Чому астрономи не використовують лічильники для вимірювання астрономічних відстаней?

74

В астрономії відстані, як правило, виражаються в неметрічних одиницях, таких як: світлові роки, астрономічні одиниці (АС), парсеки тощо. Чому вони не використовують вимірювачі (або їх кратні) для вимірювання відстаней, оскільки це одиниця СІ для відстань? Оскільки вимірювач вже використовується у фізиці частинок для вимірювання розміру атомів, чому його не можна було використовувати в астрофізиці для вимірювання великих відстаней у Всесвіті?

Наприклад:

МКС орбітує близько 400 км над Землею.
Діаметр Сонця - 1,39 Гм (гігаметри).
Відстань до галактики Андромеди становить 23 Зм (зеттаметри).
У найдальшій точці Плутон знаходиться в 5,83 Тм (тераметрів) від Сонця.

Редагувати: деякі відповіли, що вимірювачі занадто малі і тому не є інтуїтивно зрозумілими для вимірювання великих відстаней, проте існує маса ситуацій, коли це не проблема, наприклад:

Байти використовуються для вимірювання гігантської кількості даних, наприклад терабайт (1e + 12) або петабайт (1e + 15)
Енергія, що виділяється великими вибухами, зазвичай виражається в мегатонах, що базується на грамах (1е + 12)
Одиниця SI Герц часто виражається в гігагерцах (1e + 9) або терагерцах (1e + 12) для вимірювання частот мережі або тактових частот процесора.

Якщо основною причиною невикористання лічильників є історична, чи розумно очікувати, що SI-об'єднання стануть еталоном в астрономії, як і більшість країн світу для щоденних вимірювань перейшли з рідних на SI-одиниці?

distances units

— Арне
джерело

13

Тому що це не корисно робити.

— очне яблуко

12

Як ви думаєте, що таке Ангстрем чи Фермі? Або комора? Фізики не завжди вказують речі в СІ і з тієї ж причини.

— Роб Джефріс

17

З тієї ж причини, що ви купуєте рис у КГ, а не на зерно.

— dotancohen

24

Тому що ви хочете, щоб одиниці мали відношення до вимірюваних об'єктів. Якби я сказав вам, що я

завдовжки дошки, чи допоможе вам уявити, наскільки я високий?

1.13 * 10^{35}

$1.13*10^{35}$

— Дмитро Григор’єв

15

@MartinArgerami Щоправда, але якщо хтось скаже мені, що вони заввишки 57 футів, я відразу помічу помилку (і я думаю, що американець не повірить мені, якщо скажу їм, що я висота 18 метрів). З довжиною Планка навіть помилка на порядок може бути не очевидною.

— Дмитро Григор’єв

81

Окрім відповіді, яку надає @ HDE226868, є й історичні причини. До появи використання радіолокаційного радіолокатора, щоб знайти відстані у Сонячній системі, нам довелося використовувати інші розумні методи пошуку відстані від Землі до Сонця; наприклад, вимірювання транзиту Венери по поверхні Сонця . Ці методи не такі надто точні, як доступні сьогодні, тому має сенс визначати відстані, які базуються на вимірюванні паралаксами, з точки зору невизначеної, але фіксованої відстані Земля-Сонце. Таким чином, якщо майбутні вимірювання змінять значення конверсії від АС до метрів, вам не доведеться змінювати стільки паперів і підручників.

Не кажучи вже про те, що такі невизначеності калібрування вносять в аналіз корельовані помилки, які не підлягають поправці, використовуючи великі розміри вибірки.

Я не можу авторитетно говорити про фактичну історію, але вимірювання Сонячної системи спочатку проводилися з точки зору відстані Земля / Сонце. Наприклад, невелика геометрія показує, що досить просто відмовити розміри орбіти Венери та Меркурія в АС від їх максимального подовження у Сонячній області. Я не знаю, як вони розробляли орбітальні радіуси Марса тощо, але вони були майже напевно зроблені в АС задовго до того, як про АС було відомо, і все це до того, як система МКС існувала, не кажучи вже про стандартизацію.

