为什么夜空是黑的?

作者: 怡若乐

来源: 环球科学

发布日期: 2017-04-05

本文探讨了为什么夜空是黑的,解释了奥伯斯佯谬及其解决方案,指出宇宙的动态性和有限年龄是导致夜空黑暗的主要原因。

为什么夜空是黑的?这个问题似乎听起来理所当然:因为没有太阳啊!但是,据估计宇宙中的恒星大约有3×10

23颗,为什么这么多的恒星没有照亮我们的夜空呢?德国物理学家海因里希·威廉·奥伯斯(Heinrich Wilhelm Olbers)在1823年提出了同样的问题:想像你在森林里,周围有很多树。无论往哪个方向看都能看到树——也许是在你旁边的一棵大树,或者距离更远的“小树”。这和看星星一样。

如果宇宙是无限大的,星体分布在宇宙中,那么我们一定会在任何一个方向都能看到星星。按照这个理论,夜空应该如同白昼一般光明。但是,为什么我们看到的夜空是基本是漆黑一片的呢?

夜空并没有被星光照得亮如白昼,不是因为夜晚没有太阳这么简单,其中有着更深层的原因。这个问题说明:宇宙不是静止的,也不是无限的。

首先,如果恒星永远静止在那里,占据天空的每一点,经过一定时间后它们发出的光会到达地球,所有的恒星发出的光都将连成一片,我们将看到一个明亮的夜空。其次,如果宇宙是无限的,所有星星在宇宙大尺度上均匀分布,夜空确实应该越来越亮。为了证明宇宙不是无限的,我们将宇宙分割为一层层一光年厚的同心圆壳,如下图所示。

图片来源:维基百科

一定数量的星星分布在1,000,000,000 到1,000,000,001 光年厚度的外壳中。如果宇宙在大尺度上是均匀的,那么在第二个壳体中将有四倍数量的星星,它们分布在2,000,000,000到2,000,000,001光年之间的外壳。然而,第二个壳离我们两倍远,所以这里的星星的亮度只有第一个壳中的星星亮度的四分之一。因此,我们从第二壳体接收的总光线与从第一壳体接收的总光线相同。

因此,给定厚度的每个壳体将产生相同的净光量。也就是说,每个壳都为天空增加了光的总量。因此,壳越多,光越多;如果有无限多的壳,我们将看到一个明亮的夜空。所以照此来讲,宇宙不是无限的。

显然“夜空是黑的”和“宇宙静止且无限”的假设相矛盾,这一矛盾就是奥伯斯佯谬。奥伯斯佯谬就是以德国天文学家海因里希·威廉·奥博斯的名字命名的,也称为“黑暗夜空佯谬”。夜空是黑的,这是宇宙是动态的证据之一,当然也是宇宙大爆炸模型的证据。

如何解释

多年来,为了解决奥伯斯佯谬,科学家们提出过很多说法。其中一种说法认为,恒星或者星系之间的灰尘会阻挡遥远物体的光线,使天空变暗。

然而事实上,随着时间的推移,照在灰尘上的光最终会使它加热,热能经过累积,使得灰尘能像原始的光源一样发光。另外一种说法认为,是红移现象的原因——由于宇宙的膨胀,而发射出的光的波长将会变长,使得在可见范围的光移动到不可见的红外线范围中。但是,如果这个解释是正确的,则有着较短波长的紫外线也会移到可见光范围内,但显然事实并没有这样。

目前,关于奥伯斯佯谬的“最佳解决方案”是这样说的:首先,即使我们的宇宙是无限大的,但也不是无限古老的。这一点至关重要,因为光以每秒约只有30万千米的有限的速度行进(虽然对于我们来说已经非常快了),只有它发出的光线到达地球之后才能被我们看到。例如,由于无线电信号在地球和月球之间往返行驶的时间,月球上的宇航员在与发射中心的通信中会经历1.5秒的延迟。大多数科学家认为宇宙年龄大约为137亿年。

这意味着我们可以接收到的光的最大距离约为460亿光年(因为宇宙本身膨胀得更大了)。所以有更远的恒星和星系,它们的光还没有到达地球。其次,恒星和星系是有寿命的。在寿终正寝时,它们会变得昏暗。这些原因加起来,最终导致我们永远不会看到一个明亮的夜空。因为首先,我们永远不能一次看到所有距离的星星或星系发出的光,因为没有到达地球,其次,还没到光线到地球,地球就已经“狗带”了。

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