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    为什么夜晚是黑的?因为没有太阳?别闹,看了让你脑洞大开!

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      🌾袁隆平

      奥尔伯斯悖论

      1823年,德国天文学家海因里希·威廉·奥尔伯斯(Heinrich Wilhelm Olbers)提出了一个著名的观点:如果宇宙是无限、均匀和静态的,同时无限的宇宙中有无限多颗恒星,那么从地球向任意角度看,夜空都会被恒星填满,夜空不应该是黑暗的,它应该与恒星表面一样亮。这与我们观测到黑暗星空的事实相悖。奥尔伯斯的观点被称为“奥尔伯斯悖论”,又称“黑暗夜空悖论”。

      为了让描述更加直观,我们引入下面这张动画:

      黑暗夜空被遥远星光填满

      在这幅描绘无限而均匀的天空的动画中,每一帧都显示出越来越远的星星,距离越远的星星填补了视野中距离较近的星星之间的空白。最终,整个图像就变得像一颗星星一样明亮。

      事实上,我们在地面肉眼看到的夜空是这样:尽管满天星光,但总体上看它是黑暗的,星与星之间有大片的空间,我们看不见这些空间里有恒星的光芒。

      图片

      高原天文台的星空

      奥尔伯斯悖论认为,由于夜空黑暗,因此“无限”、“均匀”和“静态”这三个关于宇宙本质的假设中至少有一个是错误的。

      奥尔伯斯悖论在提出之后被“宇宙大爆炸理论”所利用。大爆炸模型中红移的假设本身就能解释夜空的黑暗:宇宙的膨胀导致来自遥远恒星和类星体的光发生红移,更加遥远的星系正以光速甚至超光速离开我们,因此来自天空的总光通量仍然是有限的。我们看不见可视宇宙之外的星球,因为它们的光不会快于光速,所以无法到达地球。而在可视宇宙的范围内,恒星的数量是有限的,它们不能填满夜空。

      对悖论的解释

      奥尔伯斯“黑暗夜空悖论”的提出,挑战的是稳态宇宙的设想。稳态宇宙设想发端于公元13世纪,其支持者认为宇宙没有开始也不会有结束,宇宙是无限的。尽管宇宙可能存在膨胀,但它不会随着时间的推移而改变外观,宇宙中的物质在大尺度上是相对均匀散布的。

      宇宙是有限的吗?

      如果宇宙是有限的,或者宇宙中的恒星数量是有限的,那么黑暗夜空的现象就很容易解释:因为有限的光点无法填满无限的夜空。

      图片

      夜空中的银河局部

      问题是,我们肉眼所见的星空真的是宇宙的全部吗?很显然并不是。即使你拥有极好的视力,在一个视线极佳的夜晚仰望星空,你所能看到的99%以上都只是银河系内部的星星。银河系里的恒星数量多达4000亿颗,它的厚度超过1000光年,直径更是达到了20万光年。天文学家们说在地球上只能看到8749颗银河系的恒星,任一时刻我们用肉眼可以分辨的恒星不超过2500颗,那是因为大气层遮挡了绝大多数的星光。即便是身处银河系如此密集的恒星群之中,我们的视野依然没有被星光填满,事实上我们的太阳系只不过是埋没在浩瀚银河中一个微不足道的小点而已!

      图片

      银河系想像图,太阳系只是其中极微小的一点

      银河系内大量的星云与尘埃阻挡了光学望远镜的视线,在更先进的射电望远镜面前却是透明的。今天的科学家可以利用超大型红外线和X射线望远镜来扫描星空,解开厚重星尘背后的秘密,他们甚至能够捕捉银河系中心射手座A*黑洞以及围绕在这个黑洞周围高速运转的恒星轨迹。这一切对于200年前只能使用几英寸口径单筒望远镜的奥尔伯斯来说完全是不可想象的事情。

      图片

      银河系中心黑洞射手座A*以及围绕其运行的恒星轨迹模拟

      宇宙无限,人类所能看到的宇宙却总是有限的,因为我们被太多东西遮住了眼睛。

      宇宙是均匀的吗?

