Как вы знаете, для измерения расстояний от Солнца до планет, а также между планетами ученые придумали астрономическую единицу. А что такое световой год ?
Прежде всего, необходимо отметить, что световой год - тоже единица измерения, принятая в астрономии, однако не времени (как может показаться, если судить по значению слова «год»), а расстояния.
Чему равен световой год
Когда ученым удалось рассчитать расстояния к ближайшим звездам, стало очевидно, что в звёздном мире астрономическая единица неудобна для применения. Скажем для начала, что расстояние от Солнца до ближайшей звезды составляет примерно 4,5 световых года. Это означает, что свет от нашего Солнца к ближайшей звезде (называется она, кстати, Проксима Центавра) летит 4,5 года! Насколько велико это расстояние? Не будем никого утомлять математикой, отметим лишь, что за секунду частицы света пролетают 300 000 километров. То есть, если послать фонариком сигнал в сторону Луны, этот свет увидят там менее чем через полторы секунды. От Солнца до Земли свет доходит за 8,5 минут. А сколько же тогда лучи света пролетают за год?
Сразу скажем: световой год равен примерно 10 триллионам километров (триллион - это единица с двенадцатью нулями). Точнее, 9 460 730 472 581 километр. Если пересчитать в астрономических единицах, то это будет примерно 67 000. И это только к ближайшей звезде!
Ясно, что в мире звезд и галактик астрономическая единица не пригодна для измерений. Проще оперировать в вычислениях световыми годами.
Применимость в звёздном мире
Например, расстояние от Земли до самой яркой на небе звезды Сириуса составляет 8 световых лет. А расстояние от Солнца до Полярной звезды составляет около 600 световых лет. То есть, свет от нас добирается туда за 600 лет. Это будет примерно 40 миллионов астрономических единиц. Для сопоставления укажем, что размер (диаметр) нашей Галактики - Млечного пути - около 100 000 световых лет. Ближайшая наша соседка - спиральная галактика, которая называется Туманность Андромеды, отдалена от Земли на расстояние 2,52 миллиона световых лет. Очень неудобно указывать это в астрономических единицах. А ведь есть во Вселенной объекты, отдаленные от нас вообще на 15 миллиардов световых лет. Так, радиус наблюдаемой Вселенной составляет 13,77 миллиарда световых лет. А полная Вселенная, как известно, простирается дальше наблюдаемой части.
Кстати, диаметр наблюдаемой Вселенной вовсе не в 2 раза больше радиуса, как можно подумать. Всё дело в том, что с течением времени космос расширяется. Те далёкие объекты, которые испустили свет 13,77 миллиарда лет назад, улетели ещё дальше от нас. Сегодня они более чем в 46,5 миллиардах световых лет от нас. Удвоив это, получаем 93 миллиарда световых лет. Это и есть истинный диаметр наблюдаемой Вселенной. Так что размеры части космоса, за которой наблюдают (и которую называют еще Метагалактикой), всё время увеличиваются.
Измерять такие расстояния в километрах или астрономических единицах не имеет никакого смысла. Честно говоря, не совсем подходят тут и световые годы. Но ничего лучшего люди пока еще не придумали. Числа выходят настолько огромными, что с ними может справиться лишь компьютер.
Определение и сущность светового года
Таким образом, световой год (св. г.) - это единица длины, а не времени, которая представляет собой расстояние, проходимое солнечным лучом за год, то есть за 365 дней . Данная единица измерения очень удобна своей наглядностью. Она позволяет ответить на вопрос, через какой период времени можно ожидать ответ, если к определённой звезде отправить электромагнитное сообщение. И если это срок слишком велик (например, составляет тысячу лет), то смысла в таких действиях нет.
Для своих расчётов астрономы используют особые единицы измерения, которые не всегда ясны обычным людям. Оно и понятно, ведь если бы космические расстояния измерялись километрами, то от количества нулей рябило бы в глазах. Поэтому для измерения космических расстояний принято использовать гораздо большие величины: астрономическую единицу, световой год и парсек.
