为什么夜晚是黑暗的

在白天,来自各个方向的阳光充斥着我们的大气层,直射和反射的阳光从我们目光所及的任何一处射向我们。在晚上,阳光不会充斥大气层,因此天空中没有光点的地方都是黑暗的,比如星星或月亮。

你可能会开始思考比这更深一点的问题:如果宇宙是无限的,那么无论我们朝哪个方向看,我们的视线难道不应该最终落到一颗恒星上吗?

鉴于外面有数万亿个星系,而望远镜能够看到我们眼睛看不到的微弱的星系,为什么所有星系的光线加起来也不能照亮天空中的每一点呢?这不是一个容易回答的问题,但科学是可以接受挑战的。

夜空中的星星

为什么夜晚这么黑
夜空为什么是黑的?

这是一个困扰了科学家几个世纪的难题,如果你深入思考,它甚至可能变得毫无意义。

我们在地球上的大气层对可见光而言大体上是透明的,这就是我们能够在夜间看到深空无尽的黑暗的原因。

我们在银河系中的位置,也造成了中间尘埃和气体阻挡了来自银河系中心区域的光线。但是除此之外,你可能会认为在每个方向和每个位置应该都能看到光。

银河系中心区域光线被遮挡

毕竟,如果宇宙真的是无限的,那么深空就会在你能想象的任何方向永远蔓延下去,最终你的视线都会碰到一个闪亮的光点。如果这是真的,那么夜空根本就不会是黑暗的,而是被每一颗星星照亮,它们发出的光线会经过漫长的旅程到达地球。

然而,即使我们把目光投向看似空无一物的最深处,在那里,人的眼睛甚至传统的望远镜都看不到任何恒星或星系,我们最强大的天文台揭示了那里有这么多东西,但在空无一物的黑色背景下,仍然只是几个光点。

宇宙中的确充满了恒星和星系,它们的距离很远,有着几百万、几十亿,甚至几百亿光年的距离。星光穿过宇宙,到达我们最好的观测设备,揭示了一个丰富的宇宙,范围广阔无垠。但是无论它有多巨大,都离无限还有很长很长的距离。

宇宙极为庞大

我们仍然不知道宇宙是有限的还是无限的,我们知道的是,我们可以观察到的宇宙部分一定是有限的。尽管直到20世纪后半叶,我们对宇宙的大尺度结构几乎一无所知,但我们仍然知道,一个无限大的可观测宇宙是不可能的。

奥伯斯佯谬
早在19世纪,海因里希·奥尔伯斯就注意到一个悖论:

如果宇宙是无限的,恒星和星系的密度不变,那么你会从每个方向看到无限量的光。你会看到附近所有的星星,然后在星星之间的间隔中,你会看到更远的星星。无论与它们的距离是多少–几百万、几十亿、几万亿或几十亿光年,无论你最终看向哪里,你的视线最终会落在恒星的表面。

奥伯斯佯谬

如果你不能理解的话,我们可以从数学角度去思考。如果恒星的密度在整个空间是固定不变的,那么将恒星密度乘以所占的体积就等于你能在其中发现的恒星的总数。

一颗恒星离得越远,它就显得越暗,其亮度随着距离的平方而下降。但是你在一个特定的距离上能看到的星星总数与以视线距离为半径的球体的表面积有关,它随着距离的平方而增加。

用星星的数量乘以每颗星星的亮度,你会得到一个常数。一定距离外的亮度是一个特定的值,姑且把它称为B,两倍远,亮度也是B,四倍?还是B……

现在把这个常数列加起来:B+B+B+B+B+…..,以此类推。你能看出这是怎么回事吗?没错,答案是走向无穷大。除非这个数列的项数有限,否则你会得到一个无限的夜空亮度值,在每个方向都是无限亮。

用数学解释亮度

早在19世纪,奥尔伯斯就用这种推理方法得出结论:可观测的宇宙不可能是无限的,但他不能确定,因为还有大量的天文学问题没有得到解答。

其中最普遍的反对意见意见表示,这种分析单纯到没有考虑到所有明显存在的阻挡光线的尘埃,你只要看一下银河系的平面就可以看到。即使在现代,我们许多最著名的天文景观也充满了阻光尘埃。

按照“宇宙是有限的”这种观点去思考,这些尘埃的亮度甚至可以与星光比肩,因照射到尘埃的可见光会被其吸收并以较低的能量再一次辐射出去。

宇宙的变化

但如果我们的宇宙是无限的,那么奥尔伯斯悖论的漏洞就出现了:所有的尘埃颗粒都必须吸收无限量的星光,直到它也以它所吸收的所有光线的相同温度进行辐射!

