| 天人地 | 2023-12-09 12:15 |
|
在黑暗的宁静中，我们仰望着无垠的夜空，被它那无限的神秘和壮丽所征服。夜空是一个浩瀚而神秘的领域，它令我们感叹宇宙的无边无际和我们在其中的微小存在。随着太阳的西沉，夜幕渐渐降临，一颗颗璀璨的星星点亮了黑暗的天穹，勾勒出了一个令人屏息的画面。 当我们抬头仰望夜空时，我们被漆黑的背景所包围，上面点缀着无数的星星。这些星星，有些像闪烁的钻石，有些像微小的火花，有些则散发出温暖的黄光。它们以各种不同的亮度和颜色闪耀着，仿佛在向我们述说着一个无比古老而神秘的故事。我们沉浸在这个宏伟的星空中，感受着它们的力量和美丽。 然而你有没有想过夜空为什么是黑的？这个问题乍一看很奇怪，夜空不是黑的难道是白的吗？事实可能让你感到绝望。  静态宇宙 20世纪初，静态宇宙的理论横行天下。静态宇宙是指一个不随时间变化的宇宙模型。在静态宇宙模型中，宇宙的结构、密度和分布都保持不变，时间没有起源和终结，也没有膨胀或收缩的过程。爱因斯坦就曾在他的广义相对论中引入了一个被称为宇宙常数的项，用来抵消引力的作用，以使宇宙保持静态状态。 然而早在19世纪，德国天文学家奥伯斯就对这个理论发出了挑战：如果宇宙是稳恒、无限大且均匀分布着发光体，那么从任何一个方向望向天空，我们应该能够看到一颗发光体的表面。由于光的照度与距离的平方成反比，而在一定距离上的球壳内的发光体数目与距离的平方成正比，这意味着我们应该能够看到无限多的发光体，导致整个天空都应该是光亮的，而不是黑暗的。 简单来说，由于光在真空中传播时不会衰减或损耗，它以恒定的速度传播，并且不会因为传播距离的增加而减弱。宇宙中有无数恒星，它们的光照之和应该足以照亮我们的夜空，夜空不该是黑的而应该是明亮的。  尘埃阻挡并不成立 对宇宙有些了解的人会认为，可能是宇宙中的尘埃和气体等物质吸收或阻挡了光线，使得遥远恒星的光无法抵达地球。奥伯斯本人实际上也是这么认为的，但这次他错了。 根据热力学第一定律，能量必须守恒。那么光线无论是被阻挡还是吸收，阻隔物都会变热而且发出辐射，这个辐射同样足以遍布天空并且发出和星体一样的光亮，然而矛盾的是夜空是黑的，并没有这种光亮产生。 对此开普勒认为宇宙是有限的或者说恒星的数量是有限的，因此不足以照亮夜空。但这种说法也站不住脚，因为有限的恒星依然足以照亮夜空。  星体以分形方式存在？ 分形几何学的先驱和重要贡献者本瓦·曼德勃罗试图用分形几何学来解释这种现象。分形是一种几何形态，具有自相似的特征，即它的局部部分与整体具有相似的结构。 具体来说，分形分布意味着无论我们放大或缩小星体的观察尺度，我们都能够看到相似的分布模式。例如，如果我们观测一个星系群的分布，并且发现在更小的尺度上，星系群中的星系依然以类似的模式分布，这就表明存在分形性质。  然而，目前没有观测到直接证据显示星体以分形模式分布。星系和星体的分布通常更倾向于遵循统计规律，如大 尺度结构的网状分布或者星系团的集中分布。曼德勃罗无法解释夜空是黑的这一现象，真正解决这个问题的是哈勃在1929年的新发现。  宇宙学红移 哈勃这个名字相信大家都不陌生，著名的哈勃望远镜就是以他的名字而命名的。1929年，哈勃在观测中发现，距离我们越远的星系远离我们的速度越快，其中红移与距离呈现出线性关系，这个发现主要就是通过红移现象发现的。 红移现象在物理学和天文学领域中具有重要的意义。它最初是针对机械波而言的，即一个相对于观察者运动的物体，离得越远发出的声音越弱，波长变得较长。这类似于日常生活中的例子，当一辆车从我们面前驶过时，当它离我们越来越近时发出的声音更加洪亮，波动频率越高，波长就越短。当它离我们越来越远时，声音就会越来越小，波长越长。 这种现象被推广到电磁波中，包括光波在内。光是一种电磁波，不同颜色的光对应着不同的波长和频率。红移现象指的是物体发出的电磁辐射频率降低的现象，即波长变长、频率降低。在可见光波段，红移表现为光谱的谱线朝红色端移动一段距离。  哈勃采用了广义相对论空间尺度扩张的宇宙论模型来解释，最终的结论是光子在通过扩张的空间时被延展，产生了宇宙学红移。换言之宇宙在膨胀，远处的星系不是在迅速远离我们，而是中间的空间在延展。两者之间的关系就像没吹气的气球上的两点，在吹气后两点的距离变长但实际两点本身没有运动。这就完美解释了奥伯斯的问题，由于宇宙在膨胀，遥远星系的退行速度将超过光速，它们发出的光再亮我们也观测不到，因为光根本无法到达地球。  宇宙大爆炸理论 宇宙学红移使得大爆炸理论有了理论基础。天文学家和物理学家们纷纷接受了大爆炸理论，连爱因斯坦也坦然承认了曾经的错误，称当初引入宇宙常数来修正方程是“一生中最不可原谅的错误”。 根据目前的大爆炸理论，宇宙起源于一个极其高密度和高温的初始状态，通常称为宇宙奇点或奇点。在这个奇点之后，宇宙经历了一次巨大的膨胀，被称为宇宙大爆炸。现代天文学家通过观测和计算，发现宇宙已经膨胀了137亿年，因此通常认为宇宙起源于137亿年前。在这个起点之后，宇宙经历了一个急剧膨胀的阶段，被称为暴涨（inflation），在极短的时间内，宇宙的体积迅速扩张了很多倍。暴涨解决了一些宇宙学上的难题，如平坦性问题和宇宙微波背景辐射的均匀性。在暴涨之后，宇宙继续膨胀，并逐渐冷却下来。在膨胀的过程中，物质和能量逐渐分离，形成了原子、星系和星系团等宇宙结构。  更为绝望的是宇宙膨胀很可能是有尽头的。科学家们推测，未来宇宙很可能只有两种结果，一种是当宇宙的熵达到了极限时，所有能量将被转换为热能，宇宙将因此陷入死寂，这就是热寂。另一种是膨胀到一定程度后，宇宙会转而开始收缩，而且收缩的速度将会越来越快，最终将宇宙中所有物质全部碾碎，重新变成一个奇点，直到未来成为下一个宇宙。  结语 宇宙学红移虽然解决了夜空为何是黑的这个问题，但它却揭露了一个更令人绝望的现实问题。今后宇宙是会继续膨胀还是会收缩？它何时回到达那个临界点？人类的命运又该何去何从？  |
|