Довольно часто применяется для указания расстояний внутри нашей родной Солнечной системы. Если еще можно выразить в километрах (384 000 км), то до Плутона самый близкий путь составляет примерно 4 250 миллионов км, а это уже для понимания будет сложновато. Для таких расстояний уже пора использовать астрономическую единицу (а.е.), равную среднему расстоянию от земной поверхности до Солнца. Другими словами, 1 а.е. соответствует длине большой полуоси орбиты нашей Земли (150 млн. км.). Теперь, если написать, что кратчайшее расстояние до Плутона равно 28 а.е., а самый долгий путь может составить 50 а.е., это намного легче себе представить.
Следующий по величине - световой год. Хотя там присутствует слово «год», не нужно думать, что речь идет о времени. Один световой год составляет 63 240 а.е. Это путь, который проделывает луч света в течение 1 года. Астрономы подсчитали, что из самих далеких уголков Вселенной луч света добирается до нас более чем за 10 млрд. лет. Чтобы вообразить себе это гигантское расстояние, запишем его в километрах: 95000000000000000000000. Девяносто пять миллиардов триллионов привычных километров.
О том, что свет распространяется не мгновенно, а с какой-то определенной скоростью, ученые начали догадываться начиная с 1676 года. Именно в это время датский астроном по имени Оле Ремер обратил внимание, что затмения одного спутника Юпитера начинают запаздывать, причем это происходило именно тогда, когда Земля направлялась по своей орбите к противоположной стороне Солнца, обратной той, где был Юпитер. Прошло какое-то время, Земля начала возвращаться назад, и затмения вновь начали приближаться к прежнему расписанию.
Таким образом, была отмечено около 17 минут разницы во времени. Из этого наблюдения был сделан вывод: свету на прохождение расстояния длиной в диаметр орбиты Земли понадобилось 17 минут. Поскольку было доказано, что диаметр орбиты составляет приблизительно 186 миллионов миль (сейчас эта константа равна 939 120 000 км), то получалось, что луч света движется со скоростью около 186 тысяч миль за 1 секунду.
Уже в наше время благодаря профессору Альберту Майкельсону, который задался целью максимально точно определить, чему равен световой год, с помощью иного метода был получен окончательный итог: 186 284 миль за 1 секунду (примерно 300 км/с). Теперь, если подсчитать количество секунд в году и умножить на это число, то получим, что световой год имеет длину 5 880 000 000 000 миль, что соответствует 9 460 730 472 580,8 км.
Для практических целей астрономы часто используют такую единицу расстояния как парсек. Он равен смещению звезды на фоне прочих небесных тел на 1"" при смещении наблюдателя на 1 радиус
Так или иначе, в своей повседневной жизни мы измеряем расстояния: до ближайшего супермаркета, до дома родственников в другом городе, до и так далее. Однако когда речь заходит о бескрайних космических пространствах, выясняется, что использование знакомых нам значений вроде километров крайне нерационально. И дело здесь уже не только в сложности восприятия получившихся гигантских значений, а в количестве цифр в них. Проблемой станет даже само написание такого количества нулей. Например, от Марса до Земли наиболее короткое расстояние - 55,7 млн. километров. Шесть нулей! А ведь красная планета - одна из ближайших наших соседок на небе. Как же использовать громоздкие цифры, которые получатся при вычислении расстояния даже до ближайших звезд? И именно теперь нам необходима такая величина, как световой год. Сколько равен он? Сейчас разберемся.
