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1 # 科學偵探社Discovery
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2 # 常懷雨
宇宙是黑色背景,這個觀測上鐵的事實證實了現代宇宙學上的三個關鍵問題。
一是宇宙的空間尺度是有限的。
二是宇宙的時間尺度是有限的。
三是宇宙是向外膨脹著的。
我們知道,天上的星星絕大多數都是像太陽一樣的恆星。
恆星透過核聚變產巨大的能量,每時每刻都在向宇宙空間發射耀眼的光芒。
我們的太陽是一顆普通的恆星,但是僅這一顆,就足以把地球向陽面的天空照耀得亮堂堂一片。
而地球的夜空則是對著數不清的恆星。
僅僅銀河系就有著2千億~4千億顆恆星。
在我們所能觀測到的宇宙空間範圍,至少有上萬億個像銀河系一樣規模的河外星系。
也就是說在可觀測宇宙中至少有幾千萬億億顆恆星。
並且如果宇宙是無限的,那麼就意味著恆星的數量也應該是無限多的。
無限多的恆星佔據著有限面積的夜空,應該佔得滿滿的沒有一點兒間隙才對。
天穹上滿滿的恆星沒有一點兒空隙應該全天都像太陽一樣亮堂堂的才對。
那麼為什麼在我們看來,地球的夜空(也就是題主所說“宇宙的背景")卻是黑的呢?
如果更深一層的設想,假設是宇宙空間的塵埃擋住並吸收了遠處恆星的光芒。
並且宇宙在時間上也是無限(沒有起點)的話。
那麼宇宙塵埃在經過無限久時間的星光照耀後,其溫度一定會升高至與恆星一樣,因此塵埃也會像恆星一樣發出耀眼的光芒。
其結果同樣是滿天像太陽一樣的充斥著耀眼光芒。
但為什麼地球的夜空是黑的呢?
這就是著名的“奧伯斯佯謬"
現代宇宙學很好地解釋了奧伯斯佯謬。
現代宇宙學認為,宇宙起源於138億年前的大爆炸,之後宇宙一直在膨脹,因此
①恆星的光芒在時間上有一個起點,有限的時間使宇宙塵埃無法加熱至發出強光程度。
②宇宙的空間尺度有限,現階段可觀測宇宙的空間範圍是直徑930億光年,在這個範圍內恆星的數量也是有限,有限的恆星填不滿夜空的每一個角落。
④根據啥勃定律,遠離的光線會發生紅移,距離越遠紅移值越大,紅移會導至光線能量降低。
所以宇宙的背景是黑的!
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3 # 海萌科學快評
對於題主的這個問題,簡單來說,筆者認為其實是人眼對光感受的侷限造成的。而看了一下目前已有的回答,感覺都有點似是而非,並沒有講清楚。所以不如讓我們一起來理解一下這個問題並探尋可能的答案。放心,沒有複雜的理論和公式啥的。
太陽為什麼把白天照的這麼亮?當然啦。是太陽給了我們地球光和熱,還有滿滿的保護!
