夜为什么是黑的
时间:2013-10-18 下载该word文档
现在对这一佯谬的解释是,光速是有限的,而宇宙的年龄也是有限的。即使宇宙本身无限大,只要存在一个大爆炸那样的创生时刻,宇宙中就会存在一个“边界”,外面的光还来不及传到我们的眼中。因此,从夜是黑的这一司空见惯的事实,天文学家可以得出这样的推论:宇宙的年龄是有限的,时间和空间有一个开端。
人择原理:如果我观察宇宙的夜空不是黑的,那可能你我就不存在,正因为夜空是黑色的,有这样的宇宙环境,你才能在果壳网发问,我也才能回答你的问题,反过来说,正因为看到宇宙是黑色的,满天繁星,才有你我。你可能认为这是鬼扯,但确实是这样,这是科学家普遍承认的一条原理,宇宙这样的演化似乎就是为了让我们诞生,但是从概率的角度来说,你我存在都是中了人脑所不能理解的低概率的宇宙六合彩。 宇宙不是稳恒态的:这是最重要的,也就是奥伯斯佯谬,这个佯谬无论正反推导都可以得出宇宙不可能是平直空间,不可能是静态的,这个佯谬由德国人奥伯斯在1826年提出,那时人类还没有观测到遥远星系的红移确定宇宙是在膨胀的,没有广义相对论,也没有弯曲空间的概念,奥伯斯佯谬就暗示了宇宙是非平直的,必须有一个起点,也就是后来称为的奇点,或者大爆炸,那么为什么说宇宙夜空是黑色的,就能推导出宇宙是非平直空间和非静态宇宙呢?试想一下如果一个无限大、均匀、平直的宇宙,我们在地球上观测应该所有恒星的光都到达地球,那么夜空中就应该是跟白天一样光亮的,仔细想想是不是?如果宇宙时间空间是无限的,那么恒星分布总是是均匀的,那么恒星将占据天空的每一点,它们发出的光终将抵达地球,所有的恒星发出的光都将连成一片,夜空就不是黑的,即便这个矛盾强烈的暗示了宇宙不是永恒无限,当时的人怎么也不愿意这样想,要解决这个佯谬的唯一办法是否定其大前提,即宇宙不是无限的,恒星数量是有限的。,但是,这还不够即使恒星数量是有限的,其数量之巨大,也足以照亮整个夜空。1848年,美国小说家爱伦·坡在一篇随笔中指出,唯一的出路是假定远处的星光还来不及照到地球上来。也就是说,宇宙在时间上有一个起点,而且宇宙的年龄还没有老到足以让我们见到所有远处恒星发出的光。这样的推论就完全符合逻辑了。 我们现在知道宇宙的年龄的确是有限的,宇宙是在大约137亿年前由大爆炸形成的。而计算表明,要把地球的夜空全部照亮,要花上以亿亿亿年计的时间,远处的星光才能都抵达地球。显然,我们的宇宙还太年轻了。 而且宇宙在不断地向各个方向膨胀,各个星系在互相远离,当然也都在远离地球。空间的膨胀导致光线在传播时波长被拉长,能量也因此降低了(波长与能量成反比)。这个现象称为“红移”,意思是可见光向能量较低的红光转变,而红光还会向能量更低的红外线、微波转变。所以遥远的星光在抵达地球时,能量已低到不能被肉眼见到了。所以,由于宇宙太年轻,所以夜空是暗的;而由于宇宙在膨胀,让夜空变得更暗。
有时,天文学中最简单的问题却是最难回答的……
太阳又下山了。玫瑰色的云在头顶上浮动,朱红与金黄又一次出现在地平线上。家里都点上了灯,餐桌上蜡烛隐隐作亮,在晚霞的映衬下,街边的路灯就像是项链上的珍珠闪闪发光。黄昏越来越暗,星星出现了,它们一如既往地出现在这墨黑的穹顶之上。但是为什么夜空是黑的呢?