Для зірок основа того, що в астрономії називається "космологічною драбіною відстані" (тобто "всі відстані вимірювання"), спирається на вимірювання кута паралакса:

засмага π_{а н г л е} = \frac{1 А U}{D} .

$\tan \pi_{\mathrm{angle}} = \frac{1 AU}{D}.$ Вимірювати

D

$D$ у "парсеках" - це налаштувати рівняння таким чином, щоб кут, який вимірюється у дугових секундах, відповідав наближенню малого кута. Тобто:

\frac{D}{1 p а r с е c} = \frac{\frac{π}{180 \times 60 \times 60}}{засмага (π_{а н г л е} \frac{π r а г i а н с}{180 \times 60 \times 60 а r c с е c})} .

$\frac{D}{1\, \mathrm{parsec}} = \frac{\frac{\pi}{180\times60\times60}}{\tan\left(\pi_{\mathrm{angle}} \frac{\pi\, \mathrm{radians}}{180\times60\times60 \, \mathrm{arcsec}}\right)}.$ Іншими словами,

1 parsec = \frac{180 \times 3600}{π} AU

$1\operatorname{parsec} = \frac{180\times 3600}{\pi} \operatorname{AU}$ .

Астрономи також мають помітну перевагу перед близьким родичем mks / SI одиниць, відомим як cgs . Наскільки я можу сказати, це пов’язано з впливом спектроскопістів, які сподобалися його частинам "гауссових одиниць" за електромагнетизм, оскільки він встановив постійну Кулоба до 1, спрощуючи обчислення.

— Озеро Шон
джерело

16

Я б сказав, що це правильна відповідь, тоді як той, який надає HDE 226868, не є. З точки зору людської зрозумілості, наприклад, вимірювання сонячної системи AU не є більш-менш інтуїтивно зрозумілим, ніж вимірювати її в гігаметрах (або, можливо, тераметрах; 1 AU ≈ 150 Gm = 0,15 Tm). Однак неметричні одиниці все ще зберігаються через історичну інерційність, і той факт, що вони були (а іноді й досі є) зручнішими у тих випадках, коли деяку відстань можна виміряти в деяких конкретних одиницях точніше, ніж довжина самих цих одиниць. бути заходами в метрах.

— Ільмарі Каронен

3

Мені подобається ця відповідь. Ви можете продовжити це, зазначивши, що вподобаний показник зоряної відстані - це парсек, оскільки його можна обчислити точно у співвідношенні AU, (648000 AU = \ pi parsec)

— Джеймс К

3

Інша історична паралель цієї ситуації походить з хімії, де є велика перевага говорити про "родимки" речовини, а не про певну кількість молекул цієї речовини. Справа не лише в тому, що кількість молей рідше вимагає вираження наукових позначень; також, що напрочуд довго (до початку 20 століття) хіміки насправді не знали, скільки молекул було в молі.

— Майкл Сейферт

3

Взагалі фізики не люблять необроблених цифр. Вони дуже люблять виражати величини як безрозмірні числа, які виражають певну властивість системи. Це полегшує міркування про речі. Отже, якщо ви розглядаєте планетарну систему, працювати в АС (тобто виражати відстані як кратну земну орбіту) - це дуже розумно.

— drxzcl

1

Астрономи серйозно не використовують pi_angle для кута паралакса, чи не так? Це здається потенційно заплутаним =).

— Кріс Чудзіцький

24

Я б сказав, що це також робить матеріал більш доступним для людського розуму.

Я просто не можу працювати з шалено великими чи малими числами. Вони не несуть ніякого значення.

Але 1 АС легко, навіть якщо я не знаю, я точно знаю, що це в метрах, я знаю, що це означає і це зручна шкала для розуму.

Так само, коли ми говоримо про зоряні відстані, яке використання має відстань у метрах (або AU)? Більше сенсу працювати з світловими роками. Знову ж таки, більшість людей знає, що це означає, навіть якщо вони точно не знають, що це за метри.

