夜空為什麼是黑的?你以為的「正常」,卻隱藏著令人絕望的事實

作為最靠近地球的恒星,太陽每時每刻都在產生巨大的能量,這給地球帶來了源源不斷的光和熱。但朝向太陽的地球只有一側,另一側沒被太陽照射到。背對太陽的那一側被黑暗籠罩,只有暗淡的月光和更加微弱的星光。

黑暗的夜空看起來沒有什麼特別的,我們早就習慣了。但如果仔細想一想「為什麼夜晚的天空是黑暗的?」,這其實是一個細思極恐的問題,遠比想象得復雜,背後還隱藏著一個讓人絕望的事實。

恒星是宇宙中最主要的光源,它們的核心區域會發生核聚變反應,由此釋放出耀眼的光芒。在我們的銀河系中,就有至少1000億顆恒星。但由于大部分恒星離我們非常遙遠,它們發出的光經過長途跋涉來到地球時,已經衰減到非常微弱的程度。

因此,我們肉眼所能看到的恒星數量並不多,全天估計只有大約7500顆,它們大都在太陽系附近,距離基本上在1000光年之內。要知道,銀河系的直徑有18萬光年。

試想一下,倘若宇宙真的是無邊無際,宇宙中的恒星有無數顆,就算那些遙遠的恒星都暗到看不到,但無數恒星發出的光可以彙聚到一起,夜空應該要被照亮才對,星星之間不應該還有黑暗的區域。

有些人可能會想,宇宙中分佈著很多星際塵埃,它們會阻擋星光到達地球。但這些星際塵埃吸收了足夠多的星光之後,總有一天能夠發光發熱,這樣它們仍然可以照亮地球夜空。

然而,我們在現實中看到的天空是漆黑的。這就是著名的奧伯斯佯謬,由天文學家海因裡希·奧伯斯(Heinrich Olbers)在1823年第一次提出來。那麼,該如何解釋這個問題呢?

長久以來,天文學家通過觀測發現,除了少數幾個太陽系天體之外,天上的星辰不會隨時間流逝而發生變化。在天文望遠鏡問世之後,天文學家可以觀測到更為深邃的宇宙,在天空的每一部分都發現了越來越多的恒星和星系。

這一切都在暗示,時間存在了無限久,宇宙是穩恒態的,並且宇宙是無限大的。但如果宇宙真的是這樣子,地球夜空就不可能一片漆黑,而是會亮如白晝。

著名物理學家愛因斯坦也認為宇宙是穩恒態的。當時,愛因斯坦用廣義相對論來描述宇宙時發現,空間不是在膨脹,就是在坍縮。于是,愛因斯坦在他的理論中引入了宇宙學常數,以符合靜態宇宙的設想。

但事實上,靜態宇宙無法解釋夜空黑暗,愛因斯坦錯了。天文學家哈勃的發現證實了這一點,也震撼了科學界。哈勃分析了宇宙中各種星系的光譜,他發現大都出現了紅移,這意味著星系大都在遠離銀河系。而且與銀河系相距越遠的星系,遠離銀河系的速度越快,兩者呈正相關,這就是著名的哈勃紅移定律。

這一定律表明,宇宙空間自身的結構正在膨脹,這無不讓天文學家感到不可思議。令人難以置信的是,空間這種看不見摸不著的東西,竟然在不斷自我擴張。那麼,空間膨脹該如何理解呢?

試想一下,氣球表面代表三維空間(氣球內外沒有任何意義),氣球表面上的螞蟻代表星系。當氣球膨脹時,即便上面的螞蟻原地不動,不同螞蟻之間的距離也會越變越遠。而且距離相隔越遠的螞蟻,單位時間內分開的距離越遠,也就是退行速度越快。

如果宇宙空間在隨時間不斷膨脹,那麼,過去的宇宙一定會比現在更小。倘若時間回到過去的某一時候,整個宇宙將會是一個無窮小的奇點,這被認為是宇宙的時間和空間起源。

根據現代宇宙學的計算結果,宇宙的誕生時間在138億年前。早期宇宙空間很小,物質和能量大量集中在一起,所以那時的宇宙非常熱。一直到138億年後的現在,還有餘溫殘留下來,這就是各向同性的宇宙微波背景輻射,溫度約為-270.42 ℃。

回到最初的問題。由于宇宙不是存在了無限久的時間,而且光的傳播速度也不是無限快,所以宇宙中還有很多地方的恒星發出的光根本來不及到達地球,我們在地球上所能看到的宇宙范圍是有限的。因此,不會有無限多的光來照亮地球夜空。

事實上,宇宙年齡有限還不是最主要的原因,更為重要的原因是一個令人絕望的事實:宇宙空間在超光速膨脹。星系退行速度隨距離增加而變快,當距離遠到一定程度時,星系遠離銀河系的速度就會大于光速。根據哈勃常數(70 km/s/Mpc)來推算,這個臨界距離大約是140億光年。

也就是說,目前與銀河系相距超過140億光年的星系,它們發出的光永遠也無法趕超空間膨脹的速度,這些光永遠也不會到達銀河系被我們看到。我們所能看到的宇宙范圍其實十分有限,所以地球夜空不會被宇宙的星光照亮。

而且進一步觀測表明,空間膨脹速率還在加快,這意味著臨界距離會變得越來越短,我們所能看到的宇宙范圍變得越來越小。經過足夠漫長的時間後,我們所能觀測到的銀河外星系都在本星系群內,而遙遠的宇宙空間都會變得一片漆黑。


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