光年是光走一年的距離,是距離單位。但是,一光年的距離光真的需要走一年嗎?

莫離129758747



天文學中的距離單位是分場合使用的,在太陽系內表示距離一般用“天文單位”,一個天文單位是1.5億千米,也就是地球和太陽的平均距離。而“光年”只有在表示恆星和恆星間距的情況下才會使用,就像比鄰星距離我們4.22光年一樣。

“光年”中雖然帶了一個“年”字,但它的定義卻是“光在真空中飛行一年的距離”,因此光年其實是一個距離單位而非時間單位,一光年的具體數值為94605億千米,在地球上的我們看到系外恆星都是它們幾年甚至幾十年前的模樣。


愛因斯坦狹義相對論中的時間膨脹效應告訴我們越接近光速運動的物體,時間對它來說就越慢,而光子作為宇宙中唯一能夠以光速運動的粒子,如果它有思想的話就會感覺到自己是瞬間到達了一光年外的地方,但是低光速運動下的我們卻感覺光子用一年時間才飛完一光年的距離。

不同參考系下的觀測結果都是不同的,我們人類本身處於低光速運動之中。如果未來發明出可以無限接近光速的曲率驅動飛船,駕駛員飛行一天地球上可能就會因為時間膨脹效應而過去一年甚至更久。


駕駛員回到地球后會感覺自己只過了一天時間而已,但低光速的地球上已經過去了整整一年,這就是由接近光速時的時間膨脹帶來的後果。因此對於真正達到光速的光子來說,一光年的距離在它的感覺中是瞬間完成的。


宇宙探索未解之迷


一光年是一個很大的距離,雖然光年是宇宙中基本的距離單位,但是對於人類來說,一光年之外的地方卻是可望不可即,因為人類所能夠運動的最快速度相對於光速來說簡直是蝸牛之於火箭。


一光年的距離究竟有多遠呢?簡單來計算一下,光在真空沿直線傳播的速度為30萬公里每秒,那麼一年的時間,光可以走9.64萬億公里。這是一個什麼概念?日地距離為1.5億公里,光從太陽表面傳播到地球上需要的時間是500秒,地球和月球的距離為38萬公里,那麼光從地球傳播到月球上需要的時間就是1.3秒。

比鄰星,是距離太陽最近的恆星,它與地球的距離為4.22光年,這意味著哪怕是以光速飛行,從地球到比鄰星,也需要4.22年的時間。美國於1977年發射了旅行者一號空間探測器,經過了40餘年的飛行,旅行者一號目前已經飛出了太陽系,它的目標是比鄰星,但是等到它飛到比鄰星,那也是幾萬年之後的事了。


一光年的確是很難跨越的一個距離,假設此時有一個人以時速100公里駕駛著一輛汽車從地球到太陽,那麼他需要的時間就是150萬小時,也就是171年,那麼如果距離進一步擴大到一光年的話,那麼需要的時間就是1079萬年,這簡直就是一個天文數字,對於人類來說,壽命頂多不過百餘年,所以說,如果速度不夠快的話,人類很難走出太陽系到達另一個恆星系。

但是呢,光速雖然快,那也是有限的,所以這就意味著光的傳播是有速度的也是需要時間的,但是實際上這個時間是相對於人類來說的,對於以光速運動的光子來說,它們是沒有時間概念的,這是根據愛因斯坦的狹義相對論推導出來的結論,根據狹義相對論,當一個物體運動的速度越來越快的時候,時間相對於它來說就變得越來越慢,當速度達到光速的時候,時間相對於它來說就是停止了,所以,一光年距離對於光子來說可能需要一年的時間走完,有可能僅僅一瞬間就可以完成,不過時間的長短對於光子來說沒有區別。


鏡像宇宙


先說答案:一光年的距離,光的確不需要走一年。因為光不需要任何時間,別說一光年距離,就是整個可觀測宇宙大小的距離(930億光年),光經過也不需要一點時間。光是時空脫離的界限,因此不再需要時間。

