为什么夜空是黑的?这个问题听起来似乎很简单,因为我们知道太阳是地球上的光源,当太阳落山之后,没有阳光照耀,所以夜空显得黑暗。如果你仔细思考一下,你就会发现这个现象其实并不那么容易解释。实际上,你认为的“正常”,其实隐藏着一个令人绝望的事实,那就是我们的宇宙并不是永恒不变的,而是有一个起点和终点。为什么这么说呢?这就要从一个神秘的悖论开始讲起,它被称为“奥伯斯佯谬”。
“奥伯斯佯谬”是19世纪20年代由德国天文学家海因里希·奥伯斯提出的一个观点。它基本观点是宇宙是无限的,其中存在着无尽的恒星。根据理论推测,即使单颗恒星的光度比太阳微弱得多,但无数恒星的光线聚集起来,同样可以将地球上的夜空照亮。然而,我们所看到的夜空却是黑暗的,这形成了一个佯谬。有人可能会认为,这是因为恒星离我们太远了,它们的光线在传播的过程中会衰减,所以当它们到达地球时,就已经很微弱了,无法被我们的眼睛感知。但是这种解释是错误的,因为恒星的光强遵循“平方反比定律”,即:单颗恒星的光强与距离的平方成反比。这意味着,虽然单颗恒星的光强会随着距离的增加而减小,但是恒星的数量却会随着距离的增加而增多,这两个因素正好抵消了。为了说明这一点,我们可以想象一个以地球为中心的球面壳层,它的半径是任意的,但是厚度是固定的。在这个球面壳层上,恒星的总光强等于恒星的数量乘以单颗恒星的光强,而这个值是不随着半径的变化而变化的,也就是说,无论这个球面壳层离我们有多远,它对我们的贡献都是一样的。
如果我们把宇宙划分成无数个这样的球面壳层,那么每个球面壳层都会给我们带来相同的光强,而它们的总和就是无穷大,这就是奥伯斯佯谬的数学推导。那么,有没有可能是宇宙中的一些物质,比如星际气体、尘埃或者其他不发光的天体,阻挡或者吸收了远方恒星的光线,使得它们无法到达我们的眼睛呢?这种假设看起来似乎可以解决奥伯斯佯谬,但是它也有一个致命的缺陷,那就是能量守恒定律。当远方恒星的光线被这些物质阻挡或者吸收时,光线所携带的能量并不会消失,而是会转化为这些物质的热能,使得它们的温度升高。如果宇宙是永恒不变的,那么经过足够长的时间,这些物质的温度就会无限接近远方恒星的温度,它们也会像恒星一样发光,最终也会把地球的夜空照亮。所以,这种解释也不能从根本上消除奥伯斯佯谬。
直到20世纪20年代,美国天文学家埃德温·哈勃的发现对解释“奥伯斯佯谬”提供了更合理的解释。他观察到遥远的星系都在远离我们而去,这揭示了宇宙正处于一种持续膨胀的状态。这个发现首先说明宇宙并不是静态的,与“奥伯斯佯谬”所假设的静态宇宙相悖。除此之外,宇宙的持续膨胀也揭示了宇宙的演化历史。如果我们倒退时间,我们会发现在大约138亿年前,宇宙处于一种极其高密度的状态,称为“奇点”。根据大爆炸宇宙论,这个奇点就是宇宙最初的状态,即宇宙起源于一个极度炽热和高密度的点,随后经历了一次巨大的爆炸,宇宙开始膨胀,并逐渐形成了我们所见的广阔宇宙。同时,宇宙的持续膨胀也导致了遥远恒星光线的红移现象。由于宇宙空间的膨胀,任意两个不重叠的点之间存在相互远离的速度,这被称为“退行速度”。距离越远,退行速度就越大。当我们观测遥远恒星时,它们发出的光线会受到多普勒效应的影响,导致光线的波长发生红移。当这些光线到达地球时,它们已经变成我们肉眼不可见的红外线、微波或无线电波。
更重要的是,退行速度可以无限增加。当某颗恒星与我们的距离达到一定程度时,其退行速度可以超过光速。在这种情况下,恒星发出的光线将以超光速远离我们,并永远无法抵达地球。因此,即使宇宙是无限大且均匀的,但宇宙存在的时间并非无限,再加上宇宙的膨胀,导致地球接收到的来自远方恒星的光线非常有限,其总光强不足以照亮地球的夜空。正因如此,我们看到的夜空才是黑暗的。这看似是一种正常的现象,但实际上,它隐藏着一个令人绝望的事实,由于宇宙在不断的膨胀,导致宇宙中的物体之间的距离在不断的增加。当一颗恒星与我们的距离达到了一定程度的时候,其发出的光线就会因为宇宙膨胀而以超光速远离我们而去,以至于这些光线永远都无法抵达地球。
根据我们对宇宙的认知,光速是宇宙中的速度极限,对于任何具有静止质量的物体而言,其速度最多只能无限接近光速,而无法达到或超过光速。这就意味着,这些遥远的星系将永远与我们断开联系。正因为如此,我们只能看到宇宙的一部分,而在这个范围之外的宇宙中存在着什么,我们根本一无所知。更令人绝望的是,宇宙的膨胀一直在持续,这将导致更多的天体在未来离开,永远与我们失去联系。换句话来讲就是,随着时间的流逝,我们人类在宇宙中能够观测到的天体将会越来越少。根据科学家的预测,当这种情况发展到极致时,除了本星系群中的天体能够依靠引力维持在一起之外,其他更远的天体将与我们彻底失去联系。人类一直以来都对星辰大海充满了梦想,但宇宙似乎在不断地将我们孤立起来。面对这个问题,我们在宇宙中又该何去何从呢?这是每个人都要思考的问题。对此,你们怎么认为呢!欢迎大家一键三连,本期内容就到这里了,感谢大家观看。
黑是为了衬托出白。
由于宇宙持续膨胀,即使存在有生命体的行星,我们也永远无法发现他们。