Понятие о световом годе также тесно связано с релятивистской физикой, в которой тесная связь и взаимная зависимость пространства и времени была установлена еще в начале XX века, когда рушились постулаты ньютоновской механики. До этого значения расстояния, более масштабные единицы измерения в системе
образовывались достаточно просто: каждая последующая представляла собой совокупность единиц более мелкого порядка (сантиметры, метры, километры и так далее). В случае же светового года расстояние было привязано к времени. Современной науке известно, что скорость распространения света в вакууме постоянна. Более того, она является максимальной скоростью в природе, допустимой в современной релятивистской физике. Именно эти представления были заложены в основе нового значения. Световой год равен расстоянию, которое луч света проходит за один земной календарный год. В километрах это примерно 9,46*10 15 километров. Интересно, что до ближайшего Луны, фотон преодолевает расстояние за 1,3 секунды. До Солнца - около восьми минут. А вот до следующих ближайших звезд, Альфы и уже около четырех световых лет.
Просто фантастическое расстояние. Существует в астрофизике и еще более крупная мера пространства. Световой год равен примерно одной трети парсека, еще более значительной единицы измерения межзвездных расстояний.
Скорость распространения света в разных условиях
Кстати, есть еще и такая особенность, что фотоны могут с разной скоростью распространяться в разной среде. Мы уже знаем, как быстро они летят в вакууме. И когда говорят о том, что световой год равен расстоянию, преодоленному светом за год, имеют в виду именно пустое космическое пространство. Однако интересно отметить, что в других условиях скорость света может быть и меньшей. Например, в воздушной среде фотоны разбегаются с несколько меньшей скоростью, чем в вакууме. С какой именно - зависит от конкретного состояния атмосферы. Таким образом, в наполненной газом среде световой год равен был бы несколько меньшему значению. Впрочем, оно бы несущественно отличалось от принятого.
Для того чтобы осознать смысл понятия «световой год», сначала необходимо вспомнить школьный курс физики, особенно тот его раздел, который касается скорости света. Итак, скорость света в вакууме, где на него не воздействуют различные факторы, такие как гравитационные и магнитные поля, взвешенные частицы, преломление прозрачной среды и прочее, составляет 299 792,5 километра в секунду. Нужно понимать, что в данном случае под светом подразумеваются , воспринимаемые человеческим зрением.
Менее известными единицами измерения расстояния являются световой месяц, неделя, сутки, час, минута и секунда.Достаточно долгое света считалась бесконечной величиной, а первым человеком, вычислившим примерную скорость световых лучей в вакууме, стал астроном Олаф Ремер в середине XVII века. Конечно, его данные были весьма приблизительны, но важен сам факт определения конечного значения скорости. В 1970 году скорость света была определена с точностью до одного метра в секунду. Более точных результатов добиться не удалось до сих пор, так как возникли проблемы с погрешностью эталона метра.
Световой год и другие расстояния
Поскольку расстояния в огромны, измерение их в привычных единицах было бы нерациональным и неудобным. Исходя из этих соображений, была введена специальная – световой год, то есть расстояние, которое свет проходит за так называемый юлианский год (равный 365,25 суток). Учитывая, что каждые сутки содержат в себе 86 400 секунд, можно вычислить, что за год луч света преодолевает расстояние нескольким более 9,4 километров. Эта величина кажется огромной, однако, например, расстояние до ближайшей к Земле звезды Проксимы Центавра составляет 4,2 года, а диаметр галактики Млечный Путь превышает 100 000 световых лет, то есть те визуальные наблюдения, которые можно сделать сейчас, отображают картину, существовавшую около сотни тысяч лет назад.
Луч света преодолевает расстояние от Земли до Луны примерно за секунду, а вот солнечный свет добирается до нашей планеты больше восьми минут.
В профессиональной астрофизике понятие светового года используется редко. Ученые преимущественно оперируют такими единицами, как парсек и астрономическая единица. Парсек – это расстояние до воображаемой точки, с которой радиус орбиты Земли виден под углом в одну угловую секунду (1/3600 градуса). Средний радиус орбиты, то есть расстояние от Земли до Солнца, называется астрономической единицей. Парсек равен примерно трем световым годам или 30,8 триллиона километров. Астрономическая единица приблизительно равна 149,6 миллиона километров.
