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夜空为何是黑的?看似再正常不过,却藏着一个令人绝望的事实

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你好科普 2021-11-29 07:00

综述

随着人类科技的发展和进步,我们终于正式开始了地外太空探索。尽管以目前的探索进程来看,我们仍然停留在最初的阶段,甚至连太阳系都没能突破。

但这至少证明了地外探索的可行性,并明确了人类未来的发展方向。除此以外,即便我们暂时无法实现载人太空器探索宇宙深处的梦想,但现代先进的太空望远镜,依旧可以帮助我们去观测宇宙深处的各种变化。

尤其是每一次全新的发现,几乎都会让不少人感动不已。然而很多人都忽略了一个问题,夜空为什么是黑的?这看起来再正常不过的一件小事,背后隐藏的却是你从未想过的绝望现实

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漆黑的夜空

黑夜与奥伯斯佯谬

自从人类记事以来,就已经习惯了白天和黑夜的区别。可对于这种现象的具体原因,却没有任何人能够做出解释。

一直到16世纪哥白尼在《天体运行论》中提出了“日心说”,表明地球围绕太阳运动,且地球自身也在不停地转动以后,人类才对白天黑夜有了一个简单的认识。

可事实上,这样的理论其实也仅仅适用于太阳系中。如果超过了这个界定范围,那么地球自转同样不能解释黑夜与白天的区别。

哥白尼提出了日心说(右侧)

举一个简单的例子,当某一个房间内部同时存在一个光源以及一个遮挡物的时候。那么我们在光源以及遮挡物之间就能够看到明亮的遮挡物;可如果是在遮挡物的背面,那就只能看到黑漆漆的一片。

然而宇宙并不仅仅只是太阳系,前人对于太空天体的认知受制于时代的整体发展状态。而现如今,我们已经知道哪怕是银河系之中,都至少有1000亿到4000亿颗恒星。

这就足以证明,名为宇宙的这个“房间”远比我们想象的要大得多,而房间内部的光源也同样难以估量。试问当房间光源布满了遮挡物的上下前后左右之时,我们又怎么可能感觉到黑暗呢?

宇宙主题图片

或许有人会说,光源距离太远,所以我们无法看到。可事实上,光子在宇宙真空中不会被吸收,也没有损耗,完全可以传播到无限远的距离。

也正是因为这种特性的存在,所以我们习以为常的黑夜,其实完全是一个无法理解的悖论。而这种悖论在近代天文学中,也被称之为奥伯斯佯谬。

在奥伯斯看来,只要宇宙是稳定的存在,那么无论光线距离多么遥远,整个宇宙都应该是永恒的白昼才对。

天文学家奥伯斯

在这种状态下,黑夜不复存在,而白天的亮度更是会高到让人睁不开眼的地步。为此,这位来自德国的天文学家还想过太空尘埃以及气体遮挡的原因来解释自己的谬论。

意思是说光线在太空传播过程中,会因为尘埃和气体的阻挠而无法达到地球,所以才会出现黑夜的现象。这种解释看起来十分合理,可等到1850年热力学第一定律出现以后,就完全解释不通了。

在宇宙中,所有孤立系统内部的能量永远守恒。既然如此,那么光线在宇宙中传播的时候,即便会被尘埃或者气体阻拦,也依旧会以其他方式表现出来。这样一来,黑夜也就不复存在了。

漆黑的夜空中星星在闪烁

红移现象

对于奥伯斯提出的这个谬论,在长达百余年的时间里面都没人能够给出最合理的解释。热力学第一定律已经被证明是真实存在的,可黑夜的出现就像是某一片平整路面上的一个“凸起”。

如果不能将这个“凸起”处理掉,那么科学的前进之路必然会因此受到阻碍。好在二十世纪初,著名的“河外天文学之父”埃德温·哈勃在发现了红移现象之后,成功破解了奥伯斯提出的难题。(河外:银河系之外的宇宙空间)

红移现象示意图

1929年,哈勃通过对星系距离的测定以及前人留下来的观测结果对比后发现:距离我们越远的星系远离我们的速度就越快。

举一个简单的例子,当我们走在路上的时候,我们身边每个人的移动速度都是类似的。然而在千里之外,每个人都在加速移动。

除此以外,其实一些物理现象的表象,也符合红移现象的理论。当一列火车从远处驶来的时候,我们听到的声音会由弱到强,这不仅仅是距离的减小,同时也是波长变得越来越短。

哈勃旧照

如果更加准确地描述这种声音的变化,那就应该是越来越“刺耳”。在现代天文学中,红移现象主要分为三种,分别是多普勒红移、引力红移以及整个宇宙的红移。

对于这三种不同的红移,我们也可以简单地将它们看作是宇宙的三个层次变化。首先是最底层的多普勒红移,也就是波源移动红移,具体释义为:

