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你有没有想过:夜空为什么是黑色的?

夜空中最亮的星,能否听清……

· 科学趣闻

太阳落山,天就黑了,这是再正常不过的自然现象,但我们之所以有白天,是因为面对着太阳的那一面,阳光被散射到了大气中。假如地球没有大气层,天空就会一直是黑的,就像在月亮上看到的那样。

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所以,你们有没有想过,宇宙为什么是漆黑的?在遥远的1823年,有一个人就思考过这个问题,他就是德国天文学家和物理学家 海因里希·奥伯斯 Heinrich Wilhelm Matthäus Olbers。

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(1758年10月11日-1840年3月2日)

海因里希生于259年前的德国,他一直是一个天文爱好者,还在上大学的时候,他就研究出一种确定彗星轨道的方法,直到现在科学家还在用。大学毕业后他当起了医生,副业呢就是研究彗星,他在自己家的顶层弄了个天文台,每天下了班就专!门!看!星!星!功夫不负有心人,1802年,44岁的他发现了小行星“智神星”,这是太阳系里面最大的小行星之一。

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(这是2007年用哈勃望远镜拍摄的)

5年后,他又发现了小行星“灶神星”

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(这是2011年“黎明号”探测器拍的)

这一次,他把命名权让给了他的朋友—— 数学家高斯,对,就是那个从1加到99的高斯,学霸的朋友圈果然也很腻害。

1815年,他又有了新发现!这次是一颗周期彗星,并且最终以他的名字命名“奥伯斯彗星”。

除了发现星星以外,奥伯斯还善于发现千里马。1804年,当年还只有20岁的贝塞尔、未来的德国物理学家、天文学家和数学家,联系上了奥伯斯,和他探讨哈雷彗星的轨道测量问题。奥伯斯立刻意识到,这个年轻人日后定当大有作为,宛若当年的自己啊!于是,他立马推荐贝塞尔发表了论文,后来贝塞尔成为了天体测量学奠基人之一。

奥伯斯一生获得过许多荣誉,不过最著名的还是文章开头的疑问,科学家们称为“奥伯斯佯谬”:如果宇宙是(时间上)静态(空间上)无限(质量分布)均匀,而宇宙又中有无数的星星,那么宇宙的每一个方向都至少有一颗发光的星星(只要你看得够远),这么说来,夜空应该是完全明亮的(也就是说宇宙应该是图2那样):

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随着物理学的不断发展,这个佯谬在数百年里一直引起各种各样的争论,今天笔者准备了一个动画短视频来解释这个问题,只有3分多钟,而且非常易懂:

关于宇宙为什么是漆黑的,我们可以有以下几种推测:

猜测一:宇宙是有边缘的

因为宇宙有边缘,所以某条分界线后是漆黑一片,而分界线内的星星数量有限,不足以“照亮”整个宇宙

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然而,现有的证据表明,我们所探测到的宇宙空间确实是没有边界的,所以这个猜测不成立。不过,宇宙至少有一个起源时间,所以,存在着时间上的界限,大约是137亿年前,那时的宇宙可以说是一个点,所以我们有了猜测二。

猜测二:宇宙刚形成的时候是漆黑的,星星的光线还没有传过来

宇宙从一个点开始,不断膨胀,而最初诞生的那些星星,因为距离现在太远了,所以光线还没有传到这里来。

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这就好比下雨天,我们经常是先看到闪电,之后才听见雷声,遥远星系的光线就是我们在等待的雷声。所以,即使我们拿起望远镜,遥望足够远的距离,我们看到的也只是135亿年前宇宙(其他的光线还在路上)那时星星还没形成,所以是一个无星的宇宙,这似乎完美解释了为什么宇宙是漆黑的。

然而,并不是这样。我们现在探测到的“宇宙背景辐射”,在各个方向上都是均匀的,并且在恒星形成之前就有。这说明,宇宙刚开始并不是黑的,即使我们看到135亿年前的宇宙,那也应该是明亮的。

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所以,我们再进行一次猜测:宇宙其实是明亮的,只是我们看不见。

下图是一张用哈勃望远镜拍摄到的星空图,它用的是红外镜头:

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由于宇宙一直在膨胀,星系之间的距离越来越大,多普勒效应导致远离我们的恒星光波被拉长,看起来就会越红。如下图:

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离我们越远,离开速度越快的星星,就会红得越厉害,直到它们变成了红外线,也就是红得发黑……

 

好了,现在我们来总结一下,由于宇宙在不停地膨胀,超级遥远的星星们正在飞快地“逃开”,因而它们发出的光,早已不在人眼可见的范围内,所以我们就看不见它们了,这就是为什么宇宙“看”起来漆黑的原因了。

“奥伯斯佯谬”的意义在于:这是从观测和理论相联系的角度,考虑宇宙的大尺度性质时提出来的,它标志着科学的宇宙学萌芽。要知道,就连100年后的爱因斯坦也认为宇宙是静止,而奥伯斯的发问,使得后人在寻求答案的过程中必须持一些不一样的视角。

对于“奥伯斯佯谬”,科学界依然没有统一的解释,就像神秘的宇宙一样,时空之外还有时空,问题之外问题重重,或许,这也是我们人类探索宇宙的乐趣所在。我们的起点是哪里?我们的终点是何处?在这个周期内的地球生命,对于宇宙而言也不过是沧海一粟,那么我们的意义何在?

估计今天,奥伯斯会和好基友高斯,以及忘年交贝塞尔,一起看看星星以示庆祝吧~

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