换句话说,有些事情是不正常的。我们的宇宙不可能是静态的、无限的,并且平均分布着闪耀的星星。如果是这样的话,夜空就会在所有的地方和所有的方向都是永远明亮的。很明显,这里有别的东西在起干扰作用。

不断膨胀的宇宙
当艾萨克·牛顿发现万有引力定律时,他意识到有质量的物体总是有引力的,宇宙中每一个有质量的物体都吸引着其他物体。

站在宇宙有限的角度去想,宇宙中所有物体的引力必将导致整个宇宙自行崩溃的结局。这显然没有发生,因此天文学家们提出了一个悖论。

当爱因斯坦在广义相对论中发展出他的引力理论时,他认为他遇到了牛顿所遇到的问题:他的方程式说宇宙应该要么膨胀,要么崩溃,然而他却认为宇宙是静态的。

他最初的解决方案包含一个“恒定的”术语,称为宇宙常数,它取消了引力在大尺度下的影响,并导致一个静态宇宙。后来哈勃发现宇宙正在膨胀后,爱因斯坦称宇宙常数为“最大的错误”。

公式中的宇宙常数

大约在同一时间,人们正在建造更强大的望远镜,以至于能够准确地测量微弱的光。利用这些新数据,天文学家们试图了解他们正在观测到的大量微弱、模糊的遥远星系的光。

1912年至1922年间,亚利桑那州洛威尔天文台的天文学家维斯托·斯利舍发现,许多这些天体的光谱的谱线都发生了朝红端移动的现象。不久之后,其他天文学家发现这些模糊的天体来自遥远的星系。

与此同时,其他物理学家和数学家在研究爱因斯坦的引力理论时,发现方程的一些解描述了一个不断膨胀的宇宙。在这些解中,遥远物体发出的光在穿越膨胀的宇宙时波长会被重新移位。随着距离物体的距离增加,红移也会增加。

膨胀宇宙中的红移

1929年,加州帕萨迪纳的卡内基天文台的埃德温·哈勃测量了一些遥远星系的红移。他还通过测量每个星系中一类称为造父变星的亮度有起伏变化的恒星的明显亮度,来测量它们的相对距离。

当他绘制相对距离的红移图时,他发现越是遥远的星系红移越大,这种观察的唯一解释是宇宙正在膨胀。

当科学家知道宇宙在不断膨胀时,自然而然地就会立刻想到它曾经一定很小。在过去的某个时候,整个宇宙本来是一个点。这一点,后来发生了大爆炸,这便是宇宙的开始。

宇宙大爆炸和演化

膨胀的宇宙在时间和空间上都是有限的。正如牛顿和爱因斯坦的方程式所言,宇宙没有崩溃的原因是,它从诞生了那一刻起就一直在膨胀。宇宙处于不断变化的状态。膨胀的宇宙是一个基于现代物理学的新思想,它解释了了从古代到20世纪初困扰天文学家的悖论。

科学家通常利用红移现象来测量遥远星系与地球的距离,而哈勃望远镜的极限是波长1.8微米的近红外光,这也限制了哈勃望远镜的观测距离。当一束光距离我们过于遥远,其波长就会超出哈勃望远镜的可观测范围。

由于宇宙的膨胀,观测者不能观察到退行速度超过光速之外的区域,这个可观测的范围形成的球体区域被称为哈勃球或哈勃体积。哈勃体积经常被认为等同于可观测宇宙,实际上,可观测宇宙的体积是要大于哈勃体积的。

可观测宇宙

夜晚并不是真正“黑暗”的
奥尔伯斯在他那个时代没有办法知道,并不是因为宇宙的范围是有限的(它仍然可能是)。我们今天居住的宇宙有一个开始:一个没有昨天的日子,这个“开始”被称为大爆炸,它为所有可能存在于可观察到的宇宙中的物质、辐射、能量和光提供了一条起跑线。

但这又带来了另一块难题,如果宇宙在早期的某个时候是高温的、密集的、充满物质和辐射的,就像大爆炸所描述的那样,那么早期的辐射最终应该进入我们的眼睛。在我们看的每一个地方,在所有的方向,应该都逃不过这种辐射才对。

宇宙辐射

事实上,根据目前的观察,我们实际可以计算出今天有多少大爆炸留下的光子充斥着宇宙,答案是每立方厘米的空间就有411个。

如果你带着一台非常老式的带兔耳天线的电视到银河系深处,远离任何恒星,然后把它调到第三频道,你就会看到相较于你在地球上看到的“雪花”的大约1%,那就是大爆炸的辐射。

我们确实收到了来自大爆炸的这种光,而且它以一种不可避免的方式在天空中到处可见。你不能用肉眼看到它的唯一原因是,宇宙在历史的过程中不断膨胀,因此这些曾经的可见光现在被转换到如此长的波长,你的眼睛看不到它们,你的皮肤感觉不到它们,你的身体也检测不到它们。

宇宙的膨胀

但是你的微波和无线电天线可以接收到它们。事实上,这种辐射最初就是这样被发现的,也是通过这种方式证实了大爆炸:用一个巨大的无线电天线来接收这种信号,无论操作它的科学家在何时何地寻找都会将其发现。

如果我们的眼睛已经适应于看到微波或无线电光,那么我们将会看到一个在每个方向上都均匀明亮的夜空,没有任何地方有暗点。

布满宇宙的微波

结语
不过这个发现其实也是让人绝望的,宇宙在不断膨胀,人类则像是被困在笼子里的动物,我们看不到出口,甚至看不到全部的光线。

当然,如果我们能用微波来观察天空,那么天空的各个方向在任何时候都会显得很明亮。今天,我们已经建造了为了在精确测量这种辐射的卫星,它们让我们了解到关于我们宇宙的起源和特性的信息,远远多于我们单凭有限的感官所能了解到的。

夜空对我们来说可能是黑暗的,但一直在那里的光却让我们知道了这个宇宙悖论的最终答案。

原创文章,作者:buffalo106,如若转载,请注明出处:http://www.buffalotone.com/?p=772

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