第一次看到光年這個單位，大多數(shù)人是有點懵的。
那些熟悉的單位，比如厘米還是長度單位，千克還是質(zhì)量單位，怎么光年就不是時間單位了？照這邏輯，難道虎年是老虎一年跑的路程？猴年和馬月都是長度了？
沒可比性，“光年”二字已經(jīng)被賦予這樣的含義，這叫木已成舟，而猴年馬月還沒有！
但若你知道“光年”二字其實可連寫為 lightyear, 那么你就會發(fā)現(xiàn)，它與厘米（centimeter）差不多，兩部分之間是乘的關(guān)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長度了。
好了，光年是長度，表示光在一年的時間內(nèi)走過的距離的長度。
但這里至少還有兩個問題值得你搞清楚。
第一個問題是，光速是按哪個光速來算？真空中的嗎？
答案是肯定的，真空中的光速是一個物理常數(shù)，用 c 表示，它的確切值是 299792458 m / s。
所以第一個問題也就不是問題了。
第二個問題是，這里的年到底是多長時間？
呃，這個問題看起來有點麻煩！因為你知道，一年可能是 365 天，又可能是 366 天，而仔細想來，一天的具體長度也是變化的。所以，你說一年到底多長？好像一下子很難說清楚。
不過，你大概知道，秒作為時間的基本單位，它的大小是確定的。因此，光年中的“年”如果是確定大小，那必定包含確定的秒數(shù)。
我們來看下，常見的天和年，有哪些類型，它們所含秒數(shù)是不是確定的呢？
先來看天，也就是日。
第一個是太陽日（Solar day），它是太陽連續(xù)兩次到達天空最高點之間經(jīng)過的時間。它的值是 86400 秒。
這數(shù)字有點巧吧？你大概知道，秒是根據(jù)原子物理來定義的，一個太陽日竟然剛好是 24 3600 秒，為什么？
因為秒以前就是按照將一個太陽日分成 86400 份來定義的！直到 1967 年，才采用原子物理的方法重新定義，具體定義是：
1 秒定義為未受擾的基態(tài) 的超精細能級之間的躍遷周期的 9192631770 倍。
注意，雖然秒被重新定義了，但沒有改變秒的實際大小，而是兼容了之前的定義（上面定義中的那個長長的數(shù)字，正是遷就之前的定義的結(jié)果）。也就是說，一天仍然近似是 86400 秒。只不過，秒的生產(chǎn)及復(fù)制的標準采用了更精密的原子物理的方法。
當然，太陽日的時間實際上在變化。具體說有兩方面的變化，一是在一年內(nèi)會起伏，但這種起伏有正有負，因而不會積累；二是受到月球的引潮力的作用，地球自轉(zhuǎn)會逐漸變慢，所以太陽日會逐漸變長，但這種變化非常慢。所以，總的來說，太陽日一般就認為是 86400 秒。
第二個是恒星日（Sidereal day），是指地球某一條子午線連續(xù)兩次正對同一顆恒星時的時間間隔。因為恒星是極其遙遠的，所以這個時間就是地球自轉(zhuǎn) 360 度的周期，為 23 小時 56 分 4 秒。換句話說，恒星日就是地球自轉(zhuǎn)周期。
由于引潮力的原因，地球自轉(zhuǎn)周期會變長，所以恒星日的值也在微弱地增加。
一個有意思的問題：太陽日為什么比恒星日要長一點？
可以根據(jù)下圖來理解。
1 和 2 之間是恒星日，地球剛好完成了一次完整的自轉(zhuǎn) —— 某條子午線 A 再次正對恒星。但在 2 這個位置，子午線 A 處太陽的光并不是正好從頭頂直射下來，地球須繼續(xù)走一小段才能使太陽正對該處。
這個過程中，地球再多轉(zhuǎn)一個小小的角度，達到 3 這個位置時，太陽高度才達到最大，所以 1 和 3 之間是太陽日。它比恒星日長 3 分 56 秒。
