为什么夜晚是黑暗的

你想过没有,为什么夜晚的天空是黑暗的?你可能觉得这就不是个问题,因为晚上没太阳肯定就是黑的,这还用问。

其实这个问题并没有你想的那么简单,当然还有另外一个问题,我们的宇宙为什么没有在引力的作用下发生坍缩?这两个问题困扰了人类至少200年的时间,且听我慢慢道来。

我们知道牛顿在1687年构建起了经典物理学体系,并且提出了万有引力,这不仅为开普勒三大定律提供理论支撑,还解释了人们当时能够看到的所有力学现象。

地球上的钟摆,天上的行星和卫星,都在牛顿的管辖范围内,就连神秘的彗星也不例外。比如,哈雷就利用牛顿的理论算出了木星和土星对太阳系内长周期彗星的影响,并且修正了它们的轨道参数。

他就发现,1531年人们记录的一颗彗星,和1607年,1682年分别记录的彗星,应该是同一颗彗星,并且预测这颗彗星会在1758年再次出现。这就是著名的哈雷彗星。

这也算得上是牛顿的理论第一次在预测天体运动上展现出来的魔力,但是当人们将牛顿的引力理论用在整个宇宙范围的时候,就出现了问题。

最先提出这个问题的人是一个叫本特利的学者,他在与牛顿的书信中就说了这样一件事。我们的宇宙如果真如牛顿所说的那样,两个物体会互相吸引的话,那么随着时间的推移,天体之间的距离会越来越近,最后会导致引力失控,整个宇宙会快速的坍缩在一起。

但是我们的宇宙现在却好好的,并没有坍缩的迹象,这是咋回事?这个问题就是本特利悖论。很明显,本特利悖论超出当时人们的认知。

17世纪90年代我们连银河系的概念都没有,只知道横跨在天空中的银河,是由无数颗星星组成的,这还是伽利略在1610年通过望远镜发现的,所以人们更不会知道银河系的大小以及它的形状,也不会知道在银河系之外还有河外星系。总之我们对当时的宇宙到底有多大,里面到底都有些啥根本就不知道。

还有本特利悖论也超出了当时人们的观测技术和物理学的发展。那么17世纪末期,虽然望远镜已经成为了天文学家的必备工具,但是当时的望远镜最大的用处就是用来寻找彗星。

很少有人用它去看星星,因为当时我们并不知道恒星是如何发光的,而且当时光谱学也没有发展起来,什么夫琅禾费线、光学多普勒效应,根本就不知道,所以你看恒星顶多就是记录一下他的位置和亮度就完事了,其他啥用都没有。

不过当时的天文学家还是在天空中看到了一些奇怪的天体,暗淡、模糊的小光斑,这东西跟彗星看起来一模一样的,区别是彗星的位置有明显的移动,但这东西他完全不动。由于无法分辨出这些小光斑更具体的一些细节,所以关于它是啥,并不知道。

其实这个东西是人类认识宇宙的关键,直到20世纪初我们才完全搞清楚了,后面的文章会详细地说到。

总的来说,本特利悖论在牛顿时代,你无法用已有的知识去解释,也不能用观测去实证,看看宇宙是不是在坍缩,或者是怎么样。只能靠猜测。

当然牛顿他再厉害,他也是人,他也搞不懂宇宙到底是怎样的,所以牛顿猜测说,宇宙的大小是无限的,里面的物质分布得非常均匀,所以这就抵消掉了物质之间的引力,我们的宇宙并没有坍缩。

那本特利就说,你如果这样说的话,那还有一个更为严重的问题,如果宇宙真的是无限,你牛顿的引力又是超距作用力,那宇宙中物质的引力将会无限的叠加,变得无穷大,这种强大的潮汐力,足以把地球撕成碎片。

但我们的地球明显好好的,你看,这又是一个悖论,其实在当时人们也对这个问题已经给出看似合理的解释,是这样的。

在古希腊时期有这样一个数学戏法,是芝诺为了反驳赫拉克利特的万物皆流,而提出的。赫拉克利特这个人你可能没听过,但你肯定听过他的这句名言:一个人不可能同时踏进同一条河流。这句话的意思是,万事万物皆在运动,皆在变化,所以万物皆流。

那芝诺就认为万物皆静止,所以他就提出了“飞失不动”“阿喀琉斯追不上乌龟“这样的悖论。下面我们说下,为什么芝诺说“阿喀琉斯追不上乌龟“?

阿喀琉斯被认为是当时跑得最快的人,他追不上乌龟并不是他像兔子那样傲慢、懒惰,而是因为芝诺说,阿喀琉斯非常大度的先让乌龟跑一段距离,他在全力追乌龟。那么当他追上乌龟的时候,乌龟又向前跑了一段距离,等他再次追上乌龟的时候,乌龟又向前跑了一段距离,就这样阿喀琉斯永远都是追兔子,却永远都无法超越。他俩会这样无休止地追赶下去。

你觉得芝诺的这个悖论哪里有问题?他假定了空间和时间可以无限分割,很明显这是错误的。在物理学中永远不可能存在阿喀琉斯追不上乌龟这件事。

但是在数学中是允许的,现在我们知道芝诺的这个悖论反应了这样一个事实,无穷多个数相加,有可能会得到一个有限的值。

比如1+1/2+1/4+1/8+1/16+1/32+1/64····等等,它的值会无限地逼近于2,但不会等于2。所以说,只要在一个数列中,其中的数只要变小的速度足够快,那么它们的总和就是有限的值。

所以当时的人们就这样认为,因为引力会随着距离的衰减,所以只要引力变小的速度足够快,那么在无限的宇宙中,施加在地球上的力就会是一个有限得值,因此地球没有被撕裂。

平方

那么这个解释对不对,当然不对了。地球没有被撕裂的原因并不是因为这个。当然这种说法也解释不了本特利最初的问题,为什么宇宙没有坍缩。

除了这个问题以外,无限永恒的宇宙还给人们带来了这样的困扰,奥伯斯佯谬。说的是,如果宇宙是无限的,且永恒存在,那么我们的夜空就不应该是黑暗的。

你想一下,如果宇宙是无限的,里面有无数颗恒星,它们的光线有足够的时间达到地球,那么我们在夜晚如果遥望天空的话,我们的视野应该会被星光填满,那么夜晚的天空也应该像白天一样明亮才对。

但我们的夜晚却是黑暗的,所以这又是一个悖论。这个问题直到20世纪的时候我们才找到了答案。但即使到了今天,有些人依旧不知道这个问题的准确答案,而且很多的人在给别人科普解释这个问题的时候也给出了错误的答案。

很多人说,是因为宇宙在膨胀,星光发生了红移,导致了很多星系的光跑出了可见光波段,所以我们看不见它们了,因此星光是有限的,所以夜晚是黑暗的。

你觉得这种说法对不?不对,跟红移关系其实不大,你想想,可见光波段现在红移了红外线波段,但是伽马射线、X射线波段是不是又红移到了可见光波段,因此只要宇宙是无限,永恒的,他里面依旧有无穷多个的天体会发出伽马射线和X射线,那么红移以后它们都跑到了可见光波段,依旧可以照亮整个夜空。

其实正确的解释是这样的,光速有限,宇宙年龄有限,那么即使宇宙是无限的,那我们也只能看到有限的星光。所以不需要红移来解释。

那么宇宙为什么 没有塌缩呢?因为宇宙在膨胀,这也是20世纪初发现的。

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