І коли ми ідемо космічно, ви також говорите про колосальні часи в минулі, тож світлові роки мають тут подвійне значення. Якби я сказав вам відстань у метрах, це не одразу говорить вам про те, наскільки це далеко назад у часі.

Тож я думаю, що це питання зручності та розуміння.

— StephenG
джерело

10

Що з байтами? Здається, ніхто не має проблем із використанням байтів для надзвичайно великих чисел, якщо це KB, MB, GB, TB, PB тощо. Ніхто не вважає, що ці одиниці є неінтуїтивними, або нам потрібна зовсім інша одиниця, коли розмір перевищить деяку межу. Я не впевнений, чому це було б інакше стосовно вимірювача та великих вимірювань.

— Арн

2

На мій погляд, КБ, МБ, туберкульоз тощо, більшість людей насправді не розуміють. Що байт? Що таке туберкульоз? Для більшості вони трохи більше, ніж маркетингові етикетки. Я думаю, що єдині люди, які їх розуміють, - це професіонали, які повинні. А для комп'ютерного типу (винного) ці вимірювання досить прості. YMMV.

— StephenG

6

@Arne: Як великий фактор інформатики, я хотів би зазначити, що ми (інформатики) використовуємо не-СІ кількість байтів для розмови про пам'ять. KB, MB, GB, TB, PB тощо не є одиницями СІ. Наприклад, 1 МБ = 1024 Кб, а не 1000, як це було б у системі СІ. Ми використовуємо базу 2, а не базу 10.

— Шар

3

@pipe KiB, MiB, ... за визначенням є базовими-2. KB, MB, ... неоднозначні і можуть використовувати або базу-2, або базу-10 для загального використання.

— CVn

6

@pipe: Навпаки, база 2 вбудована в апаратне забезпечення на самому базовому рівні. Що стосується шахрайства на кордоні, - це маркетологи, які використовують повноваження 10, щоб перебільшити обсяг своєї пам'яті.

— jamesqf

9

Поряд з іншими відповідями, існує ще одна причина, зокрема при вимірюванні відстаней до інших галактик.

Заявляючи відстань до інших галактик, астрономи рідко коли-небудь констатують відстань у будь-якій одиниці довжини, вони, як правило, використовують червоні зміни ( z ). Це пристрій НЕ на насправді одиниця довжини (це безрозмірна відношення довжин хвиль), а також нелінійно перетворень на відстань ( г = 2 це НЕ вдвічі далі, г = 1 ), і не існує звільнена перетворення між червоним зміщенням та відстань (це залежить від того, яку модель Всесвіту ви припускаєте).

Redshift використовується, тому що його можна дуже точно виміряти. У спектрах зірки чи галактик є особливості, за якими ми знаємо точну довжину хвилі, яку вони випромінюють, і тому червоне зміщення може бути обчислено точно:

z = \frac{λ_{о б с}}{λ_{е м}} - 1

$z=\frac{\lambda_{obs}}{\lambda_{em}}-1$

Це властивість, що спостерігається, точне (в межах експериментальної помилки). Перетворення цього на відстань є заплутаним: ви говорите про відстань, яку об'єкт знаходиться від нас миттєво зараз , або миттєво, коли вийшов фотон, який ви бачите , або про відстань, яку пройшов фотон, який ви бачите ? Ви хочете взяти до уваги місцевий рух, а також розширення Хаббла (всесвіт)? Додайте до цього форму Всесвіту, швидкість розширення Всесвіту, швидкість зміни розширення Всесвіту (темна енергія / константи Хаббла / інші ефекти), і ви бачите, що будь-яке перетворення на фактичну відстань проблематично і вимагає, щоб ви точно визначили, який тип конверсії та які припущення. Простіше зупинитися на чітко визначеному зручному червоному зміні.