物體只有在還沒有達到光速的時候,其時間流逝才會有變慢的問題,這是狹義相對論的時間膨脹效應。如果物質達到光速,物質就成為光了。而光是沒有時間的,所以物質在光速下不是時間流逝會變慢,而是壓根沒有時間。但問題是靜質量不為0的物質是不可能達到光速的。這由狹義相對論的質量效應公式可以看出:


(其中m為物體的質量,m0為物體的靜質量,Ⅴ為物體的運動速度,c為光速),當V→c時,分母→0,則m→+∞,也就是說當物體運動速度趨向於光速時,物體的質量會趨向於無窮大。如果宇宙是有限的,那全宇宙的能量都不夠推動這個物體的。當然這個結論是基於光速不變原理得出的,即光速對於任何參考系都是個常數。光速是個常數在理論上是來自於麥克斯韋的聯立方程組的推導,在實踐上和觀測上也屢屢被證實。比如在大型對撞機上,無論對粒子用多大能量加速,粒子總也達不到光速。這就是光速限制原理。


好了,扯的遠了,說這麼多,是因為題主在描述中說到人在光速飛船過一年和地球過一年不同的問題。通過上面所說可知,飛船是不可能達到光速的,還是那句話:如果飛船達到光速了,人在飛船裡面也是光速了,人和飛船都成為光了,他們不再有時間,因此是沒有什麼“一年”的問題。不要認為飛船達到光速了,而人相對光速是靜止的,所以人該怎麼過就怎麼過,照常有時間,照常吃喝過一年。

錯了,不是這樣的

人如果在光速飛船裡,人和飛船一起脫離時空,沒有什麼相對絕對這一套了。愛因斯坦常說人如果達到光速,光對於人是什麼樣?連他也想知道,可見這個問題超過相對論的適用範圍。就像“光對於人是光速,根據相對性,那人對於光是不是也是光速?”這個問題一樣,在這裡相對性是不管用的,因為這已經超越我們這個宇宙時空了。

這個問題到這兒應該是回答完了:一方面回答了不可能達到光速,不存在光速飛船。另一方面回答了假如真達到了會是怎樣的問題――不需要走一年。但人不會滿足獵奇心,那下面我們就引申一下,來談談亞光速的情況,這是現實能達到且更令人神往的。


人只有在亞光速飛船才有時間,才有過了一年的問題,但在亞光速飛船裡的一年和在地球上過一年,對於人的體驗感覺是一樣長的。不同的是時間的相對性和同時的相對性:在不同參考系對同一觀察對像時間的觀察結果是不一樣的。比如說,人乘坐亞光速飛船到半人馬座的阿爾法恆星系,這個三星系統其中的比鄰星距離我們地球只有4光年多一點。飛船以極為接近光的速度(光速是不可能達到的)飛往阿爾法星。在地球上的觀察者看來,地球和阿爾法星是靜止的,而飛船用了4年多的時間走了4光年的距離到了阿爾法星;但在近光速飛船的太空人看來,地球和阿爾法星都是運動的,地球在離飛船而去,阿爾法星向飛船而來,到阿爾發星的距離沒有4光年,用了不到4年的時間到了阿爾發星。這一切都是真實的,這個飛船越接近光速,飛船用的時間越短,遠遠低於4年的時間就到達阿爾法星了(由於本文不涉及空間距離,在這裡就不列舉尺縮效應公式,至於時間膨脹公式將在下面列出)。
這裡面有一個問題就是,地球人儘管測得距離阿爾法星是4光年,飛船也飛了4年多,但這是地球時間,地球觀察者觀察到飛船上的鐘表時間變慢了(只要能看到),飛船上的太空人動作非常慢,飛船長度也變短了。而另一方面太空人認為自己的時間並沒有變慢,相反,他觀察到地球的時間變慢了,地球的觀察者在運動方向上變短了。太空人認為自己用了不到4年的時間到了阿爾法星,那地球上的時間會過的更少。也就是說兩個不同參考系的觀察者相互的觀察結果是相對的,地面的觀察者看到亞光速飛船的人的時間流逝的很慢,同樣飛船裡的人觀察到地面的時間流逝的也很慢。這就是“時間佯謬”,也叫雙生子佯謬。這是怎麼回事兒?這不和上面說的矛盾了嗎?不,當然只要這個亞光速飛船一直勻速直線運動下去,不再返回地球,那飛船和地面的“一年”是“一樣”的。