波在波源移动向观察者的时候,接受频率逐渐变高;在远离观察者的时候,接受频率逐渐变低。我们在日常生活中无法看到远处的光源,也完全可以用这种定律来表示。

红移现象模拟图

其次就是爱因斯坦相对论中提到的引力红移,这一点和爱因斯坦提出的“时空概念”有一定的联系。爱因斯坦提出光速是宇宙中最快的速度,同时也是恒定不变的。

可由于天体引力的存在,所以光波的频率自然就会降低。从这一点上来看,可以将爱因斯坦提出的引力红移视作多普勒红移的延申。

最后就是宇宙学红移,早在1912年,美国天文学家维斯托·斯弗莱就已经发现了红移现象。只不过对于这种现象,这位天文学者并不知道用什么样的方式来解释它的存在。也正因如此,才有了后来哈勃通过哈勃定律证明的宇宙膨胀。

红移示意图

红移与奥伯斯佯谬

很多人不太能理解,红移现象究竟和奥伯斯佯谬又有什么关系呢?这可以从两个方面来进行解释。首先是光在传递的时候,光子不会损失,但波长频率的变化会让人类无法接受到光芒的存在。

在宇宙之中,星系之间的间隔距离都以光年为计量单位。在这样长的距离跨度上,我们能够感知到的光芒自然会十分的微弱。

与此同时,太阳的存在还会将其他天体的光线“吞噬”,所以我们能够在日常生活中接收到最多的光源信息也只能是太阳。

其次,由于哈勃定律证明了宇宙一直都是在膨胀之中,且距离我们越远的星系移动速度越快并逐渐超越光速的时候,我们就再也无法接收到它们的光芒。

哈勃定律观测图和公式

这一点很容易理解,当两个人在同一赛道上奔跑,其中一个人本就落后于对方的情况下,移动速度还没有对方快,自然就没有追上对方的可能。

只不过和宇宙星系运动的区别就是,人类赛跑是自己在作用,而宇宙深处的天体星系变化,则是由于空间在作用

当空间膨胀的速度越来越快,“固定”在某一点上的天体或者星系,与其他之间的星系距离自然也就会越来越快,而我们最直观的观测感受就是星系的移动速度越来越快。

也正因如此,当黑夜来临之时,我们才会感觉到夜空漆黑一片,而漫天繁星,也不过是相对有限的天体数量。

宇宙膨胀模拟图

可怕的未来

可即便是这样,和我们人类又有什么关系呢?毕竟宇宙深处的天体或者星系移动,从来没有影响到我们现如今的生活。

可事实上,如果这样的事情持续不断地存在下去,我们人类将会被宇宙彻底地“孤立”。这种孤立状态并不是说我们被宇宙剔除出去。

而是当我们人类在遥远的未来与其他星系间的距离越来越远的时候,我们能够观测到的空间也就越来越有限。举一个简单的例子:

当我们穿着救生衣被困在大海之中时,如果无力抓住身边的物体,那么最终目光所及之处,只会是一片茫茫大海。

宇宙膨胀想象图

除此以外,德国物理学家和数学家埃马努埃尔·克劳修斯还在1854年的随笔《关于热的力学理论和第二基础定理的一个修正形式》中提到了一种全新的物理量。

到了1865年,这种全新的物理量被正式命名为“熵”。可惜和以往所有科学发现都不相同,此次发现竟被所有科学家都认为是整个宇宙最绝望的发现。

在物理定义中,熵增是一个自发的从有序到无序的变化,每一个孤立的系统中,都会随着时间的推移出现熵的变化和增加,这个过程是绝对不可逆的。

为此,许多科学家还表示,任何一个科学定理在熵增面前都必须让步。如果某一定理与熵增产生了冲突,在无法通过其他路径来阐述这种冲突的时候,无条件支持熵增现象,永远也不会出错。

宇宙膨胀示意图

举一个简单的例子,一台电脑在没有使用之前,电脑内部不会出现任何类似文件需要清理的情况。可如果开始使用,那么即便在你不知情的情况下,无序的程序也会出现。

而不同电脑之间的区别,其实也仅仅只是时间的区别,也就是熵增的速度区别。在宇宙这个极大的系统之中,熵增同样是无序且不讲道理的。

就像宇宙膨胀理论一样,人类根本不可能逆转这种现象的变化。甚至整个宇宙内部都不存在逆转这种现象的力量。唯有外来力量的介入,或许才有机会在短时间内消除掉一定数量的“熵”。

膨胀是不可逆的、熵增是不可逆的、我们人类生活的地球最终变成一个孤岛,同样也是不可逆的。在那个时候,或许我们周围的宇宙空间中就充满了这种毫无意义但却实存在的物质,而我们也只能默默地忍受

宇宙膨胀的速度很快

结语

谁也没有想到,在黑夜的背后竟然隐藏着如此残酷的现实。在宇宙的规律面前,别说是人类现有的科技能力,即便千百年以后,我们都很难对改变宇宙抱有希望。

奇迹是必定存在的,可在这件事情上面,奇迹出现的概率实在太小。可即便如此,我们也大可不必过于担心。

宇宙的发展变化有它自己的规律,我们人类发展也有属于自己的道路。《赤壁赋》中有:“清风徐来,水波不兴”,外界给人的压力或烦恼,又怎能影响到个人的前行呢?

漆黑的夜空

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