Наверняка, услышав в каком-нибудь фантастическом боевике выражение а-ля «до Татуина двадцать световых лет », многие задавались закономерными вопросами. Озвучу некоторые из них:
Разве год – это не время?
Тогда что же такое световой год ?
Сколько в нем километров?
За сколько преодолеет световой год космический корабль с Земли ?
Сегодняшнюю статью я решил посвятить объяснению значения этой единицы измерения, сравнению ее с нашими привычными километрами и демонстрации масштабов, которыми оперирует Вселенная .
Виртуальный гонщик.
Представим себе человека, в нарушение всех правил несущегося по шоссе со скоростью 250 км/ч. За два часа он преодолеет 500 км, а за четыре – целых 1000. Если, конечно, не разобьется в процессе…
Казалось бы, вот это скорость! Но для того, чтобы обогнуть весь земной шар (≈ 40 000 км), нашему гонщику понадобится в 40 раз больше времени. А это уже 4 х 40 = 160 часов. Или почти целая неделя непрерывной езды!
В итоге, однако, мы не скажем, что он преодолел 40 000 000 метров. Так как лень всегда заставляла нас придумывать и употреблять более короткие альтернативные единицы измерения.
Предел.
Из школьного курса физики каждому должно быть известно, что самый быстрый ездок во Вселенной – свет. За одну секунду его луч преодолевает расстояние примерно 300 000 км, а земной шар, таким образом, он обогнет за 0,134 секунды. Это в 4 298 507 раз быстрее, чем наш виртуальный гонщик!
От Земли до Луны свет доходит в среднем за 1,25 с, до Солнца же его луч домчится чуть более, чем за 8 минут.
Колоссально, не так ли? А ведь пока не доказано существование скоростей, больших скорости света. Поэтому ученый мир решил, что логично будет измерять космические масштабы в единицах, которые за определенные интервалы времени проходит радиоволна (коей свет, в частности, и является).
Расстояния.
Таким образом, световой год — ни что иное, как расстояние, которое луч света преодолевает за один год. В межзвездных масштабах использовать единицы расстояния, меньшие этой, не имеет особого смысла. И все же они есть. Вот их приближенные значения:
1 световая секунда ≈ 300 000 км;
1 световая минута ≈ 18 000 000 км;
1 световой час ≈ 1 080 000 000 км;
1 световые сутки ≈ 26 000 000 000 км;
1 световая неделя ≈ 181 000 000 000 км;
1 световой месяц ≈ 790 000 000 000 км.
А теперь, чтобы вы понимали, откуда берутся цифры, вычислим, чему равен один световой год .
В году 365 суток, в сутках 24 часа, в часе 60 минут, а в минуте 60 секунд. Таким образом, год состоит из 365 х 24 х 60 х 60 = 31 536 000 секунд. За одну секунду свет проходит 300 000 км. Следовательно, за год его луч преодолеет расстояние 31 536 000 х 300 000 = 9 460 800 000 000 км.
Это число читается так: ДЕВЯТЬ ТРИЛЛИОНОВ, ЧЕТЫРЕСТА ШЕСТЬДЕСЯТ МИЛЛИАРДОВ И ВОСЕМЬСОТ МИЛЛИОНОВ километров.
Конечно, точное значение светового года слегка отличается от вычисленного нами. Но при описании расстояний до звезд в научно-популярных статьях высочайшая точность в принципе не нужна, и сотня-другая миллионов километров здесь особой роли не сыграют.
А теперь продолжим наши мысленные эксперименты…
Масштабы.
Предположим, что современный космический корабль покидает Солнечную систему с третьей космической скоростью (≈ 16,7 км/с). Первый световой год он преодолеет за 18000 лет!
4,36 световых года до ближайшей к нам звездной системы (Альфы Центавра , см. изображение в начале) он преодолеет примерно за 78 тысяч лет!
Нашу галактику Млечный Путь , имеющую в поперечнике примерно 100 000 световых лет , он пересечет за 1 млрд. 780 млн. лет.
