19.1: 距离的基本单位

Last updated
Save as PDF

Page ID: 202495

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

学习目标

在本节结束时，您将能够：

了解定义标准距离单位的重要性
解释测量仪最初是如何定义的，以及它随着时间的推移发生了怎样的变化
讨论如何使用雷达测量与太阳系其他成员的距离

最初的距离测量是基于人的维度——英寸是指手指指关节之间的距离，或者码是从伸出的食指到英国国王鼻子的跨度。后来，商业要求导致了此类单位的某种标准化，但每个国家都倾向于制定自己的定义。直到十八世纪中叶，才真正努力制定一套统一的国际标准。

公制系统

法国皇帝拿破仑时代的持久遗产之一是建立了公制单位制，该制于 1799 年在法国正式采用，现在世界上大多数国家都在使用。长度的基本公制单位是米，最初定义为沿地球表面从赤道到极点距离的千万分之一。十七和十八世纪的法国天文学家是确定地球尺寸的先驱，因此使用他们的信息作为新系统的基础是合乎逻辑的。

用地球大小表示的定义存在实际问题，因为很难指望任何想要确定从一个地方到另一个地方的距离的人出去重新测量地球。因此，在巴黎设立了一个由一块铂铱金属棒组成的中间标准仪表。 1889 年，根据国际协议，该条的长度恰好定义为一米，并制作了原始米棒的精确副本，作为其他国家的标准。

其他长度单位来自米。因此，1 千米 (km) 等于 1000 米，1 厘米 (cm) 等于 1/100 米，依此类推。即使是旧的英制和美制单位，例如英寸和英里，现在也是用公制来定义的。

对仪表的现代重新定义

1960年，仪表的官方定义再次发生了变化。由于生成精确已知波长的光谱线的技术的改进（参见 “辐射和光谱” 一章），该仪表被重新定义为等于元素krypton-86中特定原子过渡的1,650,763.73个波长。这种重新定义的好处在于，任何拥有适当设备实验室的人都可以复制标准仪表，而不必参考任何特定的金属棒。

1983年，再次定义了仪表，这次是用光速来定义的。真空中的光可以在 1/299,792,458.6 秒内传播一米的距离。因此，今天，光行时间提供了我们的基本长度单位。换句话说，一光秒的距离（一秒钟内的空间光覆盖量）定义为 299,792,458.6 米。光线在短短一秒钟内覆盖了将近3亿米；光线确实非常快！我们也可以使用光秒作为基本长度单位，但出于实际原因（也为了尊重传统），我们将光秒定义为光秒的一小部分。

太阳系内的距离

哥白尼和开普勒的著作确定了行星的相对距离，即一颗行星与另一颗行星与另一颗行星离太阳的距离（参见《观测天空：天文学和轨道与重力的诞生》）。但是他们的工作无法确定绝对距离（以光秒或米或其他标准长度单位为单位）。这就像只知道班上所有学生的身高与天文学教师的身高相比，而不是以英寸或厘米为单位。必须直接测量某人的身高。

同样，为了确定绝对距离，天文学家必须直接测量太阳系中的一个距离。通常，物体离我们越近，这样的测量就越容易。 1761年和1769年金星越过太阳表面时对与金星的距离进行了估计，并组织了一场国际运动来估计1930年代初与小行星爱神的距离，当时它的轨道使它靠近地球。最近，金星在2004年和2012年穿越（或穿越）了太阳表面，这使我们得以进行现代距离估计，尽管正如我们将在下文看到的那样，到那时还没有必要进行距离（图\(\PageIndex{1}\)）。

如果你想了解更多关于金星在太阳上的运动如何帮助我们确定太阳系距离的信息，你可以转向美国宇航局天文学家的精彩解释。

alt — 图《\(\PageIndex{1}\)金星穿越太阳》，2012 年。这张金星穿越太阳表面（大约2点钟的黑点）的引人注目的 “画面” 不仅仅是一张令人印象深刻的画面。它使用太阳动力学天文台航天器和特殊滤镜拍摄，显示了金星的现代过境。此类事件使1800年代的天文学家能够估计到金星的距离。他们测量了金星从地球上不同纬度穿越太阳表面所花费的时间。时间差异可以用来估计到行星的距离。如今，雷达被用于更精确的距离估算。

我们现代确定太阳系尺寸的关键是雷达，这是一种可以从固体物体上反弹的无线电波（图\(\PageIndex{2}\)）。正如前面几章所讨论的那样，通过计时雷达光束（以光速行驶）到达另一个世界并返回需要多长时间，我们可以非常准确地测量所涉及的距离。 1961年，雷达信号首次从金星反弹，以光秒（从雷达信号的往返行程时间）为单位直接测量从地球到金星的距离。

随后，雷达被用来确定与水星、火星、木星卫星、土星环和几颗小行星的距离。顺便说一句，请注意，不可能使用雷达直接测量与太阳的距离，因为太阳不能非常有效地反射雷达。但是我们可以测量与许多其他太阳系天体的距离，并使用开普勒定律给出与太阳的距离。

alt — 图：\(\PageIndex{2}\)雷达望远镜。这种碟形天线是位于加利福尼亚莫哈韦沙漠的美国宇航局深空网络的一部分，宽 70 米。这台雷达望远镜被昵称为 “火星天线”，可以发送和接收雷达波，从而测量与行星、卫星和小行星的距离。

从各种（相关的）太阳系距离中，天文学家选择了从地球到太阳的平均距离作为我们在太阳系中的标准 “量尺”。当地球和太阳最近时，它们相距约1.471亿公里；当地球和太阳最远时，它们相距约1.521亿公里。这两个距离的平均值称为天文单位 (AU)。然后，我们用非盟来表示太阳系中的所有其他距离。多年来对雷达测量的艰苦分析使人们得以确定非盟的长度精度约为十亿分之一。 1 AU 的长度可以用光行程时间表示为 499.004854 光秒，或大约 8.3 光分钟。如果我们使用前面给出的仪表定义，这相当于 1 AU = 149,597,870,700 米。

当然，这里给出的这些距离的精度比通常需要的要高得多。在本文中，我们通常满足于将数字表示到几个重要的地方，然后将其留在那里。出于我们的目的，将这些数字四舍五入就足够了：

\[ \begin{array}{l} \text{speed of light: } c=3 \times 10^8 \text{ m/s }= 3 \times 10^5 \text{ km/s} \\ \text{ length of light-second: ls}=3 \times 10^8 \text{ m }= 3×10^5 \text{ km } \\ \text{ astronomical unit: AU} =1.50×10^{11} \text{ m } =1.50 \times 10^8 \text{ km } =500 \text{ light-seconds} \end{array} \nonumber\]

现在，我们以极高的精度知道了我们自己的太阳系内的绝对距离刻度。这是宇宙距离链中的第一个环节。

太阳系中天体之间的距离有时难以掌握或透视。这个交互式网站提供了一张 “地图”，使用屏幕底部的比例尺显示距离，并允许你（使用箭头键）滚动 “空白空间” 屏幕到达下一个星球，同时在比例尺上可以看到你当前与太阳的距离。

关键概念和摘要

早期的长度测量基于人体尺寸，但如今，我们使用全球标准，以米等单位指定长度。现在，太阳系内的距离是通过计时雷达信号从地球传播到行星或其他天体表面然后返回需要多长时间来确定的。