光速
首先,光年并不是一个速度单位,而是一个距离单位。它是指光走一年的距离。那为什么要用光速呢?这是因为狭义相对论的基本假设是光速不变原理,通过简单地推导之后,我们就可以得到下面的式子:
其中m0指的是物体的静止质量,m指的是物体的相对论质量。从这个方程,我们知道静止质量不为零的物体是不可能达到光速,只能低于光速。只有静止质量为0,才能达到光速。目前,我们只观测到光具有这样的特点。(多补充一句,按照目前的理论来说,其实传递强相互作用的胶子也应该是可以的,只不过我们还观测不到自由的胶子。)
因此,光速成为了物质、信息、能量的最快速度。
至于光速,也是有范围的,并不是说所有的光速都是极限速度,这里特指的是光波或者是电磁波在真空中的传播速度,是物质、信息、能量的最快速度。
为什么这里特指在真空中呢?是因为光在一些介质中还没有其他的粒子跑得快,比如说:契伦科夫辐射。它其实只有真空中光速的80%左右,但要比光速在该介质中跑得快。
真空中的光速是:299,792,458 m/s。
这个速度有多快呢? 地球的赤道半径是:6378.137km。根据周长公式,我们可以得到,地球的赤道周长2πR=2*3.14*6,378,137=40,054,700m。也就是说,光一秒钟可以绕地球赤道7圈半。可以说,光速其实就是一个数量级极其大的数字了,那为什么还要用光年呢?
光年
我们是在地球的尺度上感受光速的,这确实是极其大了,但是如果我们把光速放在太阳系当中,比如:地球和太阳的距离是1.5亿公里,简单算一算就会发现,光从太阳跑到地球大概要8分20秒左右的时间。当然,我们要知道的是地球离太阳其实算近的了。
在对于太阳系的边界的说法有很多很多,如果我们以太阳的引力范围作为太阳系的边界,那这个尺度,大概就是光从一头跑到另一头需要2年的时间。也就是两光年。懂了没?说白了,光年就是光跑1年所走过的距离,具体来说就是光速*60秒*60分*24小时*365天=299,792,458 m/s*60s*60m*24h*365d=9.454*10^15米
但实际上,光年也不太够用,离我们最近的恒星系比邻星距离我们就有4光年左右。
这还是离我们最近的,我们都知道太阳是在银河系内的,而银河的直径就是10多万光年,太阳距离银河系中心都有2万多光年的距离。
进一步来看,银河系又在本星系群内,本星系群又在超室女座星团当中。
而室女座超星系团只是可观测宇宙中的很小很小的一部分,也就是说原来尺度特别大的光年,到了整个可观测宇宙的尺度其实就是特别特别大的小了,可观测宇宙的直径达到了930亿光年的尺度。
秒差距
因此,某种程度上来说,光年在宇宙观测中其实也是不太够用的,为了方便观测,科学家用到了一个新的距离单位“秒差距”,它是基于天文观测中的三角视差法的基础之上,话说地球公转轨道半径是一个天文单位,也就是刚才提到的1.5亿公里(实际上,更准确的数值是149,597,871 km),以公转轨道半径为底边,所对应的三角形内角,就被我们称为视差。
其中,视差为1秒差距,对应的大约是3.261光年,正是有了三角视差法,使得我们能够看得更远,观测更多的天文学现象。
因此,在大尺度上,光年都是有局限性的,更多的是使用秒差距这样的单位。
最后,我们来总结一下,光年具体指的是光在真空中传播一年所走过的距离,它具体是9.454*10^15米,不过光年在大尺度上也是不够用的,科学家基于三角视差法,提出了一套新的单位:秒差距。一秒差距对应3.261光年。