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夜空為何是黑的?你以為的「正常」現象,其實隱藏著「絕望」事實
2023/10/03

在黑暗的寧靜中,我們仰望著無垠的夜空,被它那無限的神秘和壯麗所征服。夜空是一個浩瀚而神秘的領域,它令我們感嘆宇宙的無邊無際和我們在其中的微小存在。 隨著太陽的西沉,夜幕漸漸降臨,一顆顆璀璨的星星點亮了黑暗的天穹,勾勒出了一個令人屏息的畫面。

當我們抬頭仰望夜空時,我們被漆黑的背景所包圍,上面點綴著無數的星星。這些星星,有些像閃爍的鉆石,有些像微小的火花,有些則散發出溫暖的黃光。它們以各種不同的亮度和顏色閃耀著,仿佛在向我們述說著一個無比古老而神秘的故事。我們沉浸在這個宏偉的星空中,感受著它們的力量和美麗。

然而你有沒有想過夜空為什麼是黑的?這個問題乍一看很奇怪,夜空不是黑的難道是白的嗎?事實可能讓你感到絕望。

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靜態宇宙

20世紀初,靜態宇宙的理論橫行天下。靜態宇宙是指一個不隨時間變化的宇宙模型。在靜態宇宙模型中,宇宙的結構、密度和分布都保持不變,時間沒有起源和終結,也沒有膨脹或收縮的過程。 愛因斯坦就曾在他的廣義相對論中引入了一個被稱為宇宙常數的項,用來抵消引力的作用,以使宇宙保持靜態狀態。

然而早在19世紀,德國天文學家奧伯斯就對這個理論發出了挑戰:如果宇宙是穩恒、無限大且均勻分布著發光體,那麼從任何一個方向望向天空,我們應該能夠看到一顆發光體的表面。由于光的照度與距離的平方成反比,而在一定距離上的球殼內的發光體數目與距離的平方成正比, 這意味著我們應該能夠看到無限多的發光體,導致整個天空都應該是光亮的,而不是黑暗的。

簡單來說,由于光在真空中傳播時不會衰減或損耗,它以恒定的速度傳播,并且不會因為傳播距離的增加而減弱。宇宙中有無數恒星,它們的光照之和應該足以照亮我們的夜空,夜空不該是黑的而應該是明亮的。

塵埃阻擋并不成立

對宇宙有些了解的人會認為,可能是宇宙中的塵埃和氣體等物質吸收或阻擋了光線,使得遙遠恒星的光無法抵達地球。奧伯斯本人實際上也是這麼認為的,但這次他錯了。

根據熱力學第一定律,能量必須守恒。那麼光線無論是被阻擋還是吸收,阻隔物都會變熱而且發出輻射,這個輻射同樣足以遍布天空并且發出和星體一樣的光亮,然而矛盾的是夜空是黑的,并沒有這種光亮產生。

對此開普勒認為宇宙是有限的或者說恒星的數量是有限的,因此不足以照亮夜空。但這種說法也站不住腳,因為有限的恒星依然足以照亮夜空。

星體以分形方式存在?

分形幾何學的先驅和重要貢獻者本瓦·曼德勃羅試圖用分形幾何學來解釋這種現象。

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分形是一種幾何形態,具有自相似的特征,即它的局部部分與整體具有相似的結構。

具體來說,分形分布意味著無論我們放大或縮小星體的觀察尺度,我們都能夠看到相似的分布模式。例如,如果我們觀測一個星系群的分布,并且發現在更小的尺度上,星系群中的星系依然以類似的模式分布,這就表明存在分形性質。

曼德勃羅提出了類似康特塵埃的分形模型作為一種可能的宇宙星體分布模式。康特塵埃是一種經典的分形結構,由一系列自相似的線段組成,可以無限細分。曼德勃羅認為,如果星體的分布遵循類似康特塵埃的分形模式,那麼遠離我們星體的光線會經過無限次的散射和吸收,使得其光線變得非常微弱,無法填滿整個天空。

然而,目前沒有觀測到直接證據顯示星體以分形模式分布。

星系和星體的分布通常更傾向于遵循統計規律,如[[大尺度]]結構的網狀分布或者星系團的集中分布。曼德勃羅無法解釋夜空是黑的這一現象,真正解決這個問題的是哈勃在1929年的新發現。

