晴朗的夜,我們仰望星空,可以看到繁星滿天。但在這些繁星的間隙,卻是一片黑暗,這些星星就像鑲嵌在黑天鵝絨上的寶石,閃閃發光。

這已經是見怪不怪的現象了,但人類與别的動物不同的,就是有一個聰明的大腦,這樣就有許多人還在為這種見了幾千年的現象思考:為什麼宇宙太空是黑的呢?
現代科學觀測和研究,已經對宇宙有了足夠的了解,已經成為常識的是:宇宙很大,可觀測宇宙就有數萬億乃至十萬億個星系。而我們的銀河系隻是這衆多星系中的一個漩渦星系,太陽隻是銀河系一顆普通恒星。銀河系直徑有20萬光年,包含2000億~4000億顆恒星。
我們地球是太陽系中一顆中等行星,太陽每天都照耀着地球,給我們帶來光明,是以每到白天,天就是亮的。可在太空,既然每一顆恒星都是太陽,那麼即便在銀河系,也有數千億顆太陽在照耀,為什麼太空背景還是一片漆黑呢?
古代人們對宇宙了解不深刻,把那些星星當作是神仙,當然就不會思考這個問題了。但到了有科學的時代,有智慧的人們就開始奇怪了。1610年,天文學家開普勒就提出了這個問題,他被認為是最早以科學方式提出此類問題的人;1823年,德國天文學家奧伯斯又系統提出了這個問題,于是,人們把這個問題稱為“奧伯斯佯謬”。
奧伯斯佯謬(又稱夜黑佯謬或光度佯謬)的核心思想是:若宇宙是穩恒态而且是無限的,晚上就應該是光亮的,而不是黑暗的。這種思想是基于一直統治人類思想的絕對宇宙觀,這種思想認為宇宙生來就是這個樣子的,是無始無終無邊無際的,而且光速也是無限的。
自從古希臘出現了科學的萌芽,絕對宇宙觀就成為統治思想,一直到哥白尼發現日心說,伽利略觀測到宇宙巨大,牛頓發現了萬有引力,這種觀念也沒有動搖過。根據這種觀點,宇宙是無限的,無始無終的,那麼恒星數量也就是無限的,且光速無限,一生出就充滿宇宙,這樣恒星源源不斷發射的光芒一直留在宇宙中,這樣宇宙就應該是光明的。
但實際上宇宙是黑暗的,這就是一個悖論,是以是一個佯謬。
現在,科學已經很好地解釋了這個問題。宇宙黑暗的原因主要有三點:一是宇宙并非靜态,而是動态;二是光速是有限而恒定的,是以光的傳播也是需要時間的;三是宇宙太大太空曠了,且沒有物質填充,恒星的光芒要照亮這些空間遠遠不夠。
上世紀初科學界風起雲湧,對宇宙觀測發現不斷取得突破。其中最集中典型的代表就是出了個傳奇人物,他發現并創造了一系列完全颠覆人類觀念的理論,此人就是偉大的科學家愛因斯坦。
愛因斯坦的狹義相對論和廣義相對論,在采用當代科學一系列發現,如借鑒埃德溫·哈勃發現的宇宙膨脹和邁克爾遜-莫雷實驗發現的光速恒定等成果基礎上,論證了時空的相對性,否定了牛頓力學的絕對時空觀。
從此宇宙是有限的,是在不斷膨脹的,而且是有始有終的觀點,漸漸成為科學界和世界的主流認知。人們通過各種科學方法觀測和模組化,認為宇宙大約起源于138億年前,經曆過暴漲、減速膨脹和加速膨脹三個階段,而現在是在加速膨脹階段。根據哈勃常數監測,膨脹的速率遠遠大于光速。
根據宇宙膨脹速率和哈勃常數,經過科學模組化測算,得到可觀測宇宙半徑約465億光年。可觀測宇宙隻是人類未來隻能了解和觀測的宇宙,這個可觀測宇宙之外還是宇宙,其範圍有多大,現在無法預料。
從時間開始那一刻,也就是宇宙大爆炸開始後,數億年才開始形成恒星和星系,這些星系都在随着宇宙膨脹不斷快速地分開并離我們遠去。這樣星系和恒星之間的距離就會越拉越大,在空間的密度就越來越稀疏,光就越來越微弱。
這就是恒星之光無法照亮整個宇宙的第一個原因。奧伯斯佯謬實際上也是對絕對宇宙觀提出了質疑,支援了相對動态宇宙觀。
如果按照光速無限的假設,那星光就将突然之間充滿整個宇宙,是以宇宙是光明的。但從伽利略開始就質疑光速無限論。經過幾百年科學家們不懈努力和無數次試驗,最終終于得出了準确真空光速為299792458m/s(米/秒)。
