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现在在每天下班,走在回家的路上,抬头望向夜空,天上无星无月,只有无尽的黑暗将你四周的霓虹灯凸显的更加明亮。在城市中打拼的打工人似乎已经习惯了这漆黑的夜。
为什么夜空是黑色的呢?这个像是在小学科普书籍《十万个为什么》里出现的问题,漆黑的夜空看似正常,其实背后隐藏着一个令人“绝望”的事实。
人们对夜空的误解小时候在看科普杂志的时候,大家看到的知识往往是这样的:早上太阳升起,太阳光让一切变得明亮,而晚上太阳移动到了地球的背面,没有太阳光的存在,所以一切都是黑的。人类也因此养成昼出夜归的习性。
这种说法对吗?对,但是不准确。我们人类确实因为没有太阳光而看不到东西。但这并不能解释夜晚天空是黑的,只能说是“人类在晚上看不到东西,没有太阳光人类感受到一片黑暗”。
要说清楚这个问题,我们得先讲人为何能看清楚物品,人为什么能感受到的了光亮。人眼是光的感觉器官,人类用人眼来接受来自于外界的信息。人眼中的角膜和晶状体能聚焦外界发射进眼睛的光线,之后再将图像投影到视网膜上。
视网膜受到投像后,利用里面的感光细胞,影像符号转化为电信号,并将其通过传递神经传给大脑,大脑接受信息后,开始综合分析,并最终形成人类所看到的景象。
所以,你能看到东西、能感觉到光亮与黑暗,是因为眼睛接触到了光。空气折射,物体的各种反射光让你觉得“亮”。你觉得“暗”的原因只是因为光不够多,无法把物体折射到你的视网膜里。
照小时候说的那一套太阳移动到背面就看不见的说法,只是因为太阳在你所处的地球的背面,你身在地球的影子中。四周的景物因为没有足够的光所以无法反射到人眼里,和夜空是黑的没有直接关系。
理论中的明亮夜空我们从很早以前就开始对这片宇宙有遐想了。天狗食日,嫦娥奔月……看起来,这片宇宙离我们很近,但实际的距离却很远。
爱因斯坦是最早一批敢于对这片浩瀚宇宙下定义的人,它的相对论让我们了解到了宇宙的时空概念,而后人类的天文望远镜,以及数次尝试着遨游太空,美国人登月,火箭发射,探测器飞向木星。天文航天方面的进步,让我们更了解这片宇宙,我们也了解到,地球不过是这片宇宙中非常渺小的灰尘罢了。
除我们地球外,宇宙中,还有许多行星,恒星这样的天体,有的恒星的大小甚至超过了太阳。这是经过无数代天文学家侦测,证实的不可否认的事实。并随着天文学的普及,也成为了我们的常识。
那么问题来了,既然宇宙中还有这么多恒星,它们发出的光应该是很亮的。如果说宇宙无限大,那这些恒星的亮也应该是无限大的。那么不管我们是否处于太阳背面,这些无穷亮的光都能把天上的天体照亮。那为什么天空却是漆黑一片的呢?这些光去哪里?
奥伯斯佯谬在1823年,德国的天文学家奥博斯便早早的想到了这个问题。奥博斯指出,如果宇宙是无限的稳定态,那处在无限宇宙的恒星的光也是无限大,那么夜晚该是永远光亮的。这就是著名的奥伯斯佯谬。
但是,就事实来说,现在我们头上的天空确实是一片漆黑。不管原因为何,这种说法肯定是错误的。那么问题就在于,奥伯斯的这个理论,错在了哪里?
