作者:杰夫·布鲁姆菲尔,来自《自然》杂志
天文学家在没有大张旗鼓的情况下,重新定义了太阳系中最重要的距离之一。天文单位(au)——地球到太阳的大致距离——已经从一个令人困惑的计算转变为一个单一的数字。新的标准,于8月份在中国北京举行的国际天文学联合会会议上获得一致通过,现在是149,597,870,700米——不多也不少。
这对我们星球居民的影响将是有限的。地球将继续围绕太阳旋转,北半球的秋天也将很快到来。但是对于天文学家来说,这种变化意味着更精确的测量,以及更少向学生解释天文单位的头痛问题。
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地球和太阳之间的距离是天文学中最悠久的数值之一。第一个精确的测量是在1672年由著名天文学家乔瓦尼·卡西尼进行的,他在法国巴黎观测火星,而他的同事让·里歇在南美洲的法属圭亚那观测该行星。通过取两次观测之间的视差或角度差异,天文学家计算出地球到火星的距离,并用它来找到地球到太阳的距离。他们的答案是1.4亿公里——与今天的数值相差不远。
直到二十世纪后半叶,这种视差测量仍然是推导太阳系中距离的唯一可靠方法,因此天文单位继续被表示为基本常数的组合,可以将角度测量值转换为距离。最近,天文单位被定义为(深吸一口气):“一个具有无穷小质量的粒子,以每天0.01720209895弧度(称为高斯常数)的平均运动速度,围绕太阳进行无扰动圆形牛顿轨道的半径”。
这个定义让德国数学家卡尔·弗里德里希·高斯的支持者欢欣鼓舞,他的常数是整个事件的核心,但它给天文学家带来了麻烦。首先,它让入门天文学的学生完全困惑,德国德累斯顿技术大学的天文学家谢尔盖·克利奥纳说。但更重要的是,旧的定义与爱因斯坦的广义相对论相冲突。
顾名思义,广义相对论使时空具有相对性,取决于观察者的位置。天文单位,正如先前定义的,也会发生变化。根据克利奥纳的说法,在地球的参考系和木星的参考系之间,它会移动一千米或更多。这种偏移不会影响直接测量距离的航天器,但对于研究太阳系模型的行星科学家来说,这是一个麻烦。
太阳也提出了另一个问题。高斯常数是基于太阳质量的,所以天文单位与太阳的质量密不可分。但太阳在辐射能量时会损失质量,这也导致天文单位也在缓慢变化。
修订后的定义消除了旧天文单位的问题。一个固定的距离与太阳的质量无关,米被定义为光在真空中在1 / 299,792,458秒内传播的距离。由于光速在所有参考系中都是恒定的,因此天文单位将不再根据观察者在太阳系中的位置而改变。
重新定义天文单位已经可能了几十年——现代天文学家可以使用航天器、雷达和激光直接测量距离。但是,法国巴黎天文台的天文学家妮可·卡皮坦说,“他们中的一些人认为改变一些东西有点危险”。有些人担心这种改变可能会扰乱他们的计算机程序,另一些人则对旧的标准抱有感情。但是在卡皮坦、克利奥纳和其他人多年的游说之后,修订后的单位终于被采纳。
卡皮坦和克利奥纳说,精简后的天文单位已经对他们的生活产生了积极的影响。卡皮坦说,为改变而游说很耗时:“我将有更多时间投入到我的研究中。”
克利奥纳补充说:“我很高兴我不再需要向我的学生解释它了。” 新的定义“现在对每个人来说都更容易理解了。”