宇宙學紅移

哈勃這個名字相信大家都不陌生,著名的哈勃望遠鏡就是以他的名字而命名的。 1929年,哈勃在觀測中發現,距離我們越遠的星系遠離我們的速度越快,其中紅移與距離呈現出線性關系,這個發現主要就是通過紅移現象發現的。

紅移現象在物理學和天文學領域中具有重要的意義。 它最初是針對機械波而言的,即一個相對于觀察者運動的物體,離得越遠發出的聲音越弱,波長變得較長。這類似于日常生活中的例子,當一輛車從我們面前駛過時,當它離我們越來越近時發出的聲音更加洪亮,波動頻率越高,波長就越短。

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當它離我們越來越遠時,聲音就會越來越小,波長越長。

這種現象被推廣到電磁波中,包括光波在內。光是一種電磁波,不同顏色的光對應著不同的波長和頻率。 紅移現象指的是物體發出的電磁輻射頻率降低的現象,即波長變長、頻率降低。在可見光波段,紅移表現為光譜的譜線朝紅色端移動一段距離。

紅移現象有不同的類型。 其中多普勒紅移是由于物體相對于觀察者的速度而產生的,類似于聲音的多普勒效應。當一個物體以較高的速度遠離我們時,光的波長會拉長,導致紅移。最開始哈勃也簡單地認為觀測到的是多普勒紅移,但隨后兩者之間的線性關系讓他發現事情并不簡單。

哈勃采用了廣義相對論空間尺度擴張的宇宙論模型來解釋,最終的結論是光子在通過擴張的空間時被延展,產生了宇宙學紅移。

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換言之宇宙在膨脹,遠處的星系不是在迅速遠離我們,而是中間的空間在延展。兩者之間的關系就像沒吹氣的氣球上的兩點,在吹氣后兩點的距離變長但實際兩點本身沒有運動。這就完美解釋了奧伯斯的問題,由于宇宙在膨脹,遙遠星系的退行速度將超過光速,它們發出的光再亮我們也觀測不到,因為光根本無法到達地球。

宇宙大爆炸理論

宇宙學紅移使得大爆炸理論有了理論基礎。 天文學家和物理學家們紛紛接受了大爆炸理論,連愛因斯坦也坦然承認了曾經的錯誤,稱當初引入宇宙常數來修正方程是「一生中最不可原諒的錯誤」。

根據目前的大爆炸理論,宇宙起源于一個極其高密度和高溫的初始狀態,通常稱為宇宙奇點或奇點。

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在這個奇點之后,宇宙經歷了一次巨大的膨脹,被稱為宇宙大爆炸。 現代天文學家通過觀測和計算,發現宇宙已經膨脹了137億年,因此通常認為宇宙起源于137億年前。在這個起點之后,宇宙經歷了一個急劇膨脹的階段,被稱為暴漲(inflation),在極短的時間內,宇宙的體積迅速擴張了很多倍。暴漲解決了一些宇宙學上的難題,如平坦性問題和宇宙微波背景輻射的均勻性。 在暴漲之后,宇宙繼續膨脹,并逐漸冷卻下來。在膨脹的過程中,物質和能量逐漸分離,形成了原子、星系和星系團等宇宙結構。

按照這個理論,人類觀測到的宇宙范圍其實早已被界定,而且永遠都難以得到改變。 在視界之外的星系將因為膨脹離我們越來越遠,我們觀測到的始終是一個固定的范圍。

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古時候我們嘲笑井底之蛙,又豈知我們自己不是井底之蛙呢?

更為絕望的是宇宙膨脹很可能是有盡頭的。科學家們推測,未來宇宙很可能只有兩種結果,一種是當宇宙的熵達到了極限時,所有能量將被轉換為熱能,宇宙將因此陷入死寂,這就是熱寂。另一種是膨脹到一定程度后,宇宙會轉而開始收縮,而且收縮的速度將會越來越快,最終將宇宙中所有物質全部碾碎,重新變成一個奇點,直到未來成為下一個宇宙。

結語

宇宙學紅移雖然解決了夜空為何是黑的這個問題,但它卻揭露了一個更令人絕望的現實問題。今后宇宙是會繼續膨脹還是會收縮?它何時回到達那個臨界點?人類的命運又該何去何從?

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