图片版权:Wojciech Gaczek。
这是一个简单的也许只有孩子才会问的问题,父母对此也许会不屑一顾,但是宇宙学家爱德华·哈里森(Edward Harrison)却花了几十年的时间来研究这个看似简单的问题。“许多年前我开始对夜空的黑暗之谜产生了兴趣,”在《夜的黑》(Darkness at Night)这本书中他写道,“我常常思考宇宙为什么没有充满光,即使在我解决了这一问题之后也是如此。这个古老的谜题仍旧萦绕在我周围。有时几个小时,有时几天,我会重新思考这个问题,为大自然的力量和精妙所深深打动。”
夜空为什么是黑的,乍一看很明显,因为太阳下山了。但是还有恒星在闪耀啊。如果宇宙是无限的,充满着无数颗恒星,那么夜晚将和白天一样的明亮。这种理论和观测之间的矛盾被称为奥伯斯佯谬,奥伯斯是19世纪的医生和天文学家。 从彗星到宇宙学
海因里·奥伯斯(Heinrich Wilhelm Olbers)每晚只睡4个小时。白天医治德国北部城市布莱梅(Bremen)的病人,为此他赢得了治愈霍乱的荣誉。晚上他观测天空寻找彗星,发现了前4颗小行星中的2颗。
[图片说明]:海因里·奥伯斯。
1823年,奥伯斯写了一篇宇宙学论文。他说,想象一下,如果恒星均匀的分布在宇宙空间里。离地球近的恒星,自然看起来就大,但远处的恒星数量多,因为在一个固定的视角下,距离越远空间就越大。奥伯斯证明数量巨大的远距离恒星弥补了它们较小的视尺寸,在给定半径的球壳中也能覆盖整个天空。如果宇宙是无限的,这样的球壳也将有无限多个,就意味着天空中将充满星星,夜空将会和白天一样明亮。 奥伯斯写道:
多幸运,大自然并没有这样安排事物。多幸运,地球并没有沉浸在耀眼的星光之中。否则,天文学仍将处于蒙昧的阶段。我们将无法看到星星,只有通过观测黑子来推断太阳的行踪,而月亮和行星仅仅是明亮背景上移动着的暗斑。
那时,奥伯斯的工作并没有引起注意,同样夜晚的黑暗之谜也无人问津。英国人托马斯·迪格斯(Thomas Digges)赢得了这一荣誉。1576年,在其父所写的一本书(Prognostication Euerlastinge)的附录中,迪格斯提到了这个问题。这本书采用了以地球为中心的宇宙体系,但在附录中迪格斯却是哥白尼的支持者。而且他比哥白尼更进一步,他认为恒星散布于宇宙空间中。之后,他尝试解释为什么夜晚没有被星光照亮:
无穷天球上的恒星发出无限的光芒。但是它们互相遮挡,而且距离相当遥远,于是星光就越来越弱。所以我们就看到了现在的景象。 因此,迪格斯认为夜晚是黑的原因是遥远的恒星太暗弱以致于看不见了。尽管这个解释看起来是合理的,但它是错的。把所有看不见的恒星的光结合起来,可以达到能被看见的程度。事实上,肉眼可以看到仙女座星系,但是仙女星系中没有一颗恒星亮到足以能让肉眼看到。
[图片说明]:肉眼可以看到仙女座星系,但是仙女中没有一颗恒星亮到足以能让肉眼看到。图片版权:Jerry Lodriguss。
迪格斯认为宇宙是无限的,但是伟大的德国天文学家约翰内斯·开普勒(Johannes Kepler)却对此表示不满。开普勒认为无限的宇宙会使太阳迷失在茫茫的星海之中。他说,夜空之所以是黑的,是因为在我们居住的星际空间周围有一堵暗墙。
一百多年后,爱德华·哈雷(Edward Halley)也思考了这一问题。1721年,在皇家科学院的一次演讲中,他提出了两个方法来调和无限而又充满恒星的宇宙,使它有一个黑暗的夜晚。第一,由于数学上的错误,他错误的认为远处大量恒星的光无法等效为近处少量恒星的光。第二,他重复了迪格斯的观点,看不见的恒星对于光没有贡献,“它们的光线……太弱,无法使我们感觉到。”所以,哈雷也没有给出夜晚为什么是黑暗的的答案。
另一个思考这一问题的人是瑞士天文学家让-菲利普·卢瓦斯·德·谢诺(Jean-Phillippe
Loys de Cheseaux)。1744年,在有关当年一颗有着6条彗尾的彗星的书的附录里,他也讨论了这个问题。与迪格斯和哈雷不同,谢诺认识到远处看不见的恒星对于整个天空中的光是有贡献的。他说,夜空之所以是黑的,原因是宇宙空间并不是透明的。相反,它充满着物