      从目前对宇宙的观测结果来看,在可观测宇宙的大范围内,星系的分布是相对均匀的。这符合稳态学说对于宇宙中物质的描述。将哈勃太空望远镜对准太空的某一个区域,可以得到下面这张星空的照片:

      图片

      哈勃星空照片

      而当科学家将哈勃对准这一片星空的一片极小的“空白”区域进行长达数星期的“凝视”后,就发现原来在那个我们以为空无一物的黑暗区域深处,还有数以万计庞大星系发出的光芒!

      图片

      在我们以为黑暗的空隙里,依然有数以万计的遥远星系

      大爆炸理论认为宇宙正在快速膨胀,它的直径约为910亿光年,同样地,大爆炸理论也认为在可观测宇宙的范围内,星系物质的分布是均匀的。

      图片

      宇宙微波背景辐射被认为是大爆炸留下的余辉,它在太空中是均匀照亮的

      宇宙是静态的吗?

      这可能是稳态宇宙学说最致命的弱点,因为它认为宇宙相对平静,但到目前为止所有对遥远星体的观测结果却直指它的反面:哈勃在利用大口径太空望远镜测量大量星系的光谱,发现它们多多少少都存在着红移,并且距离越远的星体红移幅度越大。这意味着所有的星系正在散开,有些遥远星系离开的速度甚至有可能超过光速,这也是科学家们计算的宇宙年龄与它的理论直径不相符的重要原因。因此宇宙大爆炸学说的支持者们认为宇宙不是静态的,它正在急速膨胀,连爱因斯坦都很明智地放弃了自己稳态宇宙的观点,转而支持哈勃的大爆炸设想。

      图片

      爱因斯坦应哈勃邀请参观威尔逊山天文台,后放弃稳态宇宙观点

      总结:为什么我们能看到的星星很少?

      一、“宇宙大爆炸理论”告诉我们有许多星星正在超光速地远去,它们的光永远到不了地球。

      二、太空并不如我们想象的那样空旷、纯净与透明。我们地球的上方有稠密的大气层,它可以阻挡绝大多数的星光;在距离我们更远的银河系,还有许多尘埃和星云,它们也可以阻隔相当多的星光;而在银河系外的广阔空间里依然充斥着许多气体、尘埃和分子颗粒。太空并不全是理想的真空,事实上宇宙中根本就不存在理想真空。

      图片

      星际间存在大量气体物质,它们阻隔了可见光

      三、太空中有许多大质量的天体,它们可以弯曲、阻挡和吸收光线,无数个大大小小的黑洞在太空中游荡,它们像吸尘器一般吞噬光线。如果它们周围没有吸积物,我们根本就不知道它们在那儿。

      四、200年前的天文学家只有极其简陋的光学望远镜,他们看不见太空中的微波辐射、红外线、紫外线及X射线。即便是今天最先进的哈勃空间望远镜都无法洞察一切,科学家们还需要借助几百米口径的射电望甚至用多台射电望远镜组成阵列来探测太空,这对于奥尔伯斯是不可想象的。

      图片

      1818年辛辛那提天文台最先进望远镜与牛顿天文望远镜

      五、科学家们认为宇宙中有多达95%的质量属于暗能量和暗物质,只有5%属于普通物质。在大尺度的宇宙空间里,暗能量与暗物质对电磁波的作用还需要科学家们进一步探索。

      “奥尔伯斯悖论”的提出建立在200年前天文学家们对宇宙有限观测以及有限认知的基础之上,在今天看来,黑暗的夜空已经有很多科学解释。尽管宇宙是有限或是无限、是整体爆炸或是部分振荡的争论还在继续,相信随着科学理论与技术的发展,我们定能找到更多宇宙的真相,科学将越来越接近真理,悖论也将一个接一个被解开。
      为什么夜晚是黑的?因为没有太阳?别闹,看了让你脑洞大开!
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      Lv.2中微子
      诺贝尔
      👍

      爱天文的小学生😃

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      Lv.2中微子
      诺贝尔
      打赏了1金币

      爱天文的小学生😃

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      Lv.3顶夸克
      诺贝尔
      好耶

      一枚热爱科学、又热衷于学习良好处理女朋友关系的程序员

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