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回顧光走一年的距離,真的要一年時間?光:只是一瞬間

2024-04-28科學
宇宙一直盤踞在高空,無論白晝還是黑夜,它們始終沈默地俯視著世間萬物大地蒼生,我們敬畏它們,也好奇這個壯闊宏偉的星辰大海。因此我們仰望、我們探索、我們理解。而今科技的發展為我們探索宇宙插上了翅膀,宇宙的「眾妙之門」正在向我們開啟。 #圖文萬粉激勵計劃#

Tips:日出,指太陽初升出地平線或最初看到的太陽的出現。一般是指太陽由東方的地平線徐徐升起的時間,而確實的定義為日面剛從地平線出現的一剎那,而非整個日面離開地平線。

我們知道光的傳播速度是3X10^8m/s,是自然界最快的運動速度,因此為了將宇宙中星系之間的距離格式化,於是我們就以光在真空中行走一年的速度定義為宇宙的長度單位,稱之為光年。那麽今天的問題來了,光走一光年的距離真就要花一年嗎?

什麽是光年

光年,有「年」字聽起來像是個時間單位,然而這是個貨真價實的長度單位,是測量宇宙間天體距離的。因為宇宙間天體距離十分遙遠,用千米為單位計算十分的麻煩,光是寫數位的紙張就能堆滿一箱子,因此為了便於計算光年這個單位就應運而生了。那麽光年這個單位是什麽時候開始使用的呢?

Tips:光年, 長度單位,一般被用於衡量天體之間的距離。字面意思指:光在宇宙真空中沿直線經過一年時間的距離,為9,460‘7304’7258‘0800公尺。

17世紀以前, 科學家們認為光的傳播是不需要時間的,光是瞬時性的 。直到1676年 丹麥科學家O.C.羅默首先提出光的傳播需要時間的設想。因為早前他在探測木衛一躲到木星的另一面的時間間隔是變化的,因此他猜想光的傳播需要時間,才導致每次木星掩衛的間隔時間不同。但是當時的他人微言輕,所以他的觀點並不為主流認可。18世紀,科學技術的進步。

推動天文事業的發展,天文學家們觀測的現象越多,主流學界開始認可光是有傳播速度的19世紀上半葉,德國天文學家率先發明並使用「光年」,作為天文學上測量單位。光年,從此登上了天文學的舞台。

Tips:木星Jupiter,是距離太陽第五近的行星,也是太陽系中體積最大的行星,截至2019年已知有79顆衛星。

光年,指的是光在真空行走一年的距離。那麽光年有多長呢?光在真空中,一秒行走3X10^8公尺,換算下來就是30萬公裏,一年是365天,二者相乘,一光年就是9.46萬億公裏。地球上最快的飛機速度是 1萬1260公裏/小時,換算下來要飛越一光年的距離要耗費9萬5800年。假如用常見的客機來飛越一光年的距離則需要用122萬年。 即使是用目前最快的宇宙飛船朱諾號(26萬5000公裏/小時),要飛越一光年需花費4073年的時間。 4000多年的時間,夠人類再一次前進演化了。由此可見,宇宙之龐大,需要用光年這樣的長度單位來計算星系距離。

Tips:朱諾號一般指朱諾號木星探測器。朱諾號木星探測器是美國國家航空暨太空總署「新疆界計劃」實施的第二個探測計畫,第一個計畫是已於2006年發射的新地平線號探測器。

那麽光走一光年的距離真的需要花費一年的時間嗎?

鐘慢效應告訴你,光真的不用走一年

按我們的理解,光年是光在真空中行進一年的距離,但實際上宇宙並非是真空的,宇宙中存在著眾多的天體、宇宙塵埃、隕石等等物體,光在行進過程中並非是一帆風順,一個不小心就要變換路線。