太陽是一顆年輕的恆星,其內部不停的進行著永不止息的聚變反應,從而向四面八方釋放出大量的能量。 太Sunny就是這些能量的一部分,而正是太Sunny照亮了地球!這就有點像在黑夜裡開啟的手電筒,裡面射出的光可以照亮牆壁上的畫,地上的椅子一樣。
Sunny到達地球,能接受到光的一面自然被照亮,成為白天,而沒有被光照到的背面,就是黑夜。由於地球在自轉,所以背光的一面慢慢會轉到朝向太陽,於是黑夜過去,黎明到來。
這裡有個細節其實應該注意:白天之所以這麼明亮,很均勻,還有地球的大氣層散射了太Sunny的緣故。太Sunny被大氣層內的氣體分子均勻的反射到各個方向(漫反射),使得天空變亮,而且沒有被太Sunny直射到的地方也變得明亮。這樣的白天才是我們現在習慣的樣子。
沒有大氣的星球,比如月球,即便朝向太陽的一面被照亮,看起來也沒有地球上的白天明亮。看看下圖,月球上的白天跟地球上的白天感覺完全不一樣,這就是沒有大氣的漫反射的緣故。
而且在月球上,光明與黑暗的界線很分明,Sunny沒有照到的地方就是絕對的黑暗。不像地球,因為有大氣的漫反射,即便沒有被Sunny直接照到,但是靠近白天的地方還是有朦朧的光,這就是晨曦和傍晚的由來。放在月球上,白天跟黑夜的交替可能轉瞬間就發生了。
之前說太陽還在保護地球?是的,太陽用自己的光壓和磁場撐起了一副巨大的保護傘,護佑著整個太陽系的各個星球,免於外太空狂暴的宇宙射線和流星隕石的破環。所以,太陽不但給了地球人類光和熱,還時時刻刻“罩”著我們。咱們對太陽要有一顆感恩的心不是?
我們目前的宇宙觀根據現代宇宙起源假說(“大爆炸理論”),我們目前生存的宇宙源自於一次驚天動地,史無前例的大爆炸。爆炸發生在距今大約137憶年前,之後宇宙有一段黑暗世紀 —— 也許是宇宙最黑暗的一段日子 —— 整個宇宙沒有一點星光,畢竟那段時間,星系還沒有形成呢!後來宇宙繼續發展,慢慢開始形成早期的星星,又發展出早期的星系。然後在暗能量的推動之下,宇宙開始膨脹,慢慢越變越大。直到在地球上,產生出了人類這樣的智慧生物。
在目前我們人類的觀測中,宇宙是無窮無盡的,其內包含的各種能量,物質比如星系等也是無窮無盡的,更不用說組成星系的一顆顆恆星以及圍繞恆星運動的行星了,也是無窮無盡,數不勝數。比如下圖的每一個點都代表著一個類似銀河系的星系(圖片來自斯隆數字巡天探測計劃),而每一個星系又包含上千億顆恆星(比如我們的銀河系就包括大約1千億到4千億顆恆星)。
宇宙包含的恆星是如此之多,如此的無窮無盡。當我們在地球上,向夜空中的任一方向看過去的時候,視線所及都會碰到無數的恆星。比如下圖,星星分佈在一定的空間裡面,如果我們只能觀測到半徑為R的區域,那我們能看到兩顆發光的恆星。而在兩倍半徑的距離上,我們多看到了2顆星星,這樣總共我們就看到了4顆恆星。以此類推,如果我們能看到無限遠處(或者宇宙的邊界), 我們就能在這個方向上看到無數的星星,塞滿整個夜空。
對觀察者來說,無數的星星疊加在一起,會讓觀測者覺得漫天都是星星, 不是嗎?
宇宙真的是黑色背景嗎?如果整個天空都佈滿了星星,那為什麼夜空還是黑色的呢? 這個是題主的困擾之處,相信也是很多讀者的疑問,是呀, 既然星星會發光,而且漫天都是星星,為什麼夜空還是黑色的呢?
這個問題,筆者在開篇就說了,我們的人眼看著夜空是黑色的,原因在於我們的肉眼感光能力比較弱,根本接受不到那些遙遠星星發射過來的星光。接收不到足夠的星光,在人眼裡面自然就是黑色的夜空了。這很直觀,是吧?我們在夜空中還是能夠看到不少星星的,比如北斗七星,比鄰星,甚至仙女座星系等一些更加遙遠的天體。這些星星要麼離地球很近,或者星光足夠強,所以都能被我們人類的肉眼看到。
人類的肉眼看不到?那科學儀器和天文望遠鏡呢?它們能看到麼?在它們的“眼裡”,夜晚的星空是什麼樣的呢?來,這裡上幾張夜空圖,有圖有真相嘛!
