077:夜空为什么是黑的?

读喜马拉雅作者:gezhong日期:2023-4-14点击:522
夜晚的天空为什么是黑的?!又是一个听上简单异常,甚至有些无厘头的问题。可事实真有你想的那么简单吗?如果宇宙是无限、静态、且永恒的,那么无论白天还是黑夜,天空都应该是无比明亮的。因为无论我们从哪个点上望去我们的视线最终都该落到一颗星星上!可事实为什么又不是这样的呢?本期《原样》了解一个著名的宇宙学谜题——奥伯斯佯谬!

077:夜空为什么是黑的?

原来是这小男生,这羊是这是什么女的点的样子啊,原来是这样,欢迎来到原来是这样,各位好,我是旭东,大家好,我是紫林。

上两期节目呢,我们是聊了两个,听上去挺简单单解决起来实际还蛮复杂的问题啊。嗯,就是彩虹到底是哪七色,还有彩虹为什么是弯的。

相信原样的听众以后看见彩虹基本上都能自成为专家来,除了惊叹于她的美以及拍照发微博之外,自己其实也懂了她形成的原理了啊。

那其实我们也都知道彩虹发生的时间呢,通常是在白天,这是因为阳光要比月光强烈的多,但是我们今天要聊的这个话题呢,却和黑夜有关,引出今天节目的问题,听上去非常的简单,那就是为什么夜晚的天空?

他是黑的呢。为什么夜晚的天空它是黑的,捏满了天空,它是黑的。

许东,你是准备再次试探我智商的下乡,这个问题需要回答吗?夜晚的天空之所以是黑的,是因为晚上没有太阳呗。

你觉得这是正确答案吗?那当然啦,听上去这好像也是一个正确答案啊。 但事实上呢,地球上的白天之所以有蔚蓝的天空。

除了太阳的功劳之外,更重要的是地球有大气层。

如果没有了大气层,地球上白天的天空。

他看上去其实也应该是黑色的。

如果大家想不明白这是为什么,可以想一想,宇航员从月球上拍回来的照片,月球的土地和宇航员的衣服都被阳光照得十分明亮,这也说明他们其实处在白天。

但你仔细想一想,月球上的天空是不是漆黑一片的。 哎,好像是啊,但我觉得我之前的回答也没有错呀。虽然说大气层让地球白天的天空变蓝了。

但是晚上虽然有大气,但没有太阳还是黑的吗?

貌似在这个问题上有点儿绕不过你了,或者说,我们把这个表述变得更加严谨一些。今天呢,我们来试着回答这样一个问题,那就是。

太空,他为什么看上去是黑的?

或者我们干脆换句话说就是太空,它为什么不是白的呢?

这个问题越来越离谱了吗?太空怎么可能会是白的呢?

和我们的直觉完全不一样,对你看到的太空,明明都是黑的,对吧?

如果说要来理解为什么太空不是白的这样一个问题,我们得先理解另外一个问题,我们可以先设想自己正身处于一个无穷大的森林当中。我们还要假定,这片森林是坐落在一个绝对的平面上。

那尽管森林当中的树木,它彼此的艰巨不同,大小也不一,但是因为这个森林是无穷大的,那么无论你从这个森林的?

哪一个方向望出去,无论你望多远或多近,你是不是总可以至少看见一棵树。

嗯,对啊,这个很好。你不可能忘记森林的外面,或者说是空白的地方。

对呀哦,你的意思是,如果把森林换成宇宙树木换成星星,对你想太空当中是不是布满了星星,对不对?嗯,在广袤无因的宇宙当中呢,有无数的星星,其实几乎都和太阳差不多耀眼。

有的呢,甚至会量好几万倍。

照理来说,在这个无限的宇宙空间里,无论你从哪个方向望去,如果你看得够远的话,你的目光是不是最终都应该落到一颗星星上?嗯,这样呢,也就不会有黑暗的位置存在于星星之间。

尽管说一颗恒星,它的光芒非常的微弱,但是无数颗恒星的光芒一旦汇合起来,它应该是无限明亮的。

如果说按照这种推理的话,整个天空它就不应该是黑的,而是无论昼夜都始终密布着炫目的光芒。 是不是这样的,呵呵,我发现你的陷阱了。

好歹我也是和你路过真实比邻和系这期节目的星星虽然看上去是无限多的,但是银河系的恒星数量是有限的呀。

哎,我记得你也说过,哈银河系外面星系的分布也是非常不均匀的,要隔很远才会有一个大星系啊。嗯。

这样说是没错,但还是按照这个思路,如果说宇宙它的空间是无限的,那星系也应该是无限的,对不对,嗯,那按照这样的说法,如果我们看得足够远。

即使我们的目光没有落到一颗特定的恒星上,我们的目光是不是也应该落到一颗星系上,而星系它更是由数以亿计的恒星组成的,那也该是足够明亮的呀。 嗯,被你问的都觉得有点恐怖了,难道你想通过今天的节目告诉大家?

