光,跑得极快。
太阳和地球之间的距离是1.5亿公里。这么遥远的距离,火车要行85年,飞机要飞17年,就是宇宙飞船也要“航行”几个月呢!可是,一个光子,离开太阳,仅仅走了8分20秒钟,就来到了地球上!
北京到上海约1500公里,火车要跑上20个小时,可是,光跑这样长的距离,只需要千分之五秒,换句话说,光在1秒钟里可以在北京与上海之间跑100个来回!
由于光跑得如此之快,因此,在长距离测量中,人们就请光这位“长跑健将”来协助工作。例如,测定月球和地球之间的距离,就是由光来完成的:让一束激光脉冲射向月球,又从月球反射回来;在地球上接收到这束返回的激光脉冲后,测得了激光脉冲的往返时间,乘以光速,即可得到月球和地球之间的距离。
这就是脉冲激光测距原理。脉冲激光测距除利用了激光束在空间能量集中、发散角小的特点之外,还利用了“脉冲”的特点。顾名思义,正象脉搏一下一下跳动一样,它的光讯号的输出不取连续的形式,而是以一瞬时一瞬时的,即形成为光的“脉冲”。激光脉冲持续时间极短,能量在时间上相对集中,因而瞬时功率很大(通常为兆瓦级),因此,脉冲激光测距,在有合作目标的情况下,可以达到极远的测程;在精度要求不高的近距离测量时,不使用合作目标,而只利用被测目标对脉冲激光的漫反射取得反射信号,也可以进行测距。由于这个缘故,脉冲激光测距还可以用于地形测量、战地测距、导弹运行轨道跟踪和人造卫星运行参数测量等方面的工作。
但是,光的速度非常快,尽管月球距离地球有384,000公里之远,而激光脉冲跑个来回却用不了2.6秒钟,因此在近距离测量情况下,靠光速测量几公里到几十公里,或千公里的距离,光脉冲往返的时间是极短的,要测量如此短的时间,又要保证必要的测时精度,测时系统的时间分辨率应当达到几十毫微秒,甚至几毫微秒级。同时,为了使计数器在计时过程中得到的脉冲和距离值相对应,还选择了适当的时钟振荡频率。
为了能在10微秒的时间间隔内填充的脉冲数与距离数字相对应,我们可以选择时钟振荡频率,这样,在10微秒时间间隔内,计数器可以计入脉冲,这就和1500米距离相对应,每个脉冲代表1米。实际上,兆赫的时钟脉冲,其重复周期为6.67毫微秒,这正是光脉冲在1米距离上往返所需要的时间,因此,以它为时钟脉冲测时后所得到的脉冲数总是同被测距离值直接对应的(以米为单位)。
米作为长度单位,在短距离测距中使用还可以,但如果用来表示相距相当远的两个地点之间的距离,那就显得太麻烦了,例如北京和上海之间的距离为1500000米,就不如用1500公里表示醒目。而天体之间的距离,用公里来表示,如月球和地球之间的距离为384,000公里,地球和太阳之间的距离为149,730,000公里,这是很麻烦的。如果用公里来表示更远的星体的距离,那“0”就会象长蛇一样,无法读写了。
为了简洁地表明天体之间的距离,在天文学上,人们确定了一个比较大的长度单位——天文单位。一个天文单位是地球和太阳之间的平均距离,约1.5亿公里。我们知道,太阳系是一个以太阳为首的大家庭,包括有九大行星及它们的卫星,小行星,彗星和尘埃物质等。如果把离太阳最远的行星冥王星的轨道当作太阳系的边界的话,那其半径约为39.5个天文单位,即约为6,000,000,000公里。不过,人们已经发现一些轨道比冥王星还远得多的彗星,而如果要是以太阳引力的影响所及作为太阳系边界的话,那就更远了,有230,000个天文单位。
天文单位是个较大的单位,但是,如果用它来度量宇观世界,仍然还是显得太小了。比如说,比邻星同地球之间的距离为268,333个天文单位,这个数目字还不算太大。再如天女星同地球之间的距离为217,000,000,000,000个天文单位,这个数字就太长了。如果度量更远的天体,用天文单位也远远不能满足要求。
为了解决宇观世界的度量问题,最后,天文学家们不得不请光出面,来测定遥远的天体。光的速度是很大的,1秒钟跑299,792.458公里,1年31,566,925.9747秒,光就能够跑出去9,460,523,659,600公里,即约94,600亿公里。以这个长度为单位,即光在1年里所跑过的距离,称之为光年。我们知道,1天24小时,1小时为60分,1分等于60秒,因而1天就是86,400秒。1年365.25天。
这是一个度量天体距离的有效单位。用这个单位来度量离我们最近的恒星比邻星有多远,那就很方便了(它与地球的距离为4光年)。再拿北极星来说吧,夜里,我们一抬头就看见它,实际上,它距离地球却很远很远,就连善跑的光,从北极星跑到地球上来,也要跑44年呢,也就是说北极星和地球之间的距离为44光年。
此外,天文学家在某些场合还使用另一把更长的“尺”——秒差距。这个长度单位,是在天体观测“视差”概念基础上建立起来的。何谓“视差”?可以用一个小实验来说明。我们手握一支铅笔,竖在眼前的一定距离处,然后象射击瞄准那样,通过铅笔顶去观察远处景物。先闭上左眼而用右眼看,再闭上右眼而用左眼看,可以发现,本来未动的铅笔相对于远处景物产生了横向位移。这是由于左、右两眼分别从不同的角度看铅笔的缘故。这种从不同角度去看同一物体而产生的视线方向上的差异,就称为视差。如果我们将铅笔前后移动,改变它和眼睛的距离,再作上面的观察,还可以发现,铅笔离眼睛近,差异就大;铅笔离眼睛远,差异则小。所以可以得出结论:一个物体的距离越近,视差就越大;一个物体的距离越远,视差则越小。这个原理,也可以用到天文观测上。我们知道,双目距离为56~75毫米。将这两个“观测点”加以扩大,设置为地面上的两个位置,从这两个位置去测前方某一景物,这就是三角测量法。如果被测对象是某一天体,这样,地上的两点同那个天体就构成了一个三角形。譬如说,从地球上遥遥相背的两个点观测月球,两点间的基线长度等于地球的直径,而视差角度的一半是从一点观测月球的视线与地心和月球连线之间的夹角,约为57′02″.6。如果采用同样的方法观测比月球远的太阳或太阳系其它行星,视差就小得多了。如果采用这样的方法观测遥远的天体,那么,视差将因距离增大而减小。这样,秒差距“尺”就可以确定下来:若观测某一恒星时视差恰好为1″则该恒星离开地球的距离是1秒差距。当观测一颗恒星视差为0″.1时,它离开地球的距离就是10秒差距,视差为0.″01,它离开地球的距离就是100秒差距远。一句话,恒星视差的倒数正好就是它离开地球的秒差距数,因此,可以用“秒差距尺”来测定恒星之远近距离。
但是,三角法测量视差是有限度的,因而秒差距单位的应用也有限。天文学中常用的还是光年。从空间尺度来看,星系范围约为几千光年至几十万光年。而且,星系还有成团的情况,它们组成星系团或星系群,以银河为例,它和附近的三十几个星系如大小麦哲伦云、仙女座大星云一起组成了本星系群,范围约有300万光年;再上去是超星系团,如本星系群又和室女座方向的密集星系团及其它约50个星系团、群一起组成本超星系团,范围大约上亿光年。目前,所有观测到的星系又一起组成了总星系,范围大约200亿光年,这就是现代宇宙学所说的“宇宙”。