而且通過邁克爾遜-莫利實驗,證明了光在不同的慣性參考系和不同的方向上,比如順着地球和逆着地球方向來的光,速度都是一樣的,由此光速是恒定的。
既然光速是有限的,且是恒定的,那麼星光發出來以後到達一個地方就需要時間。
而光的本質是電磁波,人的眼睛隻能看到可見光,可見光隻是整個電磁波譜中一個很窄的波段,範圍在約780~380nm之間。且光波具有多普勒效應。何謂多普勒效應?就是随着波源的運動,高速遠離觀測者時波長會被拉長,高速靠近觀測者時波長會被壓縮變短,而光波的多普勒效應就是産生光譜紅移和藍移效應。
宇宙膨脹遠遠大于光速,是以人類觀測到遠方星系的光就會産生紅移效應,越遠越快離去的星光,就越移出了可見光的波長範圍,變得人眼看不見了。是以,我們在宇宙中肉眼看到的光波隻是電磁波一小段頻段,而大部分頻段我們是看不到的,這樣恒星的光芒就不可能充斥到整個宇宙了。
我們知道,人眼看到的光有光源本身發出的光,如恒星、火光、燈光等;也有物體反射的光,如我們看到除光源以外的一切物體,月亮、人、房子、樹木等,都是依靠反射光,我們才能夠看到。
在太空,每顆恒星相距的距離太遠了,且在廣袤的太空,一片真空,幾乎沒有任何粒子來承載和反射光,是以恒星的光芒根本無法照亮整個空間。
我們地球距離太陽隻有1.5億公裡,且地球被大氣層包裹,當太陽光來到地球時,受到大氣粒子的反射,是以我們才能夠看到藍天白雲,背陰處也有亮光;如果在月球上,由于沒有大氣粒子的反射,太陽照射到的地方就是白辣辣一片耀眼光明,而沒有照射到的地方就是一片漆黑(當然月球石塊等也會反光到陰影處,隻是沒有大氣粒子和塵埃,就要暗很多)。
其實,太陽的光也照得并不遠,如果到了冥王星,距離太陽平均不到60億公裡,隻是0.00063光年,在那裡看到的太陽就隻有星星大小了。雖然也還算亮,但隻比滿月亮291倍,而在地球上,太陽的亮度是滿月的約70萬倍。
在1光年距離看太陽的亮度,視星等就隻有-2.71等了(視星等是數值越小越亮),地球上看金星最亮時可達-4.6等,看木星最亮時可達-2.9等。也就是說在距離1光年的地方看太陽,就還沒有在地球上看金星和木星亮了。如果在遠點,到距離太陽最近的恒星4.3光年的南門二處看太陽,太陽視星等就隻有0.43等,還沒有我們看南門二A星0.01等亮呢。
太空中的恒星有多稀疏呢?我們以銀河系為例來計算一下:銀河系約20萬光年直徑,如果用平均5000光年的厚度來計算體積,4000億顆恒星互相之間平均相隔空間就在約7.32光年。這麼稀疏的星空,依靠恒星那點能量是完全無法填滿亮光的。
更重要的是,整個太空處于高度真空狀态,除了一些塵埃和星雲集中的地方,絕大多數空間隻有極其微量粒子飄蕩,根本無法吸收和反射亮光。而星系之間的間隔就更巨大了,都是以數十萬到數百萬光年計算,是以這個巨大空間就更真空了。
一般認為,宇宙密度平均每立方米隻有1個粒子。這個密度是宇宙中所有粒子加起來(包括所有星系和恒星都化為粒子),與空間的比例計算的。是以宇宙的空曠超乎人的現象。
而在宇宙塵埃集中的地方,我們就能夠看到星雲的反光,由此望遠鏡拍下了絢麗多彩奇形怪狀的星雲,如創生之柱等等(下圖)。其實這些星雲的密度也很小,每立方厘米隻有幾十到上百個粒子,而在高度真空的月球表面,粒子也達到每立方厘米上萬個呢。
但這些星雲在真空度極高的宇宙空間,就很密集了,且範圍巨大,動辄數光年甚至數百光年,這些粒子總量是很巨大的,是以星雲是孕育和形成新恒星之母。
這就是我們夜間仰望星空,繁星點點,但背景一片漆黑的原因。現代宇宙學認為,由于宇宙不斷在加速膨脹,未來的星空将越來越稀疏,背景就會越來越黑暗,最終宇宙在熱寂中消亡 。當然這個時間會很漫長,漫長得人類根本無法忍耐,早就不知所蹤了。
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