Хороша робота (ступінь), яка узагальнює всі різні типи космологічних відстаней та їх обчислення, - Хогг 2000 .

— Джонатан Твіт
джерело

Джонатан: у Введенні Хогга, чи правильно всі відстані вимірюються по нульовій радіальній прямій? Гравітаційне лінзування мені прийшло в голову ... У тому сенсі, що очевидно, що фотон припиняється на мене як на спостерігача, але я б очікував (в принципі, не в абсолютному сенсі ... Різниця може бути незначною), що він робить після того, як "зігнувся" ". Сподіваюся, зрозуміло, що я маю на увазі.

— Алхіміста

7

Ще одна ще не згадана причина:

Для таких відстаней не було використаних префіксів SI.

Якщо ви хочете використовувати одиницю, вам потрібно щось, що дозволяє виразити конкретну кількість, не надто багато ведучих або кінцевих нулів. Я не виражаю зріст людини як 1 670 000 мкм або розмір бактерій як 0,000 02 м.

Якщо ви подивитесь на таблицю префіксів, ви побачите, що гіга та тера були визначені вперше в 1960 році. Але визначення не включає використання, і ці визначення були настільки ж екзотичними, як октиліон ; впевнений, що він існує як визначення, але ніхто не використовує його і не знає про його існування. Під час академічних досліджень фізики у 90-х роках (!) Це ще не було широко відоме, через 30 років після введення. Ще багато вчених взагалі не використовують гіга- або тера-. Підказка на Герріт: Фізики використовували частоти з приставкою giga- / tera-, я забув це.

1 AU - це 150 гігаметрів або 0,15 тераметра. Якщо ви використовуєте світлові роки, 1 світловий рік - це вже 9500 тераметрів, що не є зручною одиницею. Через тридцять років вони, нарешті, ввели деякі придатні метричні префікси, але я все одно мушу знайти когось, хто використовує екза-, пета-, йотта- чи зетта.

— Торстен С.
джерело

Коментарі не для розширеного обговорення; ця розмова перенесена в чат .

— закликав2voyage

5

Можливо, потрібно повернутися назад у часі і подумати, чому кубіт (довжина передпліччя), ліга (відстань пішла за одну годину), стопа, (метр - одна десятимільйонна квадрант Землі ?? і так, можливо, слід не бути у цьому списку) тощо вибрали як одиниці відстані?
Їх було легко зрозуміти та відтворити, в той же час вони були шкалою, порівнянною з відстанями, що підлягають вимірюванню.
Так у сучасному світі люди обрали подальші одиниці відстані, які спочатку мали ці характеристики.

Після того, як ці нові підручники здобувають прихильність і пишуть папери, підручники тощо, їх важко позбутися, а деякі скажуть - "Чому турбуватись?".

— Ферчер
джерело

4

Я не знаю, як це у вашій країні, але тут, у Росії, астрономічні статті та новини дуже часто повідомляють про астрономічні відстані в кілометрах, мільйонах кілометрах, мільярдах кілометрах, трильйонах кілометрів і т. Д. Просто ми не використовуємо одиниці, такі як гігаметри, петаметри тощо, але кілометр - це стандартна одиниця в астрономії.

— Анікс
джерело

2

Я думаю, ви говорите про статті в популярних публікаціях, але не про професійні астрономічні журнали.

— Вальтер

4

Уже дано кілька чудових відповідей. Але ніхто не говорив про логарифмічне сприйняття. ( https://en.wikipedia.org/wiki/Weber%E2%80%93Fechner_law )

$10 metres$ $100 metres$ $100 metres$ $1 km$

Ілюстрація закону Вебера-Фехнера. З кожного боку нижній квадрат містить на 10 крапок більше, ніж верхній. Однак сприйняття різне: на лівій стороні чітко видно різницю верхнього та нижнього квадрата. З правого боку обидва квадрати виглядають майже однаково.

