為什麼夜空是黑的?你認為的「正常」,其實隱藏著令人絕望的事實

漫酱~ 2023/01/04 檢舉 我要評論

為什麼夜空是黑的?或許你會認為這是一個非常簡單的問題,畢竟地球人都知道,太陽是地球上光明的源泉,夜空沒有陽光的照耀,當然就是黑的,這不是很正常嗎?

然而這個現象卻不能這樣簡單地解釋,實際上,你認為的「正常」,其實隱藏著令人絕望的事實,為什麼這麼說呢?這就要從「奧伯斯佯謬」開始講起。

什麼是「奧伯斯佯謬」?

「奧伯斯佯謬」由德國天文學家海因里希·奧伯斯(Heinrich Olbers)于19世紀20年代提出,其內容可以簡單地描述為:

宇宙是無限的,其中的恒星數之不盡,以至于天空中的任意區域中,都應該存在著無限多的恒星,從理論上來講,雖然單顆恒星的光度比太陽微弱得多,但無數恒星的光線聚集起來,同樣也可以將地球上的夜空照亮。然而我們看到的夜空卻是黑的,這樣就形成了一個「佯謬」。

或許我們可以認為,隨著距離的增加,恒星的光強(發光強度的簡稱)也會不斷變弱,因此當距離達到一定程度時,恒星的光強就可以忽略不計了,但這是解釋不通的。

恒星的光強確實會隨著距離的增加而減弱,這遵循「平方反比定律」,即:單顆恒星的光強與距離的平方是反比例關系。然而從巨觀尺度來看,宇宙中的恒星密度是均勻的,假設距離為r,那麼在以地球為中心,以r為半徑的球面殼層中,恒星的數量是與距離的平方是正比例關系。

顯而易見的是,對于一定距離的球面殼層,恒星的總光強等于恒星數量乘以單顆恒星的光強,據此就可以推導出,無論對于哪種距離的球面殼層,恒星的總光強其實是一樣的。

那有沒有可能是宇宙中的星際介質(如氣體、塵埃)以及各式各樣的不發光天體,遮擋或者吸收了遠方恒星的光線呢?答案依然是否定的。

根據能量守恒定律,當遠方恒星的光線被星際介質或者其他不發光天體遮擋或吸收時,光線攜帶的能量不可能憑空消失,在這種情況下,這些「障礙物」就會被持續加熱,只要時間足夠久,它們的溫度就會無限接近遠方恒星的溫度,其釋放出的光線最終也會把地球的夜空照亮。

如何解釋「奧伯斯佯謬」?

「奧伯斯佯謬」其實困擾了科學家上百年的時間,直到20世紀20年代,美國天文學家埃德溫·哈勃(Edwin Hubble)發現宇宙中的那些遙遠的星系都在遠離我們而去,這使科學家意識到,宇宙其實是處于一種持續膨脹的狀態,進而對解釋「奧伯斯佯謬」進行了合理的解釋。

「奧伯斯佯謬」有4個必要的前提:1、宇宙是靜態的;2、宇宙無限大;3:宇宙是均勻的;4:宇宙存在的時間無限長。很明顯,「宇宙膨脹」的發現,首先就說明了宇宙并不是靜態的。

除此之外,既然宇宙處于一種持續膨脹的狀態,那就說明了過去的宇宙更加致密,如果我們將時間不斷回溯,就會發現在大約138億年前,宇宙處于一種任何理論都無法描述的狀態,這種狀態也被稱為「奇點」。

實際上,根據「大爆炸宇宙論」,這個「奇點」其實就是宇宙最初的樣子,也就是說,宇宙存在的時間其實并不是無限的。

另一方面來講,由于宇宙的持續膨脹,宇宙空間中任意兩個不重疊的點都會具備一個相互遠離的速度,這也被稱為「退行速度」,距離越遠,「退行速度」就越快,這就會導致那些遙遠的恒星所發出的光線會因為「多普勒效應」而發生「紅移」,當這些光線抵達地球時,早已變成了我們肉眼不可見的紅外線、微波或者無線電波。

更重要的是,「退行速度」是可以無限增加的,如果某顆恒星與我們的距離達到了一定的程度,其「退行速度」就可以超過光速,在這種情況下,這顆恒星發出的光線同樣也會以超光速遠離我們,并因此而永遠無法抵達地球。

所以對「奧伯斯佯謬」的合理解釋就是:就算宇宙無限大,并且也是均勻的,但宇宙存在的時間并不是無限的,在此基礎上再加上宇宙的膨脹,就會造成地球接收到的來自那些遙遠恒星的光線極為有限,其總光強根本就不足以照亮地球的夜空,正是因為如此,我們看到的夜空才是黑的。

為什麼說「夜空是黑的」這種現象,其實隱藏著令人絕望的事實呢?

地球是人類的搖籃,但人類不會一直生活在這個搖籃里,盡管以人類目前的科技,如何飛出太陽系都是一個巨大的問題,但我們普遍都樂觀地相信,隨著人類科技水平的不斷進步,終有一天,人類會發展成能夠縱橫宇宙的超級文明。

然而「夜空是黑的」這種看似「正常」的現象所隱藏著的事實,卻給我們澆了一盆冷水,正如前文所言,之所以會出現這種現象,一個重要的原因就是:當一顆恒星與我們的距離達到了一定程度的時候,其發出的光線就會因為宇宙膨脹而以超光速遠離我們而去,以至于這些光線永遠都無法抵達地球。

根據我們對宇宙的認知,光速是宇宙中的一種速度極限,對于任何具有靜止質量的物體而言,其速度最多只可能無限接近光速,而無法達到或者超過光速,除此之外,任何信息的傳遞速度也不可能超過光速,這就意味著,這顆遙遠的恒星將永遠與我們斷開聯系,別說是抵達那里了,我們就連觀測也觀測不到。

這樣的規律同樣也適用于宇宙中的其他天體,只要距離達到一定的程度,我們也就無法觀測到它們,正因為如此,我們永遠只能看到宇宙中的一部分,這部分也被稱為「可觀測宇宙」,而在此范圍之外的宇宙中存在著什麼,我們根本就一無所知。

令人絕望的是,宇宙的膨脹一直在持續,這會導致更多的天體在未來離開「可觀測宇宙」,從此永遠地與我們斷開聯系。

換句話來講就是,隨著時間的流逝,我們人類在宇宙中能夠觀測到的天體將會越來越少,根據科學家的預測,當這樣的情形發展到極致時,除了本星系群中的天體能夠依靠引力維系在一起之外,其他的那些更遠的天體都將與我們徹底「失聯」。

人類的夢想是星辰大海,但宇宙卻似乎在不斷地「孤立」人類,人類未來應該在宇宙中如何發展?這是一個值得我們深思的問題。

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