Por que os astrônomos não usam medidores para medir distâncias astronômicas?

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Em astronomia, as distâncias são geralmente expressas em unidades não métricas como: anos-luz, unidades astronômicas (AU), parsecs, etc. Por que eles não usam metros (ou múltiplos deles) para medir distâncias, pois são a unidade SI para distância? Como o medidor já é usado na física de partículas para medir o tamanho dos átomos, por que não poderia ser usado na astrofísica para medir as grandes distâncias no Universo?

Por exemplo:

A ISS orbita cerca de 400 km acima da Terra.
O diâmetro do Sol é de 1,39 Gm (gigametros).
A distância para a galáxia de Andrômeda é de 23 Zm (zettameters).
No seu ponto mais distante, Plutão está a 5,83 Tm (terômetros) do Sol.

Edit: alguns responderam que os medidores são muito pequenos e, portanto, não são intuitivos para medir grandes distâncias, no entanto, existem muitas situações em que isso não é um problema, por exemplo:

Os bytes são usados para medir quantidades gigantescas de dados, por exemplo, terabytes (1e + 12) ou petabytes (1e + 15)
A energia liberada por grandes explosões é geralmente expressa em megatons, que é baseada em gramas (1e + 12)
A unidade SI Hertz é frequentemente expressa em gigahertz (1e + 9) ou terahertz (1e + 12) para medir frequências de rede ou velocidades de clock do processador.

Se a principal razão para não usar medidores for histórica, é razoável esperar que as unidades SI se tornem o padrão em astronomia, como a maioria do mundo mudou de unidades nativas para unidades SI para medições diárias?

distances units

— Arne
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Porque não é útil fazer isso.

— eyeballfrog

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O que você acha que um Angstrom ou um Fermi são? Ou um celeiro? Os físicos nem sempre especificam coisas no SI e pelo mesmo motivo.

— Rob Jeffries

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Pela mesma razão que você compra arroz em KG, não pelo grão.

— dotancohen

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Porque você deseja que as unidades se relacionem com os objetos que estão sendo medidos. Se eu lhe que tenho prancha tem um comprimento alto, isso ajudaria você a imaginar o quão alto eu sou?

1.13 * 10^{35}

$1.13*10^{35}$

— Dmitry Grigoryev

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@MartinArgerami É verdade, mas se alguém me disser que tem 57 pés de altura, eu logo identificarei um erro (e acho que um americano não acreditará em mim se eu disser que tenho 18 metros de altura). Com comprimentos de prancha, mesmo um erro de ordem de magnitude pode não ser óbvio.

— Dmitry Grigoryev

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Além da resposta fornecida por @ HDE226868, há razões históricas. Antes do advento do uso do radar para encontrar distâncias no sistema solar, tivemos que usar outros métodos inteligentes para encontrar a distância da Terra ao sol; por exemplo, medindo o trânsito de Vênus através da superfície do sol . Esses métodos não são tão precisos quanto os disponíveis hoje em dia, portanto, faz sentido especificar distâncias, todas baseadas na medição de paralaxes, em termos da distância incerta, mas fixa, entre Terra e Sol. Dessa forma, se futuras medições alterarem o valor da conversão de AU para metros, você não precisará alterar tantos papéis e livros didáticos.

Sem mencionar que essas incertezas de calibração introduzem erros correlatos em uma análise que não pode ser derrotada usando grandes tamanhos de amostra.

Não posso falar com autoridade sobre a história real, mas as medições do sistema solar foram todas inicialmente feitas em termos da distância Terra / Sol. Por exemplo, um pouco de geometria mostra que é bastante simples retroceder o tamanho da órbita de Vênus e Mercúrio na UA a partir de seu alongamento solar máximo. Não sei como eles calcularam os raios orbitais de Marte, etc., mas quase certamente foram feitos na UA muito antes de a UA ser conhecida, e tudo isso antes da existência do sistema MKS, e muito menos se padronizar.

Para estrelas, a base do que é conhecido como "escada de distância cosmológica" (ou seja, "todas as medidas de distância" em astronomia) repousa na medição do ângulo de paralaxe: Medir em 'parsecs' é configurar a equação para que o ângulo medido em segundos de arco se ajuste à aproximação do ângulo pequeno. Ou seja: Em outras palavras, .

\tan π_{a n g l e} = \frac{1 A U}{D} .

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

D

$D$

\frac{D}{1 p a r s e c} = \frac{\frac{π}{180 \times 60 \times 60}}{\tan (π_{a n g l e} \frac{π r a d i a n s}{180 \times 60 \times 60 a r c s e c})} .