但如果飛船又通過減速加速返回地球,那飛船的時間就真的比地球的時間膨脹多了,過的慢多了。這是因為通過加速和減速,飛船進入了不同的參考系而真正改變了時間。飛船上過“一年”地球上真的過了N個年。雙生子中當宇航員的哥哥回到地球真要比弟弟年輕的多了。這個N隨飛船速度越趨近光速而 越大。具體有個公式:

其中t′為地球時間,t為飛船時間,V為飛船速度,c是光速。由式中可以看出,V→c時,分母→0,t′→+∞,也就是說飛船越接光速,飛船上即使過很少的時間,地球也會過相當長的時間,下面簡單說幾個速度的情況:當t=1年,V=0.99c時,t′≈7.089年。當V=0.999999c時,t′≈707年。……有興趣的可以繼續算。這個公式反過來用也行,用t′來計算t,就是用地球時間t′來計算飛船t的時間,就能算出上面乘近光速飛船用了多少時間到阿爾法星。

不過不管飛船和地球差多少年,不同參考系觀察者對時間的感覺(意識時間)是一樣的,而對時間流逝速度(真正的物質時間)是感覺不到的。


物原愛牛毛1


嚴格意義上來說,一光年的距離並非是光走一年的距離,而是應該光在真空中走一年的距離,這是一個長度單位。之所以需要強調真空,是因為光的傳播速度與介質有關。在非真空的介質中,光的傳播速度要比真空中的光速更慢,例如,光在水中的傳播速度大約為真空光速的75%。

那麼,為什麼真空光速會被用於長度單位的定義呢?

由於光的傳播速度非常快,很早之前的人們會覺得光速是無限的。到了17世紀,天文學家羅默基於木衛一的星蝕現象確定,光速是有限的,只是速度非常快。後來的科學家通過各種方法測定,光的傳播速度每秒可達30萬公里。

雖然光速是常數,並且相對於任何參照系都維持恆定,但由於測量儀器的誤差,我們不可能完全準確地測出光速的大小。在科學家把光速測定到一定精度之後,科學家決定捨棄掉光速的小數點,把光在真空中的傳播速度定義為準確的299792458米/秒。

光速被確定之後,人們捨棄了由米原器確定1米長度的標準,轉而用光在真空中傳播1/299792458秒所走的距離來確定1米的長度。這樣的好處是1米長度不會因為米原器的誤差而發生變化,而且由於光速的定義值與此前測出的結果非常接近,這樣反過來用光速來定義1米的長度不會對與長度有關的參數造成什麼影響。

於是,真空中的光速被完全確定下來之後,就可以用它來定義一光年的長度。這樣就不會有不確定的因素,1光年嚴格等於9460730472580800米。但需要注意的是,計算光年時所用的一年時長為365.25天,這是儒略年。

有了光年這樣的長度單位,用於表示宇宙天體的距離就很方便,也很容易理解。不過,天文學中更常使用的長度單位是秒差距,這個單位來歷已久,比光年更早出現。

另外,從某種意義上來說,對於光子本身而言,以光速運動的它們無所謂時間和空間,無論1光年,還是更遠的距離,由於尺縮鐘慢效應,它們都是在一瞬間抵達。不過,物理學中並不承認光速參照系。


火星一號


光年是光走一年的距離,是距離單位。但是,一光年的距離光真的需要走一年嗎?

一個非常有趣的話題展開了,別看幾句話簡單描述,但這裡麵包含好幾層含義,我們一層層來剖析!

一、一年的時間是多久?365天?366天?

在平時一年是365天還是366天都影響不大,反正我們是過整數日子的,並沒打算過半天或者小半天之類!但在計算光速時突然就成了一個嚴重的問題,一年到底是多久?