上圖是哈勃太空望遠鏡看到的宇宙星空。你看,在哈勃望遠鏡的眼裡,夜空可不是漆黑一片哦,而是明亮,五彩繽紛的場景,分外的壯觀美麗!有讀者可能會問,圖上不是還有很多黑色的區域麼?是的,這些區域在這張照片上是黑色的,但是如果哈勃集中眼裡,觀測這些黑色的區域,一樣也能看到無數的星系,星光和發亮的星雲。哈勃太空望遠鏡有一個“超深場”的望遠鏡就是可以在這些黑色的區域看到更多的星星。
上面的動圖清晰的展示了,在一片漆黑的星空區域裡面,其實可以看到大量的星星。只要有好的精細敏感的裝置,照樣能夠接受到來自這些區域的星光。
有人說,哈勃太高端了,那看看下面的圖,是華為P30系列手機拍的夜空:
增加曝光量和曝光時間,加上防抖,你看,夜空中很多的星星都被拍下來了。所以夜空是黑色的,只是對人類的肉眼來說。如果換上感光更好的儀器裝置或者就是普通的手機,它們看到的夜空肯定不是黑色的。
為啥“奧伯斯佯謬"不能用在這個場合?“奧伯斯佯謬"就是由奧伯斯提出來,反對靜態宇宙學說的一種詰問,“既然宇宙有無窮無盡的星星,為啥夜空還是黑色的?” 既然叫“佯謬”, 其實就是沒有這個矛盾,所以才叫“佯謬” —— 佯攻,就是“假裝”攻擊是吧?如果真有難以解釋的矛盾,那就應該用“悖論”這個詞了。
如果我們的宇宙是靜態宇宙的話,也就是沒有大爆炸和宇宙膨脹的特徵,一直維持目前的不變化狀態,經過很長時間之後,整個宇宙確實應該到處都是亮堂堂的,畢竟光已經在宇宙內部傳遍了。但是,目前我們人類才開始觀測宇宙沒有多長時間,有些來自遙遠恆星的光根本還沒有到達地球,我們又如何能看到?這也是除肉眼太弱之外的另外一個因素來解釋為啥夜空看起來是黑的。
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首先顏色只是我們的眼睛對不同頻率的光的反應。我們眼睛能夠接收的只有可見光,大概波長在770nm~300nm之間。眼睛接收這個波段內的不同波長的光,就會看到不同的顏色或者是它們的組合色。而黑色,就是沒有接收到任何光,或是光太弱,不足以讓眼睛反應。地球上的白天之所以明亮,是因為空氣分子和塵埃能夠反射或折射Sunny,就像一面面小鏡子。宇宙是無限的,宇宙在各個方向上拓展,之所以看到的宇宙是黑色的,其實就是眼睛沒有接收到來自宇宙的天體的可見光。但是就算按照今天可觀測的宇宙來說,其中的天體也是數不勝數,為什麼它們的光我們都沒有接收到?
第一個原因,宇宙空間膨脹!
基於宇宙大爆炸理論,宇宙是在空間上膨脹的,空間膨脹的速度超過了光速,一些天體已經飛到了離我們太遠太遠的地方,一旦他們朝地球前進的速度(光速)達不到空間膨脹的速度,那麼它們將永遠無法抵達地球。距離越遠,空間膨脹的效應就越強,光速達不到膨脹速度,於是更遠的光也將無法被觀測。
另一個原因,就是消光!
光是電磁輻射,在經過介質的時候由於介質分子的吸收、散射等原因,其輻射強度會減弱,減弱的程度各不相同,與光的頻率、介質厚度、介質的吸收係數等等有關。宇宙中瀰漫著大量的星際介質,比如分子云、等離子體等等,它們都有消光作用。因此,離我們較遠的天體,其發出的光在途中往往會經過更多的星際介質,消光會更嚴重,到達眼睛時其輻射強度已經非常小,甚至沒有,所以我們的眼睛也就什麼都看不到。
綜上所述,在我們眼中宇宙就變成黑色的。