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

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

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

Os astrônomos também têm uma preferência marcante pelo primo próximo de unidades mks / SI, conhecido como cgs . Tanto quanto posso dizer, isso se deve à influência dos espectroscopistas que gostaram da parte "unidades gaussianas" no eletromagnetismo, porque definiu a constante de Coulomb como 1, simplificando os cálculos.

— Sean Lake
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Eu diria que esta é a resposta correta, enquanto a fornecida pelo HDE 226868 não é. Em termos de compreensibilidade humana, medir, por exemplo, o sistema solar é AU, não é mais ou menos intuitivo do que medi-lo em gigômetros (ou talvez em termômetros; 1 AU ≈ 150 Gm = 0,15 Tm). No entanto, as unidades não métricas ainda persistem devido à inércia histórica e o fato de serem (e algumas vezes ainda são) mais convenientes nos casos em que alguma distância pode ser medida em algumas unidades particulares com mais precisão do que o comprimento dessas próprias unidades. medidas em metros.

— Ilmari Karonen

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Eu gosto desta resposta. Você poderia estendê-lo ao mencionar que a medida favoreceu de distância estelar é o parsec, uma vez que pode ser calculado exatamente em termos de AU, (648.000 AU = \ pi parsec)

— James K

3

Outro paralelo histórico a essa situação vem da química, onde há uma forte preferência em falar sobre as "toupeiras" de uma substância em vez de um certo número de moléculas dessa substância. Não é apenas que é menos provável que o número de toupeiras exija anotação científica; também é que, por um período surpreendentemente longo (até o início do século 20), os químicos não sabiam quantas moléculas havia em uma toupeira.

— precisa

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Em geral, os físicos não gostam de números brutos. Eles realmente gostam de expressar quantidades como números sem dimensão que expressam alguma propriedade de um sistema. Torna mais fácil raciocinar sobre as coisas. Portanto, se você está considerando um sistema planetário, trabalhar na UA (ou seja, expressar distâncias como um múltiplo da órbita da Terra) é uma coisa muito razoável de se fazer.

— drxzcl

1

Os astrônomos não usam seriamente pi_angle para o ângulo de paralaxe, não é? Isso parece potencialmente confuso =).

— 22417 Chris Chudzicki

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Eu sugeriria que isso também torna o material mais acessível para a mente humana.

Eu simplesmente não posso trabalhar com números incrivelmente grandes ou pequenos. Eles não transmitem significado.

Mas 1 AU é fácil, mesmo que eu não saiba exatamente o que é isso em metros, eu sei o que isso significa e é uma escala conveniente para a mente.

Da mesma forma, quando falamos de distâncias estelares, de que serve a distância em metros (ou AU)? Faz mais sentido trabalhar com anos-luz. Novamente, a maioria das pessoas sabe o que isso significa, mesmo que não saiba exatamente o que é isso em metros.

E quando nos tornamos cósmicos, você também está falando de tempos colossais no passado, então os anos-luz transmitem um duplo significado aqui. Se eu lhe dissesse a distância em metros, isso não informa instantaneamente quanto tempo está no tempo.

Então eu acho que é uma questão de conveniência e compreensão.

— StephenG
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E quanto a bytes? Ninguém parece ter problemas ao usar bytes para números extremamente grandes, seja KB, MB, GB, TB, PB etc. Ninguém acha que essas unidades não são intuitivas ou precisamos de uma unidade completamente diferente quando o tamanho exceder algum limite. Não sei por que isso seria diferente no que diz respeito ao medidor e às grandes medições.

— Arne

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Minha opinião é que KB, MB, TB e assim por diante não são realmente compreendidos pela maioria das pessoas. O que é um byte? O que é uma TB? Para a maioria, eles são pouco mais que rótulos de marketing. Eu acho que as únicas pessoas que os entendem são profissionais que precisam. E para um tipo de computador (culpado) essas medidas são bem diretas. YMMV.

— StephenG

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@Arne: Como especialista em ciência da computação, gostaria de salientar que nós (cientistas da computação) usamos um número não-SI de bytes ao falar sobre memória. KB, MB, GB, TB, PB etc. não são unidades SI. Por exemplo, 1 MB = 1024 KB, não 1000 como faria em um sistema SI. Usamos a base 2, e não a 10. #

— sharur

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@pipe KiB, MiB, ... são por definição base-2. KB, MB, ... são ambíguos e podem usar base 2 ou base 10 em uso comum.

— a CVn

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@pipe: Pelo contrário, a base 2 é incorporada ao hardware no seu nível mais básico. O que é uma fraude limítrofe são os profissionais de marketing que usam poderes de 10 para exagerar o tamanho de sua memória.