我們以地球環繞太陽公轉一圈一年的標準,當然不可能湊那麼好剛好是個整數天!而且又跑出好多關於年的定義,首先來看看跟公轉相關的有哪幾種年?

1迴歸年=365.24220 平太陽日   

1恆星年=365.25636 平太陽日   

1近點年=365.25964平太陽日   

1交點年=346.62003平太陽日   

1儒略年= 365.25平太陽日

迴歸年和恆星年即以遙遠恆星為參照物時與太陽經過同一點時的時間,兩者相差1個小時左右,對我們日常當然沒有區別,但對光走的路程差別就大了,而儒略年則是天文學上測量時間的單位,定位為365.25日,每天86400秒,一年總共為:31557600秒!光年的標準是計算比例以儒略年為時間單位!

二、光走一年到底是多遠的距離

上文已經定義了一年的標準時間為:31557600秒

光速則為光在真空中的速度為標準:299792458m/s

那麼光年很容易即可計算出來,為:9460730472580800m

三、光走一光年的時間真的是一年嗎?

終於到關鍵問題了,一年的時間也確定了,光走一年的距離也計算出來了,那麼吃瓜群眾有一個問題,不知道該問還是不該問,“光走一光年真的是一年嗎?"

我們還是先給出答案吧:一光年的距離對於光子來說需要的時間是0,但我們卻能切切實實的觀測到光需要一年的時間才能走完整個路程!這是因為在光速下光子的時間是停滯的,對於光子來說它去到任何地方都不需要時間,甚至到宇宙的盡頭!這就是相對論中的鐘慢效應!

換算公式如上圖,t'為觀測者的時間,t則為光子所經過的時間,當u=c時候,很明顯t將等於無窮大,因為它永遠都走不滿這個時間,所以無窮大了!


星辰大海路上的種花家


光年是一個長度單位,用來計量光在宇宙真空中沿著直線傳播一年的時間所走的距離,它常常會被用來表示天體與天體間的距離。按照字面意思來說,就是光在宇宙中沿著直線傳播一年的時間所經過的距離,光年是通過時間與光速計算出來的一個長度單位,並不是所謂的時間單位。那麼,瞭解了光年這個單位後,我們不禁產生了疑問,難道一光年的距離真的需要光走一年嗎?

答案是不確定的,不是絕對的。我們都知道,光的傳播需要介質的,介質不同,其傳播速度也不同,光在真空中傳播速度是最快的,在除了真空以外的其它介質中都沒真空中的速度快,所以光走一年的時間經過的距離與光所傳播經過的介質有很大的關係。而一光年的距離只是指光在宇宙真空中走一年時間的距離,注意這裡的介質是真空,必須是在真空這一介質中傳播,所以嚴格來說,一光年的距離並不能籠統地說是光走一光年經過的距離,而應加上在真空這一介質中傳播這個必要的條件,方可成立。


一光年為9460730472580800米,這是按一個儒略年(定義值為365.25天)的時間計算出來的確切值,如果我們還是用米,千米等單位表示宇宙中天體之間的距離,數據太大,未免也太麻煩了,但自從有了光年這個長度單位後,我們表示天體與天體之間的距離也就簡單方便多了。


時間史


這個問題涵蓋的信息較大,且不同的介質條件下光的傳播速度是不一樣的,需要拆分進行回答。

從定義來講,光年是根據光速和時間計算出來的長度單位,籠統的說一光年就是光在宇宙真空中沿直線傳播一年所穿越的總里程,根據計算一年有60*60*24*365=31536000秒,而光在真空中的傳播速度約為300000km/秒,二者相乘可求得一光年約等於9460800000000千米。

因此題中所說的光年是距離單位和一光年的距離光需要走一年這兩個問題如果放在宇宙空間裡都是對的,且雖然宇宙空間並非絕對的真空,但也是無限接近於真空(如月球表面已經是超高真空),因此對光的傳播影響十分微弱,可以忽略不計。而且通過以上數值的計算,我們可以得出一個結果,就是光年前面的數值越大,其距離越遠,比如地球到室女座本超星系團中的M87黑洞的距離約為5500萬光年,它要遠遠大於地球到銀河系中心距離的約2.6萬光年,大約是2115.4倍。