$1$ $10$

— Agile_Eagle
джерело

2

"люди розуміють різницю між 1 і 10 парсексами краще, ніж це було б, якби ті самі дані були представлені в метрах". Просто додайте один із префіксів SI для метрів, і ви отримаєте ту саму числову ситуацію. Це насправді не пояснює, чому парсекс, а не петаметри (Pm).

— Триларіон

1

Ви могли б назвати парсекс петаметрами . Ми просто вирішили, що парсек звучить краще.

— Agile_Eagle

також parsec є зручним, оскільки його визначення дозволяє дуже легко обчислити відстань за допомогою паралакса

— Agile_Eagle

Я повністю згоден, це було дуже зручно. Я думаю, що врешті-решт це здебільшого питання конвенції.

— Триларіон

2

Одиниці типу лічильників просто занадто малі, щоб використовуватись при вимірюванні відстаней в астрономічному масштабі. Хоча теоретично можна використовувати лічильники у поєднанні з науковими позначеннями, це зайво важко. Одна астрономічна одиниця - відстань між Землею і Сонцем, це виступає як своєрідна космічна метрова палиця.

— Danielwalsh100
джерело

1

За винятком того, що відстань між Сонцем і Землею постійно змінюється, тому АС потрібно було визначати в деяких інваріантних одиницях ...

— CVn

1

АС - це напівмагістральна вісь, яка досить близька до інваріантної.

— користувачLTK

1

"Одиниці типу лічильників просто занадто малі ..." Потім використовуйте префікс, щоб зробити їх більшими, наприклад, петаметр (Pm). Я не бачу великого недоліку.

— Триларіон

2

Астрономи не можуть і не можуть вимірювати відстані. Відстані випливають лише з того, що було виміряно, наприклад, кут, відносна світність, часовий період тощо. Більшість астрономічних визначень відстані в кінцевому рахунку залежать від відстані Земля-Сонце (астрономічна одиниця), що, отже, має принципове значення (і лише в сучасний час це відомо з хорошою точністю). Для зірок, що знаходяться поблизу, кут паралакса безпосередньо пов'язаний з відстані, але відстань, що випливає з цього, не є належним виміряною відстані: його невизначеність зазвичай не розподіляється (подумайте про негативне вимірювання паралакса).

Звичайно, астрономи знають, скільки метрів парсек, і знають, що використання лічильників для галактичних відстаней лише заплутано, тому що ви повинні бути впевнені, що отримуєте правильну кількість 0000 весь час (або правильну потужність десять).

Нарешті, на відміну від фізики частинок, астрономія як наука передує системі лічильників, принаймні її широкому використанню. Перехід від добре працюючої системи на щось інше лише заради відповідності СІ, але за ціною незручностей та плутанини здається дурною ідеєю.

— Вальтер
джерело

"Відстані просто випливають із того, що насправді було виміряно ..." Чи не завжди це так? Спостереження рідко є прямими, і часто вам доводиться робити висновок про значення, яке вас цікавить так чи інакше. Це не робить його менш достовірним вимірюванням. Просто неправильно стверджувати, що ви не можете вимірювати відстані в астрономії.

— Триларіон

2

На мою думку, відповідь - це умовність (і люди віддають перевагу невеликій кількості цифр).

Насправді це не більше. Будь-який префікс до довжини однаково добре діє, якщо ви отримаєте право конверсії, і люди у вашому полі знають про це .

Фізично немає різниці між 1 м і 1 000 000 мкм.

Отже всі питання типу: "Чому для вимірювання XYZ вибрано цей префікс замість того, щоб заміряти XYZ?" мають таку ж відповідь. Це зводиться до того, що зручніше і в кінцевому рахунку досить суб'єктивно.

— Триларіон
джерело

1

Важко пов'язати щось на зразок тераметра з "реальною довжиною", через незнання фізичних об'єктів для їх порівняння. Також тому, що через деякий час ці одиниці стають просто «настільки багато нулів». Тому я б запропонував таке:

Космічна гранична одиниця (СМУ): 1 000 000 метрів або приблизно відстань від одного кінця Франції до іншого. Мінімальна відстань, яку два космічні апарати повинні мати один від одного, перш ніж їм доведеться координувати траєкторії або переходити до стикувальних виробників. (Дайте мені трохи призупинення невір'я тут, люди.)

