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为什么夜晚的天空总是黑暗的?

2020/6/30 6:37:24 来源:看松读画轩 浏览:

“黑夜给了我黑色的眼睛,

我却用它来寻找光明。” ——顾城

诗人笔下的夜色,总带着浪漫和神秘。然而,天空中发光的星星数不胜数,为什么夜晚总是黑暗的呢?

晴朗的夜空,你或许见过天空微微发亮的稀薄带状物,犹如一抹浅浅的云。这条带状物包含了构成银河系数以亿计的发光恒星,由于遥远,我们无法辨别出它们各自的星光,只看到一片弥漫的稀薄亮光。

银河系约有2千亿到4千亿颗恒星,本身直径约为10万光年。这么遥远的距离使得星光变得极其暗淡,意味着我们看见的只是这些星星的光芒共同累积形成的一片微光。

银河系又是构成大得多的本星系群的大约40个星系之一,其他成员还有大、小麦哲伦星云以及仙女星系等。现今天文观测技术精度的进步,我们已经知道星系本身还会聚成超星系团。我们的本星系群又隶属于更大的本超星系团。我们的天空(宇宙)最远到哪里?它是否无穷大呢?我们其实并不知道。

夜色变暗的问题已经困扰天文学家好几个世纪,并且引出了一个著名的悖论——奥伯斯佯谬(Olbers' paradox)

一、何谓奥伯斯佯谬

当人们抬头凝望夜空时,可能会思考一个深奥的问题:为什么入夜后天色会变暗?

人们有足够的理由相信,即使宇宙不是无穷大,它也大到我们无法到达其边界。当观测者从任意一个方向遥望天空时,总会看到至少一颗恒星,那么天空始终会被照亮,不管日升日落,昼夜无异。

1826年,德国不莱梅的医生兼业余天文学家奥伯斯(Olbers Wilhelm)提出,如果宇宙是无限静止和均匀分布的,并且有无数平均分布的发光恒星,那么观察者每一道视线的终点必将会终结在一颗发光的恒星上,星与星之间不应有黑暗的位置。不难想象,整个天空即使在夜晚也会像白天一样明亮。然而事实并非如此,我们没有观察到这种现象,夜空依然是黑暗的。

这种理论与观察的矛盾,被称为奥伯斯佯谬,也称光度佯谬。

二、先贤们的种种谬解

其实奥伯斯并不是第一个提出此问题的人。在此之前,早他一个世纪的英国天文学家埃德蒙多·哈雷(Edmond Halley)已经叙述过。再早一个世纪的德国天文学家开普勒(Johannes Kepler)在1610年提出过。然而就连开普勒都算不上第一个写下这个问题的人。

现在我们知道,太阳也是一颗普通恒星,位于宇宙某个不起眼的平凡星系的某个旋臂外侧。几个世纪以来,越来越精确的天文观测数据帮助我们建立了现代宇宙论,也让我们明白宇宙并没有中心,而且很可能往各个方向一直延伸。然而在望远镜发明之前的天文学家没有机会得到这些知识。

突破来自16世纪英国天文学家托马斯·狄格斯(Thomas Digges)新的观测结论。即所有的恒星与我们之间的距离不见得都相同,较亮的星离我们较近,较暗的星则较远。虽然在今天这是显而易见的,但在当时是一个革命性的想法。

当狄格斯看着无垠太空中数不尽的星星时,思索到一个问题:为什么夜空是暗的?他自认为这算不上什么悖论。狄格斯直接假设由于遥远距离的星星过于昏暗,对天空的亮度没有任何贡献。他没有考虑至关重要的数学计算,因此没法揭露出他对黑暗夜空的错误推论。

后来,开普勒在1610年重新检视这个问题,并认为夜晚之所以变暗,是因为宇宙大小有限,否则夜晚的天空就不会是黑暗的。

在开普勒之后100年,哈雷再度思索这个问题,得到的结论支持狄格斯的错误解答:宇宙无穷大,但是遥远的星星太暗,以至于我们看不到。

三、奥伯斯的困惑

接下来登场的人物就是奥伯斯。在解释夜空为何黑暗时,他知道,如果宇宙稳恒且无穷大,大尺度上均匀分布着无数的恒星,由于其照度与距离的平方成反比,而同距离天空球壳面积上发光恒星的数量却与距离的平方成正比。这样的话,使得对全部发光恒星的照度的积分不收敛,黑夜的天空应当无限亮的。

换言之,天空中为数更多但较远较暗的星星所贡献的照度,与为数较少但较近较亮的星星贡献的照度是一样的,夜空理应无限亮。看来又回到了开普勒的观点:除非宇宙大小有限,否则夜晚的天空就不会是暗的。

奥伯斯承认,根据数学计算,距离遥远造成夜色变暗并非正解。

于是,奥伯斯另行提出假说指出,太空中可能充满星际尘埃与气体,挡住或吸收来自遥远星星的光芒。但是根据能量转化与守恒定律,能量必然守恒,只要时间足够,吸收光线的物质最终会被加热到放出辐射,发出与恒星一样的强光。也即夜空仍应是亮如白昼。可这显然与现实不符,夜空依然是黑暗的。