相比恒星日，太陽日這個名詞用得更多。平時我們說一天，一般默認就是指太陽日，它就是 24 小時，即 86400 秒。我們說一年含有多少天里的“天”也是指太陽日。
講完了天，再來看年。
首先是回歸年（Tropical year），又稱為太陽年（Solar year），是指太陽連續(xù)兩次通過春分點的時間間隔。每個回歸年的具體長度是不同的，每過一年，回歸年會產(chǎn)生 6.14× 天的長度變化。目前回歸年的大小是 365.24219879 天，即 365 天 5 小時 48 分 46 秒，這是根據(jù)計算 121 個回歸年的平均值得到的。
其次是恒星年（Sidereal year），它是指地球繞太陽一周實際所需的時間。也就是從地球上觀測，以太陽和某一個恒星在同一位置上為起點，當觀測到太陽再回到這個位置時所需的時間。一個恒星年比一個回歸年長約 20 分 24 秒。
需要說明的是，恒星年與回歸年是兩種不同的時間體系，恒星年只在天文上使用，它記錄的是原子時。
回歸年也好，恒星年也好，都是變化的，換句話說，這些年所包含的秒數(shù)都是不完全確定的。既然這些年的時間長度不確定，那么光年里的這個“年”不可能是這些“年”中的任何一個，否則光年就變成了不確定的長度了。
光年中的“年”是另外重新定義的一種年，叫儒略年（Julian Year），它等于 365.25 個太陽日，即 365.25 86400s。
儒略年原本是指儒略歷中的一年的長度，指 365 天或 366 天，平均為 365.25 天。儒略歷由凱撒大帝在希臘數(shù)學(xué)家和天文學(xué)家的幫助下設(shè)計，并于公元前 45 年 1 月 1 日起開始使用。因為它比實際的太陽年（365.24219879 天）明顯大一些，每隔 128 年就會增加一天，這個誤差有點大，所以在 1582 年被公歷年取代。
現(xiàn)在，儒略年只是天文中測量時間的單位，它的大小是 365.25 86400 秒，也就是 365.25 個太陽日。儒略年并不對應(yīng)特定的歷史年份，因此儒略年現(xiàn)在與任何歷法都沒有關(guān)聯(lián)，也與任何其他形式年的定義沒有關(guān)聯(lián)。
再說一下我們?nèi)粘Ｉ钪谐Ｕf的那個年，它叫公歷年（Gregorian year），它是公歷（Gregorian calendar）中規(guī)定的一年的平均長度。公歷也叫格里歷，由羅馬教皇格里高利十三世批準頒行，并于 1582 年 10 月 15 日開始使用。
公歷年的大小為 365.2425 天，也就是 365.2425X86400 秒，與實際的太陽年的長度 365.24219879 天非常接近，在將近 7700 年的時間內(nèi)也只會導(dǎo)致一天的誤差，這就是格里歷能取代儒略歷的原因。
你可能會問，既然公歷年的平均長度比儒略年的值更接近回歸年，為什么不采用它來定義光年單位中的“年”呢？
簡單的說就是，公歷年牽扯到太多的東西，而儒略年既然已經(jīng)退出歷史舞臺賦閑在家，用它來定義一個新的單位，不會有啥不好的影響，還順便紀念了一下這個在歷史上長期使用的歷法年。
實際上，儒略年并不是國際單位制（SI）中的計量單位，而是專門為國際天文學(xué)聯(lián)合會（IAU）使用的單位，并成為了光年定義的基礎(chǔ)。
下面來算一下，1 光年的長度到底有多大？
不錯，9460730472580800 米，這就是 1 光年的確切長度。注意，“確切”二字說明它沒有任何近似，它的值是被人為定義的。
所以，光年與真空中的光速一樣，也是一個被定義的確切值！
本文來自微信公眾號：大學(xué)物理學(xué) （ID：wuliboke），作者：薛德堡
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