宇宙其实是有限的,这可不是回彩虹关的问题啦,这是回宇宙关啊。

放心,应该毁不了大家的宇宙观,但的确可以通过今天的节目,我们建立一个更加正确的宇宙观。

关于这个问题呢,紫林,我也不继续为难你了。嗯,太空,它为什么是黑的?

这其实是一个非常非常高深的问题。哦,别说你了。实际上,从一五七六年,一个叫托马斯蒂杰斯的英国人第一次在著作当中描述这个问题开始在之后近400年的时间里,他一直是天文学上关于与宇宙是什么的最著名的难题之一。

真没想到这样一个听起来这么简单的问题,原来是一个世界级的难题呀,的确是一个世界级的问题。其实在一六一零年的时候,开普勒就曾经讨论过这样一个问题。

他呢,是天才的把夜晚天空的黑暗?

看成是宇宙大小有限的证据。它呢,就用到了无限森林这样一个例子来阐释这个问题。

他认为呢,当我们通过恒星之间的缺口眺望时,我们看到的是一堵围绕着宇宙的黑暗的围墙,就好像是在一片小树林当中。当你通过树干间的空隙观望时,你看到的其实是树林外面的世界。 我想你刚才那个例子怎么那么形象呢,原来是抄了开普勒大神的比喻啊,这算借鉴啊。

十八世纪的瑞士,天文学家德谢梭,他根据恒星的大小以及他们之间的平均距离,进一步计算得出,只有当宇宙的直径达到大约100000000000光年的时候。

我们才能够看到一个如同白昼一般的宇宙100000000000光年。这得一后面多少个零啊,大家可以自己写写看啊。 十九世纪德国著名的天文学家奥伯斯呢?

他在1823年再次提出,并且认真研究了这个问题。

他用了非常严格的数学进行了推导。

具体推导过程是这样的,以地球为中心,在与关距离二为半径的静态球壳上,每一颗恒星被观测到的亮度与二的平方成反比。

球面上的恒星数又与r的平方成正比,那么两者相消就使得r球壳整体亮度与二无关。

那如果说宇宙是无限的,且是静态永恒的二,就可以朝着无穷远进行积分。 地面上无论是白天还是黑夜,观看天空,不仅各个方向亮度相同。

而且都将是无限的名列,因为他的研究也使得这个问题被叫做奥伯斯之谜,或者是奥伯斯。杨谬,嗯,微积分要不要超刚超的这么厉害,国际高速好的朋友可能听懂了。哈。

我反正是自动掠过了,但是虽然结论看上去挺科学的,可是三岁小孩儿都应该知道这是错的呀,因为我们明明都看到了黑色的夜晚嘛。对,这就是为什么这样一个谜题被叫做杨谬了啊。 这的确让奥伯斯也觉得非常的迷惑。

那他当时给出的解释是这样的,他觉得。

遥远的恒星的光呢,被恒星之间的那种稀薄的物质云所吸收,就有点类似于存在一种星际雾霾的现象。

但是呢,他当时没有考虑到物质云吸收光辐射之后,将会提高物质云它内部的温度,从而使得物质云发出辐射的能力增强。

而且呢会一直到它发出的能量与吸收的能量相等为止,是涉及到一些这个物理学的知识啊。

那也就是说,它本身呢将会变得和恒星一样明掉再精变一点来解释刚刚那一段,就是说,即使存在这种星际云,它也应该和恒星一样亮,并没办法遮挡恒星的光芒,所以说这个难题还是没有被解决。嗯,这个问题怎么会这么奇怪啊。 明明知道答案是错的,可论证过程听上去。

又是无息可及的呀。

那我们从逻辑学的角度来分析一下啊,如果说论证的过程它是无懈可击的,但是这个结果又明显是荒谬的。

那就只有可能是前提错了。

哎,对,至于错在哪个前提呢?

