看似一个无厘头的问题,实则不然,暗藏着非常深刻的宇宙奥秘。
因为夜晚没有太阳?那只是表面,如果你深入思考问题本身,就会有很多不一样的发现。
其实,德国天文学家奥尔伯斯悖早在200年前的1823年就思考过这样的问题,他提出了一个著名的悖论,也就是奥尔伯斯悖论,大概意思是:如果我们的宇宙是静态的,均匀的,同时也是无限的,宇宙中拥有无限多颗恒星,意味着在地球上无论朝哪个方向看,夜空都会被无限多个恒星填满,如此一来夜空就不应该是黑的,而应该像白天一样明亮,严格来讲就像恒星表面一样明亮。
但事实并非如此,我们观察到的夜晚是黑的,理论与事实不符,这就是奥尔伯斯悖论,或者“奥尔伯斯佯谬”。
很多人都观看过夜空,基本上都是这样的:夜空看起来漫天繁星,但总体来看夜空还是黑暗的,每颗星星之间有大片的黑暗空间。
为什么会这样?奥尔伯斯提出了自己的观点:宇宙的这三种假设的状态,至少有一个是错误的:静态,均匀和无限。
而之后的宇宙大爆炸理论模型,利用光线的红移现象就能解释奥尔伯斯悖论,大爆炸理论认为由于宇宙加速膨胀,导致遥远恒星发出的光会出现明显的红移现象,遥远的恒星和星系发出的光即便能到达地球,那些光线早就发生了明显的红移,最终波长被越来越长,成为我们很难察觉到的微波了,自然就不能照亮夜空了。更不要说由于宇宙的膨胀速度超过光速,很大一部分光线根本到达不了地球,所以地球能接收到的恒星光线数量并不是无限的,而是有限的。
当然,宇宙大爆炸理论本质来讲也只是一个假说,那么对于奥尔伯斯悖论,有没有其他解释呢?
其实奥尔伯斯悖论,挑战的是稳恒态宇宙。长期以来,人们认为宇宙的确是稳恒态的,没有开始也没有结束,就是这么存在着,同时还认为宇宙是无限的。
到了近现代,虽然人们发现宇宙有可能在膨胀,但人们仍旧坚信宇宙的膨胀并不会改变外观,宇宙中的物质在大尺度上还是相对均匀的,也就是说,多数人仍旧坚信宇宙稳恒态这种观点。
那么,宇宙到底是有限的还是无限的?
有限的宇宙很容易解释奥尔伯斯悖论,毕竟有限的宇宙围着恒星的数量也是有限的,而有限的恒星自然无法填满无限的夜空,地球的夜空当然就是黑的。
但这里有一个问题,人类肉眼看到的星空果真是宇宙的真实全部吗?很明显答案是否定的。不管你的视力有多好,也不管在一个环境多么好的夜晚仰望星空,人类肉眼能看到的恒星都是在银河系里,而且是银河系非常小的一部分。
天文学家们表示,人类肉眼能看到的恒星总数量不超过一万颗,这一万颗还是在世界各地看到的恒星数量总和,而在某一地区的任一时刻,用肉眼能看到的恒星数量不超过2500颗。
为什么会这样?距离是一方面,更主要的原因是地球上的大气层阻挡了大多数恒星发出的光线。即便地球不是在银河系郊区,而是在银河系中心密密麻麻的恒星群当中,看到的夜空也不会被恒星填满,更不要说地球距离银河系中心达到2.6万光年了。
除了地球上的大气层,银河系中也存在大量尘埃分子和星际云,这些都大大阻挡了光学望远镜的视线,而利用强大的射电望远镜,就能看到更多。随着人类科技不断发展,科学家们利用最先进的X射线或者红外线望远镜扫描天空,可以帮助我们揭开更多宇宙奥秘。再想想200年前的奥尔伯斯时代,只能使用口径只有十厘米左右的单筒望远镜,对于奥尔伯斯时代的人们来讲,我们如今的科技是不可想象的。
所以,即便宇宙是无限的,人们能看到的宇宙并不是无限的,接收到的光线数量自然也不是无限的。
第二个问题,宇宙是不是均匀的?
从目前天文学家们的观测结果来看,在大尺度上,我们的宇宙的确是均匀的,宇宙具有各向同性,什么意思呢?通俗来讲就是,无论朝着宇宙的哪个方向看,看到的基本都差不多。
这种观点其实也符合宇宙稳恒态观点。哈勃望远镜就曾经拍摄过多张宇宙深空图,拍摄到的基本都差不多。
而大爆炸理论也认为在可观测宇宙内,宇宙物质的分布是均匀的,尽管宇宙从诞生开始就一直在不断膨胀,膨胀速度远超光速,可观测宇宙直径达到了930亿光年,但宇宙在大尺度上来看是均匀的。
第三个问题,宇宙是静态还是动态的?
如果说稳恒态宇宙观点中的“无限和均匀”还可以解释,可以被接受的话,那么“静态宇宙”就是稳恒态观点的致命弱点。稳恒态宇宙观点认为宇宙是静态的,一成不变的,从过去到现在都是如此。
但是随着上世纪20年代,著名科学家哈勃发现了遥远星系的红移现象之后,人们对宇宙的稳恒态提出了质疑。具体是怎么回事呢?其实也是哈勃的一个偶然发现。
20世纪20年代,哈勃利用天文望远镜观察遥远星系的运动时,偶然发现星系发出的光发生了红移现象,而且距离越远的星系,红移现象越明显。
什么是红移现象?
其实红移现象并不是什么高深的东西,也是多普勒频移的一种表现。说白了就是,当天体远离地球时,天体发生的光的波长就会被拉伸,波长变长,就会发生红移。反之,当天体靠近地球时,波长就会被压缩,波长变短,就会发生蓝移。
不仅仅是光,声音也具有这种特性,其实这种特性在我们日常生活中经常出现,只是我们早就习以为常,很难发现罢了。
下次有机会坐火车,你可以留意一下。当火车即将驶入站台,通常都会鸣笛,这时候鸣笛声都会很尖锐,这是因为火车不断靠近你,声波就被压缩,波长变短,声音就会很尖锐。而当火车驶离站台,火车不断远离你时,再鸣笛的话,声音就会变得很低沉,这是因为火车驶离你,声波被拉长,听起来就很低沉。
话说回来,哈勃发现了遥远星系的红移现象,自然就会联想到遥远的星系在不断远离地球,而且他发现不止一个星系如此,几乎所有的遥远星系都是如此,都在加速远离地球。
很明显,这说明宇宙并不是静态的,而是动态的,更准确来讲,宇宙一直在膨胀,而且是加速膨胀。哈勃的发现也是宇宙大爆炸理论的一个有力证据。
当时的物理学界大佬爱因斯坦并不认哈勃的发现,而当哈勃邀请爱因斯坦,让他亲自看一眼自己的发现的,爱因斯坦也顿时感叹原来自己坚持多年的宇宙稳恒态是错误的,同时也承认在引力场方程中加入的“宇宙常数”是他一生中“最大的错误”,因为他加入的宇宙常数就是为了保证宇宙的稳恒态。
总结
不管宇宙大爆炸理论是否正确,但不可否认的事实是,我们的宇宙的确一直在膨胀,而且膨胀的速度越来越快,这个结论是通过大量观察总结出来的,并不是假设,也不是想象出来的,是有科学依据的。
宇宙不仅在膨胀,而且膨胀速度越来越快,距离地球越远的星系,远离地球的速度也会越快,膨胀速度甚至会远远超过光速。
这就意味着,不管宇宙是有限还是无限的,能够到达地球的恒星的光线始终是有限的。即便是恒星和星系的光线能到达地球,大部分光线也会因为红移现象而衰减成不可见光,只能以红外线甚至是微波的形式存在,这些光是不能被我们的肉眼看到的。
上世纪60年代的四大天文学发现之一,宇宙微波背景辐射,就是强有力的证据,也是宇宙大爆炸理论的关键证据。让我们明白,地球的夜空中虽然充满了各种电磁波,但可见光却很少,所以我们只能看到黑色的夜空。
同时,宇宙太空并不像我们想象的那样空旷和透明,地球上空的大气层很浓厚,阻挡了大部分恒星发出的光线。但其实,更遥远的深空,比如说银河系的空旷区域,也有很多星际云和尘埃,宇宙中并不存在绝对的真空。
而且距离地球越远的天体,到达地球的光就会越少,这又会使得我们利用天文望远镜接收到的可见光数量变得更少,自然也会看到黑色的夜空。
再者,宇宙中有太多大质量的天体,由于质量很大,引力也会巨大,甚至能吸收,阻挡,弯曲光线,某种程度上也让到达地球的恒星光线变少了。
最后,不得不提到几乎不为我们所知的暗物质和暗能量,两者占据了整个宇宙的95%,而我们每天看到的可见物质,也就是恒星物质,只占了可怜的5%而已。科学家们并不知道暗物质和暗能量是否对电磁波有什么影响,或许暗物质和暗能量也过滤掉了很多恒星发出的光线,关于这一点还有待深入研究。
200年前,奥尔伯斯提出了当时人们无法理解的奥尔伯斯悖论,当时的人们对宇宙的认知和探测水平还非常有限。而如今,我们对宇宙太空有了更深刻的认知,提出了更加合理的诠释。
我们知道了宇宙并不稳恒态的,而是一直在膨胀。同时也知道了在大尺度上宇宙是均匀的。虽然我们还不清楚宇宙到底是有限还是无限的,但科学家一直在努力寻找问题的真相。
最后我想说的是,不要被日常生活中那些常见的现象所束缚,不要认为常见的现象就是理所当然是那样,多问几个为什么。
可以想象一下这个场景,你走到大街上随便问一个人“夜晚的天空为什么是黑的?”,别人肯定以为你要么是吃饱了撑的,要么是疯了,说些胡言乱语,然后给你一个蔑视的眼神:你疯了吧?夜晚的天空不是黑的,难道还是亮的?
但科学家正是凭借这种看似“疯狂”的质疑,才一步步洞察宇宙的真相。大自然的很多奥秘并不是隐藏在我们看不见的角落里,而恰恰就在你我身边,就看你有没有善于发现的眼睛,善于打破传统思维模式的大脑了!
所以,永葆好奇心!