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其實夜空仍然很亮!只是我們看不到

你有沒有想過為什麼宇宙是黑色的呢?

來看看這個問題背後隱藏麼秘密吧!

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18 世紀,德國天文學家海因里希·奧伯斯提出了著名的奧伯斯佯謬:假如宇宙是穩定而且無限的,而且有無數的發光星體,那麼無論望向天空的哪一個位置,都應該看到一顆星體,夜空就應該是完全明亮的。

著名作家埃德加·愛倫·坡也提出了類似的想法:星星是連續不盡的,然後背景的天空將呈現一致的光亮,就像銀河所顯示的——因為不會有絕對的點,在那所有的背景中,星星將不復存在。因此,在那些,在這樣的事態下,唯一的模式,我們可以體會到我們的望遠鏡在無數的方向上發現空隙,將假設無形的背景,因為距離的遙遠,光芒從未能到達我們。

對於這個問題,奧伯斯自己的解釋是,宇宙中存在氣體和塵埃,阻擋了光線,所以不是所有星星的光都能到達地球(和下面評論區的一些看法一樣)。但是,這不是一個有效的解釋。氣體和塵埃吸收了能量以後,會以電磁波的形式輻射出能量。在無限星體和無限空間的前提下,這些輻射還是會讓宇宙變得明亮。

然而,夜空,或者說太空是黑色的。至少說明 1)宇宙中沒有無限的星體,或者 2)宇宙不是永恆的。

宇宙空間可能是無限的,但是有星體的地方卻只是我們周圍有限的空間。這樣,如果你看的足夠遠,你就會看到沒有星體的黑暗虛空。用於描述宇宙大爆炸的暴漲理論表明,宇宙空間各處密度是均衡的;宇宙的幾何結構是平坦的。

這意味著1)宇宙是一個無限的空間,2)宇宙中有無限的星體。而對宇宙的觀察也表明,這很可能是正確的。

那麼太空的黑暗是不是因為宇宙的年齡是有限的呢?宇宙從大爆炸到現在大約 137 億年。那麼距離我們 137 億光年以外的星體發出的光還在路上,沒有到達我們。也許如果我們等得足夠久,它們的光就會到達地球,讓我們的夜空亮如白晝。然而,這也是不可能的,這是因為宇宙空間每一處都在膨脹。

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圖片來自 www.timeone.ca

空間膨脹是均勻的,就是說每一處膨脹的速度是一樣的,但是膨脹的效果是疊加的。

從上圖可以看出,距離我們(點 B)越遠的地方,離我們的距離增加的越多。這個疊加效果是驚人的。不難算出,離我們足夠遠的地方,空間遠離我們的速度超過了光速。你沒有看錯,我是說超過了光速。

相對論告訴我們任何物體都不能以超過光速的速度在空間中運動,但是沒有說空間本身不能超過光速。這個事實的後果是:在這部分空間裡的星體發出的光永遠不能到達我們。我們等得再久,夜空也不會亮如白晝。

由於空間的膨脹,我們的可視宇宙範圍也在膨脹。現在的可視宇宙半徑也是大於 137 億光年的(466 億光年)。隨著空間膨脹,我們可以看到的宇宙範圍也在增大。但是,邊界之外的宇宙也在以更快的速度遠離。

大部分的宇宙我們是永遠看不到的,當然也永遠無法到達。由於光速的限制,我們被困在一個有限的空間內,無法得知外面的宇宙是什麼樣子。這是不是很像黑洞視界的概念。

實際上,這也是一種視界,和黑洞正好相反。黑洞是光線永遠出不去,而我們的可視宇宙是光線永遠進不來。

在可視宇宙範圍內,雖然光可以到達地球,但已經不是可見光了。空間膨脹把可見光的波長拉長了,相應的降低了頻率。這種現象叫紅移 – 光紅移成了紅外線或頻率更低的微波。

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圖片來自電磁波_百度百科

這裡我們忽略了宇宙中的另外一種光。宇宙誕生於 137 億年前的大爆炸。大爆炸輻射出強烈的能量,它的光應該瀰漫整個宇宙空間,為什麼看不見呢?

原因是,經過 100 多億年的空間膨脹,大爆炸的光已經紅移成了微波。人類的肉眼看不見微波,但是如果我們用看得見微波的望遠鏡對著夜空掃描,就可以看到這一副驚人的圖畫:

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「WMAP image of the CMB anisotropy」。來自維基共享資源

原來,夜空是明亮的,只是我們看不見。

原來我們會看到黑色是因為超過了我們可見光的範圍了!!!

掌之是了阿!!!!

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