当时几乎没有其他天文学家注意到他提出的问题和解答。奥伯斯所犯的错误完全可以原谅,因为当时天文学家不清楚宇宙有多大,也没有明确的证据显示恒星聚集成星系,而我们的银河系只是宇宙中亿万个星系之一。

直到20世纪初,这种局面才有改变,因为一位科学家提出了空间膨胀的崭新观点。

四、不断膨胀的宇宙

埃德温·哈勃(Edwin Hubble)是第一位证明银河系外还有其他星系存在的天文学家。他发现有些星系根本远离地球,必然是河外星系。更引人注目的是,他的观测显示遥远星系正在远离地球退行而去,而且远离速度与距地球的远近有关。不论在太空的哪个方向,都能够观测到相同的现象。哈勃的这个发现证明了宇宙空间正在膨胀。

他进一步解释,既然宇宙在膨胀,那么过去的宇宙必然较现在更小。如果将时间回溯到足够远的过去,所有物质会越靠越近,直到回到宇宙创生的那一刻,也就是所谓的宇宙大爆炸。

在哈勃以前,人们都认同稳恒静态的宇宙观念,那些意识到引力理论导致宇宙不可能静态的科学家并没有提出宇宙膨胀,而是试图去修正他们的理论。甚至爱因斯坦(Albert Einstein)于1915年发表广义相对论时还肯定宇宙是静态的。

现在我们已经知道,宇宙中传播的大部分光子并非来自恒星,而是远在恒星形成之前就已存在、充斥于宇宙的远古之光。大爆炸38万年后,随着原子形成,空间开始透明,由于光与辐射能够长距离自由传播,不被散射或吸收。这些宇宙的第一道光芒在传播至今的过程中,随着它所穿越空间的不断膨胀,其波长也不断拉长。这些光线穿越时空来到现在的地球时,波长已经被空间膨胀拉长到超出可见光的范围。事实上,这些光线落在了微波的频率范围,被称为宇宙微波背景辐射(cosmic microwave background)。这样一来,宇宙有个起源已是不容置疑了。

接下来,奥伯斯佯谬的解答马上就要揭晓了。

五、奥伯斯佯谬的科学解答

前面已经提到,夜空之所以黑暗并非因为宇宙的大小有限;据目前所知,空间很可能无限延伸。也不是因为遥远的星光过于昏暗;我们看得越远,能看到的星系数量越多,累积起来的光线足以照亮整个夜空。更不是因为星际尘埃和气体的遮挡和吸收光线;只要时间够久,这些挡路的物质最终也会发出与恒星同样的亮光。

这些都不是让夜空黑暗的缘由。真正的原因其实比上述各种猜想更简单,也更深刻。夜空之所以黑暗,是因为宇宙有个起源。

,以每秒30万千米的速度传播,相当于每秒绕地球7圈半。这个速度是宇宙的速度极限,没有任何东西的速度可以比它更快。但是,从宇宙尺度上讲,光速又太“慢”。地球到银河系内距太阳最近的恒星比邻星( Proxima Centauri)之间的距离,大到光波必须耗时4.3年才能从比邻星传递到地球。

正是宇宙的膨胀和光速太慢,对我们视界有了限制,才得以揭开奥伯斯佯谬的面纱。由于宇宙年龄138亿岁,只有离地球够近的恒星光线才会最终到达地球被我们所见。宇宙膨胀则使得情况更加复杂。当一个星系在100亿光年之外,意味着它所发出的光穿越了100亿年的时空才到达地球。在这100亿年里,空间膨胀已把该星系与地球之间的距离拉长,真正的距离早已变成这个数字的几倍。

而200亿光年外的另一个星系则不在我们的观测范围之内,它发出的光始终在前来地球的途中,但永远不能到达地球,我们永远看不到。它也无法为我们的夜空增添任何亮度。我们在太空中最远只能看到宇宙年龄所允许的范围。

我们所见的星空其实只是整个宇宙的一小部分,称为可观测宇宙。它是以银河系为中心,以138亿光年为半径的一个球体区域,其球体表面就是我们的宇宙学视界。宇宙学视界就是对我们观测能力的根本限制。那些在视界边缘外的恒星光线永远无法进入我们的视野,又怎能照亮我们的夜空?

随着宇宙年龄的增加,可观测宇宙会不断变大,每一年其半径增大1光年。很不幸,最终可观测宇宙的增大无法赶上宇宙空间的加速膨胀,我们能够看到的星系必将越来越少,我们的天空将越来越暗。

由此可见,在现代的膨胀宇宙模型里,奥伯斯佯谬根本不存在。回答奥伯斯的问题:“为什么夜晚的天空总是黑暗的?” 答案就是,因为宇宙起源于大爆炸且在不断膨胀。

【谢谢阅读】

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