Tips:隕石也稱「隕星」,是地球以外脫離原有執行軌域的宇宙流星或塵碎塊飛快散落到地球或其它行星表面的未燃盡的石質、鐵質或是石鐵混合的物質。

其次,宇宙並非一成不變,宇宙一直在膨脹,並且離我們越遠的星系遠離我們的速度越快,我們所看見的宇宙都是過去的記憶。 宇宙一直膨脹,雖然對光的傳播速度影響有限,但須知九層之台,起於累土,積少成多還是對光的行走速度有所拖累。 因此,在我們看來光走一年的時間是不夠的。但這是從人類角度來看的,就飛馳在宇宙中的光而言,走完一光年的距離不過是一瞬間的事。為什麽這麽說呢?這就要說到愛因史坦的相對論了。

Tips:宇宙Universe,在物理意義上被定義為所有的空間和時間(統稱為時空)及其內涵,宇宙還包括影響物質和能量的物理定律,如守恒定律、經典力學、相對論等。

在愛因史坦的相對論中,時間與空間是不可分割的整體,一起組成了時空這個維度, 使我們的空間變成四維空間 。既然時空是不可分割的整體,那麽物體的運動速度變得越來越快的時候,它周圍的時間就會變得越來越慢。這叫做鐘慢效應,也稱之為時間膨脹,是物理學中的現象。

為了驗證鐘慢效應,科學家們做了無數的實驗。他們把兩個銫原子鐘分別放在兩架向西和向東的客機上,和美國海軍天文台的時鐘對比。最後發現這兩個時鐘都比天文台的鐘慢,證實速度越快,時間走得越慢。因此當光以光速(真空中的最高速度)前進時,時間就像靜止了一樣,因此飛行一光年,對於光來說就是一瞬間的事。

Tips:鐘慢效應是指時間膨脹,時間膨脹是一種物理現象:兩個完全相同的時鐘之中,拿著甲鐘的人會發現乙鐘比自己的走得慢。

但事實上宇宙中並不存在以光速運動的物體,因為在運動過程中物體的品質會隨著速度的增加而增加,當物體的速度到達光速時,本身的品質將達到無窮大。而宇宙中並不存在無窮大的能量,退一步說,即使有也不可能用在一個物體身上。因此,任何品質為0的物體,其速度是無法達到光速的。 而光量子,作為光的最基本單位,從出生起就在以光速運動,所謂的速度與品質的限制也就不存在了。

Tips:光速Lightspeed,是指光波或電磁波在真空或介質中的傳播速度。真空中的光速是目前所發現的自然界物體運動的最大速度。

相對論告訴我們,時間的流逝在不同參考系中是不一樣的。比如說一對孿生兄弟,哥哥在宇宙飛船中執行任務,弟弟還留在地球上,當太空人飛行一年回來之後,發現地球已經過了好幾年,弟弟也老了很多。這就是因為太空與地球時間流速的不同。飛行速度越快,時間流逝得越慢。因此,生活在宇宙空間站的人們要將時間調整為地球時間。

Tips:宇宙空間站space station,又稱太空站、航天站。是一種在近地軌域長時間執行、可供多名航天員巡訪、長期工作和活的載人航天器。

由於時間的相對性,所以一光年的距離對於光就只是一瞬間,只不過人類為了好計算,從我們的角度人為的將其規定為光走一光年需要1年的時間。不過由於光具有波粒二象性,所以光具有波的性質,在不同介質中傳播速度不同,在水中的速度比真空中要慢,因此走一光年要花更長的時間。

Tips:波粒二象性wave-particle duality,指的是所有的粒子或量子不僅可以部份地以粒子的術語來描述,也可以部份地用波的術語來描述。

既然存在時間的相對性,那科幻小說中的星際穿梭就成為不可能了嗎?以目前來看確實不可能。因為存在光速品質無限大和時間不同步問題。即使當我們的飛船克服了光速問題,但是當我們飛行一周之後,回來就可能發現星球已經淪陷或者正在步入衰竭期。因此就目前而言,這還只能停留在小說幻想層面。

和光年一樣的宇宙單位有哪些?

天文單位,指的是地球到太陽的平均距離,縮寫符號是AU,1AU等於149,597,870.7公裏。2012年在第28屆國際天文學大會上正式使用。光秒,一個從光速不變理論延伸出的天文單位,一光秒等於299,792,458公尺。秒差距,用於測量太陽系以外的天體之間的長度,同在28屆大會上確立,其數值為 3.08567758149137×1016公尺。