作者:傑夫·布魯姆菲爾,來自《自然》雜誌
天文學家在沒有大張旗鼓的情況下,重新定義了太陽系中最重要的距離之一。天文單位(au)——地球到太陽的大致距離——已經從一個令人困惑的計算轉變為一個單一的數字。新的標準,於8月份在中國北京舉行的國際天文學聯合會會議上獲得一致透過,現在是149,597,870,700米——不多也不少。
這對我們星球居民的影響將是有限的。地球將繼續圍繞太陽旋轉,北半球的秋天也將很快到來。但是對於天文學家來說,這種變化意味著更精確的測量,以及更少向學生解釋天文單位的頭痛問題。
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地球和太陽之間的距離是天文學中最悠久的數值之一。第一個精確的測量是在1672年由著名天文學家喬瓦尼·卡西尼進行的,他在法國巴黎觀測火星,而他的同事讓·裡歇在南美洲的法屬蓋亞那觀測該行星。透過取兩次觀測之間的視差或角度差異,天文學家計算出地球到火星的距離,並用它來找到地球到太陽的距離。他們的答案是1.4億公里——與今天的數值相差不遠。
直到二十世紀後半葉,這種視差測量仍然是推導太陽系中距離的唯一可靠方法,因此天文單位繼續被表示為基本常數的組合,可以將角度測量值轉換為距離。最近,天文單位被定義為(深吸一口氣):“一個具有無窮小質量的粒子,以每天0.01720209895弧度(稱為高斯常數)的平均運動速度,圍繞太陽進行無擾動圓形牛頓軌道的半徑”。
這個定義讓德國數學家卡爾·弗里德里希·高斯的支持者歡欣鼓舞,他的常數是整個事件的核心,但它給天文學家帶來了麻煩。首先,它讓入門天文學的學生完全困惑,德國德累斯頓技術大學的天文學家謝爾蓋·克利奧納說。但更重要的是,舊的定義與愛因斯坦的廣義相對論相沖突。
顧名思義,廣義相對論使時空具有相對性,取決於觀察者的位置。天文單位,正如先前定義的,也會發生變化。根據克利奧納的說法,在地球的參考系和木星的參考系之間,它會移動一千米或更多。這種偏移不會影響直接測量距離的航天器,但對於研究太陽系模型的行星科學家來說,這是一個麻煩。
太陽也提出了另一個問題。高斯常數是基於太陽質量的,所以天文單位與太陽的質量密不可分。但太陽在輻射能量時會損失質量,這也導致天文單位也在緩慢變化。
修訂後的定義消除了舊天文單位的問題。一個固定的距離與太陽的質量無關,米被定義為光在真空中在1 / 299,792,458秒內傳播的距離。由於光速在所有參考系中都是恆定的,因此天文單位將不再根據觀察者在太陽系中的位置而改變。
重新定義天文單位已經可能了幾十年——現代天文學家可以使用航天器、雷達和雷射直接測量距離。但是,法國巴黎天文臺的天文學家妮可·卡皮坦說,“他們中的一些人認為改變一些東西有點危險”。有些人擔心這種改變可能會擾亂他們的計算機程式,另一些人則對舊的標準抱有感情。但是在卡皮坦、克利奧納和其他人多年的遊說之後,修訂後的單位終於被採納。
卡皮坦和克利奧納說,精簡後的天文單位已經對他們的生活產生了積極的影響。卡皮坦說,為改變而遊說很耗時:“我將有更多時間投入到我的研究中。”
克利奧納補充說:“我很高興我不再需要向我的學生解釋它了。” 新的定義“現在對每個人來說都更容易理解了。”