“年”字,但是却是很明显的距离单位,而且是一个可以计算的定值:即光速乘以1年,因为真空光速为299,792,458米(准确值),所以一光年等于9460730472580800米,即9.46*10^12千米。这是一个非常大的数字,达到我们无法想象。要知道地球和太阳的距离也才8光分,比1光年要小394.2万倍。而天文学家之所以创造光年这个距离单位,就是因为在宇宙中,星系直接的距离太过于遥远。如果还是用千米作为单位,那么书写将会极其复杂。所以,使用光年后,可以极大地简略宇宙空间距离的书写。比如距离我们最近的比邻星,如果写成千米,是一个16位数,计算机都已经无法完全算出精确的数值了。但是,使用光年,则可以直接写成4.22光年。

当然了,在我们眼中光年已经很大了。但是在天文学家的眼中,光年还是不够大。有一种单位,比光年好大。他就是秒差距,一个秒差距是3.2616光年。而秒差距之上则是千秒差距,万秒差距,百万秒差距等。这些我们平常根本用不到的距离单位,全部都是为天文学精心打造的。这次数字只能够说明我们的宇宙实在是太过于浩瀚。我们人类就像是微生物一样,小的没有边界。


分享到:


相關文章: