宇宙中那么多星星,为什么夜晚天空却是黑的?

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在晴朗无云的夜晚,如果你来到远离城市灯光的郊野、山区,当你放眼夜空,就会看到满天星斗,银河灿烂。星星们在不知疲倦地眨着眼睛,散发出诗一般柔美的光芒。


在观察条件非常好的前提下,人的肉眼可以看到大约6000多颗星星。但是因为我们住在北半球,看不到我们脚底下南半部天空的星星,所以只能看到3000多颗。可是,实际上天上的星星比6000多颗不知多了多少倍,只不过那些星星都非常暗,需要借助天文望远镜才有可能看到。


面对满天繁星,你是否想过,宇宙中那么多星星,为什么夜晚的天空却是黑的呢?





奥伯斯佯谬


说到这,就要提到一个人物,他就是奥伯斯。奥伯斯是德国人,出生于1758年,这时候在中国还是大清朝乾隆年间呢。奥伯斯在大学里学的是医学,毕业以后也以做医生为业。但是,他特别喜欢天文学。所以他白天做医生治病救人,晚上就观察天空。他曾经发现了好几颗小行星和彗星。


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奥伯斯


奥伯斯是一个很爱动脑筋的人。望着繁星闪烁的夜空,奥伯斯提出了这样一个问题,如果宇宙空间是无限大的,那么天上就会有无限多的像太阳一样的恒星,它们都在时刻不停地把大量的光和热散发到周围的空间里,这样,它们就应该把我们的夜空照得很亮,可是为什么我们看到的星空还是黑的?


其实,比奥伯斯更早,类似的疑问就曾经让德国天文学家开普勒感到很困惑。


他说,如果宇宙空间无限大和恒星的数量又是无限多,那我们的地球就好像处在一个恒星构成的密林里,四周全是树,没有缝隙。这些包围地球的恒星都在辐射光和热,那么,地球不但不会有黑暗的夜空,还应该变成一个酷热的地狱。


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奥伯斯佯谬指出,稳态宇宙下的夜空理应是一片光亮的


对这个问题,奥伯斯自己想出了一个答案。他想,远处的星星虽然非常多,但是它们的星光在到达我们之前,就被空间中存在的物质吸收了,所以星空就是黑的了。


可是有人站出来反对他,说你这个答案不对。那些空间中的物质是可以吸收星光,但是它们吸收星光以后,还应该再发出光来,所以总的光量并不会减少!


我们仔细看一下,奥伯斯提出的这个问题,开头是好像很有道理,却导致了一个不正确的结论,因为夜空并没有被星星们照得很亮,还是黑的。这种情况就叫做“佯谬”。后来人们就管奥伯斯提出的这个问题叫“奥伯斯佯谬”。


奥伯斯佯谬这个问题,听起来是个简单问题,但是它的答案实际上并不简单。有很多有名的科学家也为它感到很困惑。





距离遥远的恒星


要回答这个问题,很多人首先会考虑地球周围的恒星。距离我们地球最近的恒星当然是太阳,太阳光总是照亮地球的一半,使这一个半球处在阳光灿烂的白天,却照亮不了地球的处在夜晚的另一半,那一个半球只能看到星光。


太阳到地球的距离是多远呢,是大约1.5亿千米,如果乘坐喷气式飞机从地球飞往太阳大约需要将近20年。


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半人马座阿尔法星附近天区的广角照片


除了太阳以外,距离地球最近的恒星是南天的半人马座阿尔法星,中国名字叫“南门二”,也叫“比邻星”。它到我们地球的距离是大约4.3光年。这个距离换算出千米,是约40万亿千米,相当于地球到太阳距离的27万倍!假如乘坐喷气式飞机一刻也不停地往半人马座阿尔法星飞,大约要飞将近450万年!


其他的恒星呢,它们数量非常巨大,但是距离我们实在是太远了。


我们知道,在光学上有一条定律,说是在一点上接收到的光的强度,和这一点到光源的距离的平方成反比。这意思是说,假设有一盏灯,它发出的光会向前后左右、四面八方发散开来,可以设想这些光形成了一个球形,光传得越远,这个球就越大。球大了,球的表面积就越来越大,上面的光就越来越分散开来,这样光强就越来越弱了。


所以,越远处的星星发出的光,到达我们地球时会变得越暗,以致有的还能勉强看见,而更多的星星就根本就看不见了。当然,它们也就不能照亮我们的夜空。


这个所谓光的“反平方定律”,是人们对“奥伯斯佯谬”给出的解释之一。





宇宙膨胀的结果


近年来,随着科学的发展,有人又对“奥伯斯佯谬”提出了另外的解释。原来,宇宙中大量的天体,主要是指那些弱到肉眼根本看不见的由恒星组成的星系,都在飞快地远离我们,这就是所谓“宇宙膨胀”。




“宇宙膨胀”就会带来一个结果,那些特别遥远的恒星和星系,因为它们远离我们的速度特别地快,以致它们发出的光到达地球时,不仅强度已经变得极弱,而组成光的光子能量也变得很低,这样我们就更看不到它们了!所以,宇宙在我们眼里是“黑暗”的。


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宇宙大爆炸示意图


说到这里。你明白夜空为什么黑暗的一些道理了吗?


直到现在,人们对它的解释还是各抒己见,有的很不相同,很难说哪个答案是唯一正确的,所以,这个问题现在还是“开放”的,人们有时仍在进行讨论、甚至争论。


实际上,现在对很多重大的科学问题,经常是还没有一个大家都认为是正确的答案,都是处在探索的过程中。


通常,科学家会先进行观测,再提出假设来解释观测结果,然后对假设进行观测检验,寻找证据来支持或者否定这一假设。对奥伯斯佯谬这一著名科学问题的探索,其实就体现了这样的过程。


还要强调的一点是,其实我们的夜空并不是绝对黑暗的。在地球上可以接收到各种各样的高能或者低能的辐射,只不过我们的肉眼看不见它们,而这正是科学家们正在研究的课题和对象!


作者:伏远(退休天文科学工作者)

策划:张超 李培元 杨柳