1823年,德國天文學家奧伯斯,提出了這樣一個問題:黑漆漆的夜空,為什麼這麼黑?
看到這個問題,相信很多人的第一反應是:黑夜給了我黑色的眼睛,我卻用它來翻白眼……夜裡不黑,那叫白夜!
奧伯斯可不是這麼想的,他認為:如果宇宙是無限的,那麼恆星也是無限的。它們均勻地佈滿了整個天空,這些“星光”匯聚起來,足以讓黑夜猶如白晝一般明亮。
這……好像有那麼點道理?!問題突然複雜起來了。
有著同樣困惑的科學家,其實不止奧伯斯一人。早在1610年,開普勒就在寫給伽利略的信中,舉了一個非常精妙的比喻:如果宇宙和恆星數量是無限的,地球就好比處在茂密森林的中心,無論從哪個角度望去,都只能看到一棵棵的樹幹連成了一片,沒有任何空隙;只有身處稀稀拉拉的小樹林的時候,才能透過空隙看到外面。
所以,問題又回到了原點:夜裡為什麼那麼黑?難道宇宙竟然不是無限的?不是說宇宙大爆炸麼?那還炸不炸了?
回答這個問題之前,咱們先來了解一下奧伯斯的光輝人生。
海因裡希•威廉•馬特烏斯•奧伯斯,1758年出生在德國不萊梅附近的一個小村莊,哥廷根大學醫學系畢業後一直從醫,並利用晚上的時間進行天文觀測,每天睡覺不超過四個小時,同時他還是一名優秀的物理學家。
由此可見:不想當醫生的物理學家不是好天文學家。
1802年,奧伯斯發現並命名了智神星。5年後他又發現了灶神星,這次他發揚風格,將命名權讓給“數學王子”高斯。
1815年,奧伯斯又又發現了一顆周期彗星,老奧糾結了半天,最後一拍大腿:乾脆就叫它“奧伯斯彗星”吧。
發現奧伯斯彗星的11年後,也就是1826年,不甘寂寞的奧伯斯終於問出了那個驚世駭俗的問題:夜裡為什麼那麼黑?
英國天文學家哈雷(就是發現哈雷彗星的那位大佬),提出了一個容易想到的答案,那就是遠處恆星發出的光線,在抵達地球時已經變得十分微弱,無法被人們看到。
這個解釋是站不住腳的,因為宇宙是無限的,恆星數量也是無限的。雖然光線的強度按距離的平方而減少,但恆星的數量也按距離的平方而增加,二者相互抵消,總的光強度與距離遠近無關。
翻譯一下就是:雖然距離遠,但架不住咱人多呀!
奧伯斯自己提出的問題,自然不能幹看著,他給出的答案是:太空不是“透明”的,遙遠恆星發出的光芒,被行進路徑上的稀薄星雲、塵埃給遮擋和吸收了。
問題看似解決了,但熱力學第一定律被發現後,這個解釋也被推翻了。能量既不會憑空產生,也不會憑空消失,它只能從一種形式轉化為另一種形式,或者是從一個物體轉移到別的物體,在轉化或轉移的過程中,能量的總量保持不變。
由此可知,假如有太空物質遮擋了星光,光能會轉變成熱能。這些熱量會重新輻射出來,發出其他波長的、均勻的光,但能量總量是不會變的,從而天空仍將是一片明亮。
大家司空見慣的夜空,反倒成了一個不解的謎題,久久縈繞在科學家們的心頭。
後來,經過了一百多年,無數天文學家前仆後繼的探討、研究,目前被普遍接受的解釋是兩種:宇宙的年齡是有限的,以及紅移,而後者又是最重要的效應。
宇宙的年齡是有限的很好理解,因為宇宙的起源來自一次驚天動地的大爆炸。
根據大爆炸理論,宇宙是由一個極其緊密、極其熾熱的奇點,bang地一下,漸漸膨脹到了現在的狀態。
這次創世的大爆炸,大概發生在137億年前。大爆炸後約四億年,第一顆恆星誕生,隨後演化出星系和各種天體。隨著時間的流逝,暗能量使膨脹不斷加速。
宇宙膨脹就好比烤箱中的麵包,而星系就好比麵包中的葡萄乾。隨著烤箱溫度的上升,麵包在不斷地膨脹。從任意一個葡萄乾來看,周圍的葡萄乾都在遠離它而去。
回到奧伯斯佯謬問題本身,雖然宇宙空間無限,恆星數量無限,但宇宙的年齡是有限的,也就是137億年。遠處的星光在這段時間內,還來不及照到地球上。通過計算表明,遠處的星光要花上億億億年的時間,才能全部抵達地球,把夜空全部照亮。宇宙區區137億年,顯然還是太年輕呀!
紅移也是奧伯斯佯謬的一個廣被認可的解釋。距離的增加,導致光線的波長變長、頻率降低,在可見光波段,表現為光譜的譜線朝紅端移動了一段距離。
上圖右側為遙遠的星系在可見光波段的光譜,與左側太陽的光譜比較,可以看到譜線朝紅色的方向移動,即波長增加(頻率降低)。
由於紅移現象的存在,導致遙遠的星光向能量較低的紅光轉變,進而還會向能量更低的紅外線、微波轉變。大爆炸本身的巨量輻射,就已經紅移到了微波的波長,成為宇宙的微波背景輻射。
人的眼睛是看不到微波的,微波背景輻射,也不會為你而“閃爍”。
綜上所述,因為宇宙太“年輕”,所以夜空是黑漆漆的,而紅移現象的影響,又使得夜空黑上加黑,這就是奧伯斯佯謬的解釋了。
最後給大家展示一下,奧伯斯當年使用的天文望遠鏡,現存於不萊梅福克紀念館。
是不是看起來很簡陋的樣子?但奧伯斯就是依靠它,發現了智神星、灶神星以及奧伯斯彗星。再想一想物質極其充裕的我們,又有多久沒仰望過星空了?!
我們的征途,應當是星辰大海。