— Jamesqf

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Juntamente com as outras respostas, há um outro motivo, especificamente ao medir as distâncias para outras galáxias.

Ao declarar a distância de outras galáxias, os astrônomos raramente afirmam a distância em qualquer unidade de comprimento, e tendem a usar o desvio para o vermelho ( z ). Esta unidade não é realmente uma unidade de comprimento (é uma proporção adimensional de comprimentos de onda), nem converte linearmente para uma distância ( z = 2 não é o dobro de z = 1 ), nem existe uma conversão exceto entre desvio para o vermelho e distância (depende de qual modelo do universo você assume).

O desvio para o vermelho é usado porque pode ser medido com muita precisão. Existem características em um espectro de estrela ou galáxia que sabemos o comprimento de onda exato em que são emitidas e, portanto, o desvio para o vermelho pode ser calculado exatamente por:

z = \frac{λ_{o b s}}{λ_{e m}} - 1

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

Esta é uma propriedade exata observada (dentro do erro experimental). Converter isso para uma distância é confuso: você está falando sobre a distância em que o objeto está longe instantaneamente agora ou instantaneamente quando o fóton que você vê foi emitido ou a distância que o fóton que você vê viajou? Deseja levar em consideração o movimento local e a expansão do Hubble (universo)? Acrescente a isso a forma do universo, a taxa de expansão do universo, a taxa de mudança da expansão do universo (energia escura / constantes de Hubble / outros efeitos) e você verá que qualquer conversão para uma distância real é problemático e exigiria que você definisse exatamente que tipo de conversão e com quais suposições. É mais fácil ficar com o redshift bem definido e fácil de medir.

Um bom trabalho (grau) que resume todos os diferentes tipos de distâncias cosmológicas e seus cálculos é Hogg 2000 .

— Jonathan Twite
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Jonathan: na introdução de Hogg, é correto que todas as distâncias sejam medidas ao longo de uma linha radial nula? Lentes gravitacionais vieram à minha mente ... No sentido de que obviamente um fóton termina em mim como observador, mas eu esperaria (em princípio, não no sentido absoluto ... A diferença pode ser desprezível) que ocorre depois de ter "curvado" " Espero que esteja claro o que quero dizer.

— Alchimista

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Outro motivo ainda não mencionado:

Não havia prefixos de SI utilizáveis para essas distâncias.

Se você deseja usar uma unidade, precisa de algo que permita expressar uma quantidade específica sem muitos zeros à esquerda ou à direita. Não expresso a altura humana como 1 670 000 µm ou o tamanho de uma bactéria como 0,000 02 m.

Se você consultar a tabela de prefixos, verá que giga e tera foram definidos na primeira vez em 1960. Mas a definição não inclui o uso e essas definições eram exatamente tão exóticas quanto octillion ; Certifique-se de que exista como definição, mas ninguém a usa ou conhece sua existência. Durante os estudos acadêmicos em física nos anos 90 (!) ~~, Ainda não era amplamente conhecido, 30 anos após a introdução. Muitos cientistas ainda não usam giga- ou tera.~~ Dica de gerrit: Os físicos usavam frequências com o prefixo giga- / tera, eu esqueci isso.

1 AU é então 150 gigameter ou 0,15 terameter. Se você estiver usando anos-luz, 1 ano-luz já terá 9500 terâmetro, o que não é uma unidade conveniente. Trinta anos depois, eles finalmente introduziram alguns prefixos métricos utilizáveis, mas ainda preciso encontrar alguém que use exa-, peta-, yotta- ou zetta-.

— Thorsten S.
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Comentários não são para discussão prolongada; esta conversa foi movida para o bate-papo .

— Call2voyage

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Talvez seja necessário voltar no tempo e pensar por que o côvado (comprimento do antebraço), a liga (distância percorrida em uma hora), o pé, (metro - um dez-milionésimo de um quadrante da Terra) e talvez deva não seja esta lista) etc foram escolhidas como unidades de distância?
Eles eram facilmente compreensíveis e reproduzíveis, ao mesmo tempo em uma escala comparável às distâncias a serem medidas.
Assim, no mundo moderno, as pessoas escolheram outras unidades de distância que inicialmente tinham essas características.

Uma vez que essas novas unidades ganham favor e papéis, livros didáticos etc. são escritos, é difícil se livrar deles e alguns diriam: "Por que se preocupar?".

