为什么晚上天是黑的?很多人会回答“因为没有太阳”。的确,正是因为有时能被太阳照亮,有时不能被太阳照亮,我们生活的地球才有了白天和黑夜之分。
但是,宇宙中有无数的恒星可以像太阳一样自己发光,那么为什么地球不能被这些恒星发出的光照亮,不再有昼夜之分呢?这个问题就是著名的“奥伯斯佯谬”,困扰了科学家几个世纪。
宇宙看上去漆黑一片的原因之一在于,宇宙是什么都没有的“真空”。只有当光进入眼睛,我们才能感受到光的亮度。如果光只穿过我们的眼睛,我们就感觉不到它。白天天空变亮的原因是太阳发出的光与大气中的气体分子或尘埃碰撞并向四面八方散射,最终进入我们的眼睛。
在几乎没有大气的空间里,光是不会散射的,所以即使有太阳光,只要光线不照进我们的眼睛,周围看起来就是黑暗的。在几乎没有大气的月球上,无论白天黑夜,天空都是黑色的。
我们看到光是因为它被散射了。
然而,仅凭上述原因并不能完全解释宇宙为什么是黑暗的。
事实上,直到大约100年前,科学家们普遍认为宇宙应该是明亮的。科学家推测宇宙可能是无限的,恒星的数量也是无限的,并且均匀分布在整个宇宙中。如果宇宙中有数不清的星星,那一定有明亮的星星(星星)在我们眼前闪耀。也就是说,无论从哪个方向看,宇宙都应该是一个充满闪亮星星的明亮世界,但实际的夜空是黑暗的,其亮度只有宇宙充满星星时的十分之一左右。
奥尔勃斯自己将这种矛盾解释为“宇宙中漂浮着某种不透明的东西,它可能会阻挡来自恒星的光”。
但是如果光被挡住了,真的会改变宇宙的亮度吗?
太空中有极稀薄的气体和被称为“宇宙尘埃”的微小粒子,统称为“星际物质”。星际物质密度高的区域确实会阻挡来自其背后恒星的光线。
但是,假设星际物质真的挡住了无数恒星发出的所有光线,但是星际物质本身也会被这些光线加热,最终发出与背后天体亮度相同的光线。因此,暗星云不再黑暗。
众所周知,现在的宇宙其实是非常稀薄的,虽然里面有一些不透明的区域,但是可以说宇宙几乎是透明的。因此,即使考虑到星际物质的存在,奥尔勃斯悖论也无法解释。
图片是一个星际物质密度很高的区域(暗星云)阻挡了后面恒星的光线的示意图。然而,这项研究认为,即使光线被星际物质阻挡,宇宙也不应该是黑暗的,正如奥尔勃斯所假设的那样。因为光吸收星际物质,会迅速升温,像太阳一样发出明亮的光。
科学家们也一直因这一矛盾(奥伯斯佯谬)而困惑不已,并提出了许多理论试图解释这一现象。
1907年,爱尔兰物理学家福涅尔达尔贝特提出“宇宙之所以黑暗,是因为所有的恒星都呈直线分布”。他认为,即使星星的数量是无限的,如果都呈直线分布,只有距离最近的星星发出的光才能到达地球,所以夜空看起来应该是黑暗的。
在19世纪下半叶之前,科学家们一直认为光是在遍布空间的“以太”(一种介质)中传播的。因此,加拿大天文学家西蒙纽康(1835 ~ 1909)提出了另一种观点:如果宇宙中没有以太区,光就无法到达地球。
进入20世纪后,发现宇宙正在膨胀,恒星发出的光在到达地球前,波长随着空间的膨胀而拉长(红移现象)。当天体远离地球时,即使天体发出人眼可见的光(可见光),到达地球时也会因红移而变成人眼看不到的红外或无线电波。奥地利宇宙物理学家邦迪在1952年提出,遥远恒星发出的光由于红移而变得不可见,因此宇宙是黑暗的。
这些解释在今天看来无疑是“异想天开”。
其实奥伯斯佯谬的最合理解释是绝对温度单位的命名人——开尔文(原名威廉汤姆孙)于1901年首次提出的。根据实际夜空的亮度、星体的分布密度以及任何星体都有寿命等信息,开尔文描绘了一个非常接近于现代宇宙论的宇宙图像——远古宇宙曾经有过不存在任何星体的时代,而且从地球能够观测到的宇宙范围是有限的。此外,开尔文认为,就算宇宙中有无数个星体,但由于每个星体的寿命都是有限的,且可观测到的宇宙范围也是有限的,所以宇宙看上去才是黑暗的。
然而,开尔文的解释在当时并没有引起人们的注意。在奥尔勃斯生活的时代,人们认为宇宙既没有起点也没有终点,夜空中闪烁的星星自古以来就是明亮的。在这样的宇宙中,无论恒星离地球有多远,它们发出的光应该都能到达地球。
直到后来科学家才发现事实并非如此。1929年,美国天文学家爱德文哈勃(18891953)发现了宇宙正在不断膨胀的证据。如果时间可以倒流,宇宙的膨胀也意味着古代宇宙开始于某一点。换句话说,宇宙是有“开端”的。
现在,我们知道宇宙诞生于大约138亿年前。我们看到的只是在宇宙138亿年漫长历史中,人类能够观测到的范围(光抵达的范围)内的天体发出的光。“人类所能观测到的宇宙范围是有限的”这一观点和开尔文对宇宙的想象几乎是一样的。
在某个方向,恒星发出的光没有到达现在的地球。
根据研究,在人类可观测范围之外(自宇宙诞生以来,星体发出的光尚未抵达地球的区域)也存在广阔的宇宙空间。不过,来自这些空间的光到现在为止也没有抵达地球,所以我们无法看到它们
另外,。太阳等自身发光的恒星并不是永远都能那么明亮。任何恒星都不可能永生,从某一刻开始发光,总有一天会燃尽能量而走向死亡如果此刻距离地球100光年的地方诞生了一颗新的恒星,那么100年后我们将无法观测到它的光芒。
。科学家在充分考虑到这些因素的基础上,对宇宙亮度进行了计算,结果很好地解释了宇宙的实际亮度
人们现在所认识的宇宙是在解开奥尔勃斯悖论等各种宇宙之谜的基础上逐渐建立起来的。前面介绍的异想天开的“解释”,也可以说是进一步深入讨论不可或缺的过程。现代宇宙学还有很多暗物质、暗能量等未解之谜。在未来,这些未解之谜可能会再次改变我们的世界观。
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