Довжина земної орбіти (LEO): 1 000 000 000 000 метрів, відстань, яку Земля проходить за один рік. (Відстань насправді приблизно на 6% менше, але LEO - це те, що можна візуалізувати.)

Каїд: 1 000 000 000 000 000 000 метрів. Це трохи більше, ніж відстань звідси до зірки Алкаїда.

Вищезгадане охоче піддається щоденній розмові - якщо ми коли-небудь потрапимо до того, що ми говоримо про такі речі щодня!

— Дженніфер
джерело

2

А як щодо наукових позначень? ми можемо використовувати це замість нулів, ні?

— A --- B

5

Я не бачу, як це відповідає на питання. Крім того, LEO є поширеною абревіатурою для низької орбіти Землі , що є чимось на відміну від орбіти Землі навколо Сонця.

— CVn

2

"Важко пов'язати щось на зразок тераметра з" реальною довжиною "" Дійсно? Для мене парсек настільки ж важкий, щоб відновити його до тієї довжини, яку я можу відчути. Моя проста думка полягає в тому, що деякі зірки та галактики просто дуже, дуже далеко. І що 1 тераметр є чітко визначеним і тому повинен мати значення.

— Триларіон

1

Проста відповідь така: більші одиниці, такі як АС або світлові роки, людському мозку легше запам'ятати. І, нам слід уникати розміщення одиниць з багатьма нулями, що відстають після перших кількох цифр, наприклад: 1 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 метрів. ми могли використовувати АС або для ще більших відстаней, світлових років. Якщо вона була коротшою, то ми холодні, все-таки використовуємо лічильники, але з показником.

— Лев Пан
джерело

1 AU становить приблизно 0,15 Tm, якщо ви використовуєте правильний префікс, у вас немає надмірних нулів. Розмір молекули води 0,275 нм, ми не говоримо 0,000000000275 метрів.

— Арне

0

Тому що відстань кускова . Але байти, гіки і дзижчить змінюватися плавно .

Ті приклади з ОП, де метричні префікси стали традиційними - терабайти, мегатони, гігагерці - це сфери, в яких людський досвід безперервно проходив через порядок.

Не було жорстких, стійких порогів у зростанні жорстких дисків, ІМС чи кабелів . За винятком невеликої липкості при потужностях 2, цей прогрес був безперервним.
Вибухи поступово зростали протягом історії. Були рідкісні великі стрибки, такі як атомна зброя, але навіть не існує ніяких магічних чисел. Якби кожна термоядерна бомба мала однаковий вихід, то, можливо, це стало б науковою одиницею, але вони різнилися в усьому світі .
Існує кілька магічних частот, давно знайомих людині. Електромагнітні хвилі мають яскравий острів у частотному спектрі при видимому світлі . Але навіть це намазано через октаву (400-800 Терагерц), і є широкі океани непересічної однорідності в обидва боки.

Знайомство людини з дистанцією, з іншого боку, тривало підходить і починається."Нас обмежувала лише земля, і океан, і небо", - сказав Саган . Ті жорсткі межі подорожей людини зберігалися тисячоліттями. Крок дорослої людини - давній, вузький, знайомий острів на спектрі відстаней. Відстань до сонця завжди була знайомою і, мабуть, великою, задовго до того, як хтось міг її виміряти. Тому терміни для них зберігаються. "Lightyear" прив'язує сюрреалістичну кількість до двох матеріальних цінностей, які навряд чи можуть бути більш звичними. І вони обидва суворі межі, навіть якщо їх поєднання немає.

Час - це ще одна громіздка область для людини, з глибокими тріщинами в день, рік, подих. Жодні метричні префікси на одному блоці не обійдуться.

— Боб Штейн
джерело