— Farcher
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Não sei como é o seu país, mas aqui na Rússia, artigos e notícias astronômicos relatam com frequência distâncias astronômicas em quilômetros, milhões de quilômetros, bilhões de quilômetros, trilhões de quilômetros etc. e assim por diante, mas o quilômetro é a unidade padrão em astronomia.

— Anixx
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Acho que você está falando de artigos em publicações populares, mas não de periódicos astronômicos profissionais.

— 285 Walter Walter

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Várias excelentes respostas já foram dadas. Mas ninguém falou sobre percepção logarítmica. ( https://en.wikipedia.org/wiki/Weber%E2%80%93Fechner_law )

Percebemos tudo aliado logarítmico. Para os seres humanos, a diferença entre e é a mesma que entre e . $10 metres$ $100 metres$ $100 metres$ $1 km$

Uma ilustração da lei de Weber – Fechner. Em cada lado, o quadrado inferior contém mais 10 pontos que o superior. No entanto, a percepção é diferente: no lado esquerdo, a diferença entre o quadrado superior e o inferior é claramente visível. No lado direito, os dois quadrados parecem quase iguais.

Portanto, é muito melhor medir a distância em escalas astronômicas em parsecs do que metros, porque os seres humanos entendem a diferença entre e parsecs melhor do que entenderiam se os mesmos dados fossem apresentados em metros. $1$ $10$

— Agile_Eagle
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"os seres humanos entendem a diferença entre 1 e 10 parsecs melhor do que entenderiam se os mesmos dados fossem apresentados em metros". Basta adicionar um dos prefixos de SI para metros e você terá a mesma situação numérica. Isso realmente não explica por que parsecs e não petametros (Pm).

— Trilarion

1

Você poderia ter nomeado parsecs como petémetros . Acabamos de decidir que o parsec parecia melhor.

— Agile_Eagle

Também parsec é conveniente, já que sua definição torna muito fácil para calcular a distância usando paralaxe

— Agile_Eagle

Concordo plenamente, foi muito conveniente. Penso que, no final, é principalmente uma questão de convenção.

— 24717 Trilarion

2

Unidades como metros são simplesmente pequenas demais para serem usadas ao medir distâncias em escala astronômica. Embora se possa, em teoria, usar medidores em conjunto com notação científica, é desnecessariamente difícil. Uma unidade astronômica é a distância entre a Terra e o Sol, que age como uma espécie de medidor cósmico.

— Danielwalsh100
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1

Exceto a distância entre o Sol ea Terra continua a mudar, por isso, a UA precisava ser definido em algumas unidades invariantes de qualquer maneira ...

— um CVn

1

A UA é o eixo semi-principal, que é bastante próximo de invariante.

— userLTK

1

"Unidades como medidores são simplesmente muito pequenas ..." Em seguida, use um prefixo para aumentá-las como, por exemplo, um petâmetro (Pm). Não vejo a grande desvantagem.

— Trilarion

2

Os astrônomos não medem e não podem medir distâncias. As distâncias são meramente inferidas do que realmente foi medido, como um ângulo, uma luminosidade relativa, um período de tempo, etc. (e somente nos tempos modernos é conhecido com boa precisão). Para estrelas próximas, o ângulo da paralaxe está diretamente relacionado à distância, mas a distância inferida a partir dessa distância não é uma distância medida adequada: sua incerteza não é normalmente distribuída (pense em uma medição negativa da paralaxe).

Os astrônomos sabem, é claro, quantos metros um parsec é e sabem que usar metros para distâncias galácticas é apenas confuso, porque você precisa garantir o número correto de 0000 o tempo todo (ou a potência correta de dez).

Finalmente, diferentemente da física de partículas, a astronomia como ciência é anterior ao sistema de medidores, pelo menos em seu uso mais amplo. Mudar de um sistema que funcione bem para outra coisa apenas por uma questão de conformidade com a SI, mas pelo preço de inconveniência e confusão, parece uma idéia estúpida.

— Walter
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"As distâncias são meramente inferidas do que realmente foi medido ..." Isso não é sempre assim? As observações raramente são diretas e, muitas vezes, você deve deduzir o valor do seu interesse de uma maneira ou de outra. Isso não a torna uma medida menos válida. É simplesmente errado afirmar que você não pode medir distâncias em astronomia.

— Trilarion

2

Na minha opinião, a resposta é convencional (e as pessoas preferem um pequeno número de dígitos).

Não há realmente mais do que isso. Qualquer prefixo para um comprimento é igualmente válido, desde que você obtenha a conversão correta e as pessoas em seu campo saibam disso .

Fisicamente, não há diferença entre 1 me 1.000.000 µm.