关于这个问题,奥博斯自己是这样解释的:宇宙并不像我们之前常规观念所认为的,是透明的。宇宙空间里充满了黑暗的星体、尘埃和气体。当远处的星体发出光亮,会被这些星体、尘埃和气体挡住。光也因此传不到地球上来。
但这种说法被其他科学家驳回了。根据热力学第一定律我们可以得知,孤立的系统的能量永远守恒,恒星往黑暗星体传光的过程,是一个孤立的系统,所以在这个过程中,能量守恒。
即,受到恒星照射的黑暗星体,会开始变热,并开始放出辐射。这相当于黑暗星体表面上的温度,所以这个黑暗星体四周的天空应该与天空一样亮才对。
举个在现实中最能被人理解的例子,你晚上抬头看月亮,月亮是亮的,这就是因为月亮反射了太阳的光,月亮本身也不会发光,它也是黑暗星体。所以奥伯斯自己的解释不太能在科学家哪里站住脚。
可能的真相关于奥伯斯佯谬,现在通常是有两种解释,一是因为宇宙的年龄有限论,一是红移现象。
光的速度是有限的,如果我们要在无限的宇宙观察到由恒星发出的有限的光,这种事情说起来是很矛盾的。也就是说,没有出现奥伯斯佯谬中夜空也一片光亮的原因,是因为发出光的恒星离我们实在太远了,光无法传达。
人类观察宇宙,其实是在观察宇宙的历史时间。我们向往观察这些天上星体的过程,其实是观察的宇宙过往的历史。观察宇宙观察的是宇宙年龄,所以我们能观察到的年龄是有限的。
这个观念在天文学中被称为可观测宇宙。这是什么意思呢?这也就是说,以观测者作为中心的球体空间,从球体空间中心出发,观察者最后能探测到的物体之间的范围。即该范围边缘的物体所发出的光能够被观察者所接受的极限距离。这段距离,被称为可观察宇宙。2013,天文学家对宇宙年龄的估计约为138亿光年左右。
说通俗点,宇宙的年龄只有138亿年,所以我们能观测到的宇宙的年龄也就是138亿年,根据宇宙学原理推测,现在的可观测宇宙半径是465亿光年。正是因为宇宙中的部分区域太过于遥远,所以那些遥远区域发出的光芒没有足够的时间抵达地球。
简单来说,因为距离太远了,所以光够不到地球,所以地球接收不到。自然不会产生奥伯斯佯谬中描绘的现象了。
第二个理由,是因为红移现象,让我们看不到那些光。
红移,在物理学上指的是因为电磁辐射的原因,导致波发生变化。而红移在光波中主要表现的是,光波因电磁辐射,导致它波长变长,从而使光波频率下降。把光波放在光谱中,当光波波长变长时,光波谱线会往上移动,这个过程就被称作红移。
而在天文学中,也有一个叫宇宙学红移的定律,那就是大名鼎鼎的哈勃勒梅特定律。这个过去被称作哈勃定律的定义,指的是遥远星系的退行速度与它们和地球的距离成正比。
哈勃定律是怎么确定的呢?这是因为当时,天文学家维斯托,通过观察,发现有36个星系的光谱发生了红移。这下让天文学家们炸了锅,在地球上的观测位置不变,又根据爱因斯坦广义相对论中所说,光速一定,时空协调一致的原理。在这种状态下,星系的光谱发生红移,难道是因为这些星系正在远离地球?或者说是宇宙在不停的运动中?
事实上也正是如此,发现星系的光谱红移的这一现象,极大程度上的佐证了宇宙是在不断膨胀运动的。这也暗合了宇宙大爆炸的理论。
哈勃定律的出现,解释了没有发生奥伯斯佯谬的原因。首先,宇宙并不是恒态、无限的。只有有限的恒星发出的光能够到达地球,在这个不断膨胀的宇宙中,远方的天体正不断在离地球远去。距离的增加使得他们发出的光波发生红移,这就让本应明亮的光变得黯淡,人类在地球上自然不能观察到。
夜空中的绝望事实正因为宇宙的不断膨胀,我们这个宇宙的未来将会是凄凉的。因为星系之间的距离不断增加,光波的红移会被持续拉长,最终到了不能维持星体的温度的情况。
根据霍金的理论,恒星最后会因燃料与气体而耗尽,比如太阳,在他发完光和热之后,智慧余留下黑洞。黑洞又会因放出霍金辐射而消失。最终,宇宙将会因为不断膨胀,导致宇宙温度不断降低,将达不到维持生命的热度。这时,在宇宙中将无法做出任何活动,因温度过低而导致宇宙热寂。到了那个时候,宇宙的一切将归为虚无。
这个宇宙是的生命也是有限的,我们更像是寄生在宇宙上。终有一天,当宇宙的生命来到尽头,我们人类也会随之消亡。
简单的自然现象背后,隐藏着许多的天文学知识。正是因为人类不断的思考,才能提出如此之多的假设与理论。夜晚天黑是一个在正常不过的自然现象,但如奥伯斯这样的科学家,就会继续往下思考,到底为什么夜晚天就会黑?
按照现有的天文学知识来看,夜晚不应该是亮的吗?正因有这样的问题出现,后生代的科学家们才会往这方面思考,验证,最终推翻了过去认为的宇宙是静态的,并提出宇宙大爆炸理论。
所以,万不可小看简单的物理现象,物理学的伟人牛顿,不也是因为被苹果砸了一下,而研究出牛顿定律呢?
结语现在人类对宇宙的了解还知之甚少。目前,我们人类最远登陆的天体也不过是月球,连太阳系都没有出,更别提浩瀚无垠的宇宙了。并且很多天文学上的概念都还仅处于猜测阶段,比如爱因斯坦在相对论中,因提出引力是扭曲时空的存在这一观点而大胆推测,宇宙中一定存在着引力波。而引力波直到近年才被基普索恩从理论上论述了它的存在。
就算宇宙大爆炸会导致宇宙热寂,但这还有很长一段时间呢。人类到现在发展不过万年,谁又说得准,未来人类不会征服宇宙这片星辰大海呢?
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