为什么夜空是黑暗的?

[ 录入者:linq | 时间:2008-02-27 22:43:54 | 作者:方舟子 | 来源:方舟子博客 | 浏览:5649次 ]
奥伯斯(1758~1840)出生于德国不来梅附近的 一个小村庄,19岁那年到哥廷根学医。哥廷根大学的 一个特色是学生享有学习的 自由,学医的 奥伯斯在那里也能跟着有“德国数学之师”之称的 数学教授、天文台台长凯斯特纳学数学和天文学。毕业后,奥伯斯回到不来梅当医生,但他的 真正兴趣是天文学。他白天行医,晚上则在改造成天文台的 自家顶楼进行天文观测,天天如此,每天睡觉时间不超过4个小时。

   奥伯斯还在上大学的 时候发现了一个计算彗星 轨道的 方法,沿用至今。此后他共发现了5颗彗星 ,其中一颗后来以他的 名字命名。1801年新年的 晚上,意大利天文学家皮亚齐发现了第一颗小行星 谷神星 ,再想进一步观察时却找不到它了,是奥伯斯在那一年的 年底根据数学家高斯的 计算重新发现了它,平息了谷神星 是行星 还是彗星 的 争论。奥伯斯本人后来发现了两颗小行星 :1802年发现第二颗小行星 智神星 ,1807年发现第四颗也是最亮的 一颗小行星 灶神星 。不过奥伯斯在现在最广为人知的 ,是在1823年提出了一个听上去很傻的 问题:为什么夜空是黑暗的 ?如果宇宙是无限的 ,恒星 均匀地布满天空,那么夜晚的 天空也将和白天一样明亮。

    实际的 情况当然并非如此。这种理论和实际的 矛盾,物理学上称为佯谬。奥伯斯指出的 这个矛盾,后来就被称为奥伯斯佯谬。其实,它并不是奥伯斯首先提出的 。1610年,伽利略用望远镜发现空中有无数肉眼看不到的 恒星 后,认为宇宙是无限的 ,恒星 的 数量也是无限的 。开普勒不以为然,给伽利略去信指出,如果那样的 话,夜空就不会是黑暗的 。他打了一个比方。假如你站在无边无际的 森林中向前看,不论你往哪个方向看,都只能看到一根根的 树干连成一片挡在你的 眼前,看不到任何间隙。只有当你是在一片小森林中时,才能透过树干的 间隙看到外面的 世界。同样的 道理,如果宇宙是无限的 ,那么恒星 将占据了天空的 每一点,它们发出的 光终将抵达地球,所有的 恒星 发出的 光都将连成一片,就像我们在夏天看到的 银河一样。既然实际情况是恒星 彼此之间有黑暗的 间隙,那就说明宇宙是有限的 ,透过这些间隙我们看到的 是一堵包围宇宙的 黑暗围墙。

    但是后来的 天文学家都相信宇宙在空间上和时间上都是无限的 。怎么解决这个矛盾呢?18世纪初英国天文学家哈雷提出了一个容易想到的 解决方案:远处恒星 发出的 光线在抵达地球时强度变得十分弱,无法被我们看到。但是这个解释是站不住脚的 。虽然光线的 强度按距离的 平方而减少,但是在一个无限大的 宇宙中,天空的 体积也即恒星 的 数量将按距离的 平方而增加,也就是说,在远处某一点恒星 数量增加的 比例恰好等于光强度减少的 比例,二者互相抵消,总的 光强度与距离远近无关。如果多数恒星 都和太阳一样,天空的 每一点都应该和太阳盘面一样亮。天球的 面积是太阳盘面的 18万倍,那么照射地球的 星 光亮度也应该是阳光的 18万倍。

    奥伯斯提出的 解释是,太空并不是“透明”的 ,遥远恒星 发出的 光被弥漫在恒星 之间的 稀薄物质云给遮挡、吸收了。但是在热力学定律被发现之后,这个解释也经不起推敲了。根据热力学定律可知,假如有太空物质遮挡住星 光,光能将会被吸收转化成热能,这些能量最终要重新被辐射出来,从而也要发光(虽然光的 波长可能不同),天空仍然还是一片明亮。

    要解决这个佯谬的 唯一办法是否定其大前提,即宇宙不是无限的 ,因而恒星 数量是有限的 。但是这还不够。即使恒星 数量是有限的 ,其数量也近乎无限,足以照亮整个夜空。1848年,美国小说家爱伦坡在一篇随笔中指出,唯一的 出路是假定远处的 星 光还来不及照到地球上来。也就是说,宇宙在时间上有一个起点,而且宇宙的 年龄还没有老到足以让我们见到所有远处恒星 发出的 光。

    我们现在知道宇宙的 年龄的 确是有限的 ,宇宙是在大约137亿年前大爆炸形成的 。而计算表明,要把地球的 夜空全部照亮,要花上以亿亿亿年计的 时间,远处的 星 光才能都抵达地球。显然我们的 宇宙还太年轻了。

    而且宇宙在不断地向各个方向膨胀,各个星 系 在互相远离,当然也都在远离地球。空间的 膨胀导致光线在传播时波长被拉长,能量也因此降低了(波长与能量成反比)。这个现象称为“红移”,意思是可见光向能量较低的 红光转变,而红光还会向能量更低的 红外线、微波转变,所以遥远的 星 光在抵达地球时能量已低到不能被肉眼见到了。由于宇宙太年轻,所以夜空是暗的 ;而由于宇宙在膨胀,让夜空变得更暗。“为什么夜空是黑暗的 ?”这个问题其实一点也不傻,蕴含着宇宙的 奥秘呢。

Tags:为什么 夜空 黑暗

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