由於光是宇宙中已知的傳播速度最快的,且光年代表的實際距離足夠遠而數值相對較小,便於統計和計算,因此被作為計量天體距離的常用單位,此外天文單位、秒差距等也是常用的計量天體距離的單位之一。

前面講到了光年所表示的距離是在真空環境下得出的,但這並不能反推出億光年的距離光需要走一年這個結果,前者是後者的充分不必要條件。比如光在水中或在玻璃等透明物質中的傳播速度要明顯小於在真空中傳播的速度。

不過,光年已經是一個定值約為9.461萬億千米,它就與一天文單位最早是等同於從地月系質心到太陽的平均距離一樣,是人為定義的,即1天文單位等於149597870700米,不再是一個隨著地月系質心到太陽平均距離的變化而變化,這樣更有利於科學研究,因此也沒必要抬槓說考慮到宇宙膨脹、地球自轉速度減慢什麼的,因為真的沒有必要。


地理那些事


精確地來說光年不是光在普通意義上一年傳播的距離。此外,一光年的距離,光至少要走一年,也就是說光可能還要走更長時間。物質無法達到光速,光速是有質量的物體的速度的極限,但達不到。


光年的定義

一光年的長度約為9.46萬億公里(9.46 x 10^12公里)。光年是由國際天文學聯合會(IAU)定義的,具體的描述是:

光年是光在一個朱利安年(365.25天)內在真空中傳播的距離。1光年精確地等於9460730472580800米。

上圖:知名天體到地球的距離,以光年計算。


注意光年概念的幾個要點:

  • 光年是人為確定的值

  • 光年是光在一個朱利安年在真空中傳播的距離

  • 1光年的值是一個精確的值


在天文學中,朱利安年不是國際單位制(SI)中的計量單位,但它被國際天文學聯合會(IAU)認可為用於天文學的非國際單位制單位。朱利安年定義為以每天86400秒計的365.25天。朱利安年的長度是在幾個世紀前西方社會中使用的儒略曆中的年平均長度。天文學上的朱利安年通常只是用於衡量持續時間而不用於指定日期。


我們日常使用的一年的概念是迴歸年

迴歸年(也稱為太陽年)是從地球上看到太陽的在季節循環中返回同一位置的時間; 例如,從春分到春分,或從夏至到夏至的間隔時間。由於晝夜平分點的進動,季節週期與地球在太陽周圍軌道上的位置並不完全同步。 因此,相對於太陽系外固定恆星測量的結果(恆星年),迴歸年比地球圍繞太陽完成一個完整公轉的時間短約20分鐘。


二零零零年的迴歸年長度為365.24219個星曆日(以遙遠固定恆星來測量的一日的長度),每個星曆日為86400秒,這實際上是365.24217個平均太陽日。[頭條·小宇堂——未經許可嚴禁轉載]

上圖:一個恆星年是365.2564天,而一個迴歸年是365.2422平均太陽日(實際上每年是不同的)。


光年常用於非專業描述

在非專業和科普出版物中通常用光年來描述天體的規模和間隔距離但在專業天體測量中最常用的單位則是秒差距(大概是3.26光年)。

上圖:秒差距的定義。秒差距是從太陽到具有一個弧秒的視差角的天文物體的距離。有點難懂是吧,記住1秒差距大概就是3.26光年就好了。


光在介質中的速度低於光速常量

一束光如果在透明介質(非真空)當中傳播,那麼它的速度必然會低於真空中的光速(也就是光速常量c)。因此如果光在一個朱利安年內穿過任何介質,那他便無法完成一光年的距離。