Portanto, todas as perguntas do tipo: "Por que esse prefixo é escolhido em vez daquele para medir XYZ?" tem a mesma resposta. Tudo se resume ao que é mais conveniente e é ultimamente bastante subjetivo.

— Trilarion
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É difícil relacionar algo como um terâmetro a "comprimentos reais", devido à falta de conhecimento dos objetos físicos para compará-los. Além disso, porque depois de um tempo, essas unidades se tornam apenas "muito mais zeros". Então, eu sugeriria o seguinte:

Unidade Marginal Espacial (SMU): 1.000.000 metros, ou aproximadamente a distância entre uma extremidade da França e a outra. A distância mínima que duas naves espaciais teriam que estar uma da outra antes de coordenar trajetórias ou entrar em manobras de atracação. (Dê-me um pouco de suspensão da descrença aqui, pessoal.)

Comprimento da órbita terrestre (LEO): 1.000.000.000.000 metros, a distância que a Terra percorre em um ano. (A distância é na verdade cerca de 6% menor que isso, mas o LEO é algo que pode ser visualizado.)

Kaid: 1.000.000.000.000.000.000.000 metros. Isso é um pouco mais do que a distância daqui até a estrela Alkaid.

Os itens acima se prestam prontamente à conversa cotidiana - se chegarmos a um ponto em que falamos sobre essas coisas todos os dias!

— Jennifer
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2

E a notação científica? podemos usar isso no lugar de zeros, não?

— A --- B

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Não vejo como isso responde à pergunta. Além disso, LEO é a abreviação comum de Low Earth Orbit , que é algo muito diferente da órbita da Terra ao redor do Sol.

— a CVn 22/03

2

"É difícil relacionar algo como um terâmetro com" comprimentos reais "" Sério? Para mim, um parsec é igualmente difícil relacioná-lo a um comprimento que eu possa sentir. Minha visão simples é que algumas estrelas e galáxias estão muito, muito distantes. E esse 1 terâmetro é claramente definido e, portanto, deve ter um significado.

— Trilarion

1

A resposta simples é: as unidades maiores, como AU ou anos-luz, são mais fáceis de lembrar para o cérebro humano. E devemos evitar colocar unidades com muitos zeros após os primeiros dígitos, por exemplo: 1.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000 metros. nós poderíamos usar AU ou para distâncias ainda maiores, anos-luz. Se fosse mais curto, bem, ainda usamos medidores a frio, mas com um expoente.

— Leo Pan
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1 AU é de cerca de 0,15 Tm, se você usar o prefixo correto, não terá zeros excessivos. O tamanho de uma molécula de água é 0,275 nm, não dizemos 0,000000000275 metros.

— Arne

0

Porque a distância é irregular . Mas bytes, booms e zumbidos variam sem problemas .

Esses exemplos do OP, onde os prefixos métricos se tornaram convencionais - terabytes, megatons, gigahertz - são domínios em que a experiência humana prosseguia continuamente em ordens de magnitude.

Não havia limites rígidos e persistentes no crescimento de discos rígidos, ICs ou cabos . Exceto por um pouco de viscosidade nas potências de 2, esse progresso foi contínuo.
As explosões cresceram gradualmente ao longo da história. Houve grandes saltos raros, como armas atômicas, mas mesmo assim não há números mágicos. Se todas as bombas de fusão tivessem o mesmo rendimento, talvez isso se tornasse uma unidade científica, mas elas variavam por todo o lugar .
Existem poucas frequências mágicas há muito conhecidas pelos humanos. As ondas eletromagnéticas têm uma ilha vívida no espectro de frequências à luz visível . Mas mesmo isso é espalhado por uma oitava (400-800 TeraHertz) e existem grandes oceanos de uniformidade normal nos dois lados.

O conhecimento humano da distância, por outro lado, prosseguia aos trancos e barrancos. "Estávamos limitados apenas pela terra, pelo oceano e pelo céu", disse Sagan . Esses limites rígidos nas viagens humanas persistiram por milênios. O passo de um adulto é uma ilha antiga, estreita e familiar no espectro das distâncias. A distância para o sol era sempre familiar, e aparentemente grande, muito antes que alguém pudesse medi-la. Portanto, os termos para estes persistem. "Lightyear" ancora uma quantidade surreal em dois tangíveis que dificilmente poderiam ser mais familiares. E ambos são limites severos, mesmo que a combinação deles não seja.

O tempo é outro domínio irregular para os seres humanos, com sulcos profundos na extensão de um dia, um ano, uma respiração. Nenhum prefixo métrico em uma única unidade funcionará.

— Bob Stein
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