光年到底是多长？你得先弄清一年有多少天，一天有多少秒

第一次看到光年这个单位，大多数人是有点懵的。

那些熟悉的单位，比如厘米还是长度单位，千克还是质量单位，怎么光年就不是时间单位了？照这逻辑，难道虎年是老虎一年跑的路程？猴年和马月都是长度了？

没可比性，“光年”二字已经被赋予这样的含义，这叫木已成舟，而猴年马月还没有！

但若你知道“光年”二字其实可连写为 lightyear, 那么你就会发现，它与厘米（centimeter）差不多，两部分之间是乘的关系，正如厘（centi）表示百分之一，所以百分之一乘以米 (meter) 得到厘米 (centimeter)，而光速乘以年自然就是长度了。

好了，光年是长度，表示光在一年的时间内走过的距离的长度。

但这里至少还有两个问题值得你搞清楚。

第一个问题是，光速是按哪个光速来算？真空中的吗？

答案是肯定的，真空中的光速是一个物理常数，用 c 表示，它的确切值是 299792458 m / s。

所以第一个问题也就不是问题了。

第二个问题是，这里的年到底是多长时间？

呃，这个问题看起来有点麻烦！因为你知道，一年可能是 365 天，又可能是 366 天，而仔细想来，一天的具体长度也是变化的。所以，你说一年到底多长？好像一下子很难说清楚。

不过，你大概知道，秒作为时间的基本单位，它的大小是确定的。因此，光年中的“年”如果是确定大小，那必定包含确定的秒数。

我们来看下，常见的天和年，有哪些类型，它们所含秒数是不是确定的呢？

先来看天，也就是日。

第一个是太阳日（Solar day），它是太阳连续两次到达天空最高点之间经过的时间。它的值是 86400 秒。

这数字有点巧吧？你大概知道，秒是根据原子物理来定义的，一个太阳日竟然刚好是 24 3600 秒，为什么？

因为秒以前就是按照将一个太阳日分成 86400 份来定义的！直到 1967 年，才采用原子物理的方法重新定义，具体定义是：

1 秒定义为未受扰的基态  的超精细能级之间的跃迁周期的 9192631770 倍。

注意，虽然秒被重新定义了，但没有改变秒的实际大小，而是兼容了之前的定义（上面定义中的那个长长的数字，正是迁就之前的定义的结果）。也就是说，一天仍然近似是 86400 秒。只不过，秒的生产及复制的标准采用了更精密的原子物理的方法。

当然，太阳日的时间实际上在变化。具体说有两方面的变化，一是在一年内会起伏，但这种起伏有正有负，因而不会积累；二是受到月球的引潮力的作用，地球自转会逐渐变慢，所以太阳日会逐渐变长，但这种变化非常慢。所以，总的来说，太阳日一般就认为是 86400 秒。

第二个是恒星日（Sidereal day），是指地球某一条子午线连续两次正对同一颗恒星时的时间间隔。因为恒星是极其遥远的，所以这个时间就是地球自转 360 度的周期，为 23 小时 56 分 4 秒。换句话说，恒星日就是地球自转周期。

由于引潮力的原因，地球自转周期会变长，所以恒星日的值也在微弱地增加。

一个有意思的问题：太阳日为什么比恒星日要长一点？

可以根据下图来理解。

1 和 2 之间是恒星日，地球刚好完成了一次完整的自转 —— 某条子午线 A 再次正对恒星。但在 2 这个位置，子午线 A 处太阳的光并不是正好从头顶直射下来，地球须继续走一小段才能使太阳正对该处。

这个过程中，地球再多转一个小小的角度，达到 3 这个位置时，太阳高度才达到最大，所以 1 和 3 之间是太阳日。它比恒星日长 3 分 56 秒。

相比恒星日，太阳日这个名词用得更多。平时我们说一天，一般默认就是指太阳日，它就是 24 小时，即 86400 秒。我们说一年含有多少天里的“天”也是指太阳日。

讲完了天，再来看年。

首先是回归年（Tropical year），又称为太阳年（Solar year），是指太阳连续两次通过春分点的时间间隔。每个回归年的具体长度是不同的，每过一年，回归年会产生 6.14×  天的长度变化。目前回归年的大小是 365.24219879 天，即 365 天 5 小时 48 分 46 秒，这是根据计算 121 个回归年的平均值得到的。

其次是恒星年（Sidereal year），它是指地球绕太阳一周实际所需的时间。也就是从地球上观测，以太阳和某一个恒星在同一位置上为起点，当观测到太阳再回到这个位置时所需的时间。一个恒星年比一个回归年长约 20 分 24 秒。

需要说明的是，恒星年与回归年是两种不同的时间体系，恒星年只在天文上使用，它记录的是原子时。

回归年也好，恒星年也好，都是变化的，换句话说，这些年所包含的秒数都是不完全确定的。既然这些年的时间长度不确定，那么光年里的这个“年”不可能是这些“年”中的任何一个，否则光年就变成了不确定的长度了。

光年中的“年”是另外重新定义的一种年，叫儒略年（Julian Year），它等于 365.25 个太阳日，即 365.25  86400s。

儒略年原本是指儒略历中的一年的长度，指 365 天或 366 天，平均为 365.25 天。儒略历由凯撒大帝在希腊数学家和天文学家的帮助下设计，并于公元前 45 年 1 月 1 日起开始使用。因为它比实际的太阳年（365.24219879 天）明显大一些，每隔 128 年就会增加一天，这个误差有点大，所以在 1582 年被公历年取代。

现在，儒略年只是天文中测量时间的单位，它的大小是 365.25  86400 秒，也就是 365.25 个太阳日。儒略年并不对应特定的历史年份，因此儒略年现在与任何历法都没有关联，也与任何其他形式年的定义没有关联。

再说一下我们日常生活中常说的那个年，它叫公历年（Gregorian year），它是公历（Gregorian calendar）中规定的一年的平均长度。公历也叫格里历，由罗马教皇格里高利十三世批准颁行，并于 1582 年 10 月 15 日开始使用。

公历年的大小为 365.2425 天，也就是 365.2425X86400 秒，与实际的太阳年的长度 365.24219879 天非常接近，在将近 7700 年的时间内也只会导致一天的误差，这就是格里历能取代儒略历的原因。

你可能会问，既然公历年的平均长度比儒略年的值更接近回归年，为什么不采用它来定义光年单位中的“年”呢？

简单的说就是，公历年牵扯到太多的东西，而儒略年既然已经退出历史舞台赋闲在家，用它来定义一个新的单位，不会有啥不好的影响，还顺便纪念了一下这个在历史上长期使用的历法年。

实际上，儒略年并不是国际单位制（SI）中的计量单位，而是专门为国际天文学联合会（IAU）使用的单位，并成为了光年定义的基础。

下面来算一下，1 光年的长度到底有多大？

不错，9460730472580800 米，这就是 1 光年的确切长度。注意，“确切”二字说明它没有任何近似，它的值是被人为定义的。

所以，光年与真空中的光速一样，也是一个被定义的确切值！

本文来自微信公众号：大学物理学 （ID：wuliboke），作者：薛德堡

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