上圖:折射現象就是光在不同的介質中因傳播速度不同而形成的傳播路徑改變的現象,折射的角度與光在不同的介質中的傳播速度存在著比例關係。這個關係由斯涅爾定律描述。


有質量的物體無法達到光速

根據狹義相對論,任何有質量的物體都無法達到光速。所以請不要動不動就扯光速飛船和超光速之類,不存在的,親。


小宇堂


光年是一個天文學概念,有這嚴格的定義。我們看下光年的定義:

光在宇宙真空中走一年的距離即為光年。



那麼,看了定義就簡單明瞭了,光年雖然帶了個“年”字,但是卻是很明顯的距離單位,而且是一個可以計算的定值:即光速乘以1年,因為真空光速為299,792,458米(準確值),所以一光年等於9460730472580800米,即9.46*10^12千米。這是一個非常大的數字,達到我們無法想象。要知道地球和太陽的距離也才8光分,比1光年要小394.2萬倍。而天文學家之所以創造光年這個距離單位,就是因為在宇宙中,星系直接的距離太過於遙遠。如果還是用千米作為單位,那麼書寫將會極其複雜。所以,使用光年後,可以極大地簡略宇宙空間距離的書寫。比如距離我們最近的比鄰星,如果寫成千米,是一個16位數,計算機都已經無法完全算出精確的數值了。但是,使用光年,則可以直接寫成4.22光年。

當然了,在我們眼中光年已經很大了。但是在天文學家的眼中,光年還是不夠大。有一種單位,比光年好大。他就是秒差距,一個秒差距是3.2616光年。而秒差距之上則是千秒差距,萬秒差距,百萬秒差距等。這些我們平常根本用不到的距離單位,全部都是為天文學精心打造的。這次數字只能夠說明我們的宇宙實在是太過於浩瀚。我們人類就像是微生物一樣,小的沒有邊界。


科學探秘頻道


光年是天文學上的距離單位,簡單的說就是真空中光行一年的距離,當然在太陽系內並不太適用,如果把奧爾特雲看成是太陽系邊界,太陽系的半徑大約是一光年。而光速一秒鐘可以繞地球七圈,這個速度飛行一年的時間可以看出來一光年距離真的很長;除此之外天文學上還有把日地距離規定成新的距離單位,一天文單溫就等於一個日地距離大約是1.5億公里;天文學上更大的距離單位還有秒差距和千秒差距,一秒差距大約3,2光年。

簡單科普一下天文上的距離單位,之後我們看問題的描述:題主想知道的是光飛行一光年的距離是否真的需要一年的時間?

這個問題在相對論出現之前答案顯而易將,光行一光年的距離所用時間當然是一年。但是在1905年愛因斯坦提出狹義相對論,該理論中有時間膨脹效應的推論,公式如下:

簡單的理解就是:物體本身的運動速度會影響時間的流逝速度,運動的越快時間流逝速度越慢,直到速度無限接近於光速,時間無限接近於靜止。

但是相對論中關於光速有兩點前提:

  1. 有靜止質量的物體運動速度達不到光速;

  2. 信息傳遞速度不能超光速;

但是光子是沒有靜止質量的,因此可以達到光速,那麼意味著光子本身的時間是靜止的,換一句話說光子可以永恆存在因為根本無時間的概念。無論飛行一光年、兩光年、飛到宇宙盡頭,光子都不需要時間或者是“一瞬間“到達。

在我們的參考系認為光飛行一光年的距離消耗了大約一年的時間,但是對於光本身來說並沒有時間流逝,所以說並不需要一年的時間。這就是愛因斯坦時間的相對性。

除此之外廣義相對論也有時間膨脹效應

此時時間流逝速度和物體所處的引力場有關,引力越大時間流逝速度越慢,或者是時空彎曲的曲率越大時間流逝越慢。在科幻劇《星際穿越》中就是這個道理,才發生了在其他天體上一小時等於地球上七年。因為那顆天體是在繞著超大質量黑洞公轉,引力場是非常大的。

現在關於相對論時間膨脹效應已經在衛星導航上進行應用,衛星飛在太空中需要提前根據相對論計算時間膨脹差,並且調整導航衛星上的時間,讓導航更加精準無誤。



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