仔细回忆一下,那就是,如果宇宙是无限的,且是静态永恒的,所以宇宙难道是有限的,或者说在离我们很远很远的地方,存在这一条传说中的分界线。

或者说是宇宙的边缘。在这个边界外,虽然空间还在,但是恒星和星星却不在了。

有没有这样一条界限呢,嗯,很有意思的是,奥伯斯杨谬反过来却成为了支持现代宇宙学的一个极其重要的证据。

现代宇宙学确实认为,宇宙它是不稳定的。

从某种程度上来说,宇宙也是有限的,但又并非是你所想象的那样,存在一条有恒星和没有恒星的分界线。 反正我觉得我基本是快到大脑运转与不运转的那么界限了。

我们来看看宇宙这个词啊。嗯,宇宙基本上上过小学,大家都应该知道,这是有两个字组成的宇宙。

雨呢,代表的是空间,昼代表的是时间雨呢,也就是空间,它究竟有没有边界,我们先不讨论。

但是皱或者叫时间,他却是着实有一个界限的,而这条时间的界限呢,就是宇宙的起源,大约13700000000年前的那次宇宙大爆炸big ben。哇,今天的问题瞬间高大上啊。

至少在大约13700000000年前呢,那个时候的宇宙,它自身是蜷缩成很小很小的一团的。

它是有着极小的体积,极高的密度,还有极高的温度。这个时候的宇宙被称作基点,在那种状态下,我们现在对于时间和空间的标准并不适用。

通俗的来说呢,那就是在基点以及基点之前,时间和空间,它本身并不存在。 嗯,这个知识我相信可能有挺多朋友是知道的哈。

可是时间有边界似乎并没有办法解释太空为什么是黑的呀?

别忘了在宇宙当中存在的另外一个界限,那就是关于速度的极限。

真空当中的光速,那喜欢天文的朋友一定知道,我们所看到的星星,其实并非是他现在的样子。对这颗星星比我们有多少光年,那我们看到的就是多少年前的他的样子,就好比之前很红的那颗开普勒斯沃尔毕这颗行星的恒星开普勒四五二呢。距离我们是有1400多光年,所以我们看到的也就是1400多年前的它。

那如果说我们要给内科星球发电报的话,即使上面真的有外星人,等我们收到他们的回复,那也是2800多年以后的事情说得真好。

但是有请提醒,扯远了,那我们回到今天的问题啊,即使宇宙的空间是无限的。

而且无限的空间当中均匀分布着各式各样的星系,但是因为宇宙,它的时间本身是有限的,只有13700000000年左右。

所以说,我们能够看到的最远的星星离我们至多也只有13700000000光年。

在这个距离之外,即使有星星或星系我们也看不见了,因为从他们那儿发出的光线还来不及走完这13700000000年的漫长旅程。

最终抵达我们的眼睛。嗯,距离和时间啊,隐约感觉接下来的节目神经元又快不够用了。

但按照你刚才的说法,哈,我们用望远镜看到的最远最远的地方,其实同样也是最接近宇宙最年轻时候的状态,对吧,我们看得越远,我们所看到的就是越久远的过去,嗯?

完全正确,正是因为光的传播并非是瞬间抵达的,所以宇宙呈现给我们的是一幕非常精彩的时间大戏。

通过对不同距离的宇宙的观察,我们就能够看到不同时期的宇宙的样子。 刚才我们不是说了,13700000000光年之外的那些恒星上的光,还没有抵达我们这儿吗?但是其实我们之所以对着13700000000光年这个位置看不到恒星,倒并不是因为他们发出的光还没有到达我们这里。

而是因为我们看到的其实是宇宙刚刚形成星星还没有出现的时候的宇宙的样子。

或者说我们看到的是宇宙的婴儿时期,婴儿时期啊哇,婴儿状态下的宇宙,想想都觉得梦梦大,你比方说,大家可以去找找婴儿期宇宙的照片啊。

看上去我觉得也算挺蒙的啊。

那么,以大约13700000000光年为界。

在这个界限之内,就是人类所能够观察到的全部宇宙了。

而这部分宇宙呢叫做可见宇宙,或者是已知宇宙。也就是说,以我们目前人类所掌握的技术而言,在这个距离之外的宇宙,它究竟是什么样子的?我们是不得而知的。 换句话说,其实宇宙在空间上它的确是无限的。

但是从我们的角度来看,它就是一个巨大但又有限的。

球形空间,照你这么说,既然我们可以看见婴儿时期的宇宙,那是不是说宇宙刚出生时的样子我们也能看到呢?

你是想说宇宙大爆炸时的样子,你没猜错真的可以看到啊。

当然说,我们不可能看到爆炸的这个具体过程,因为它就是一瞬间的事情,但是我们却真的能够看到由那场大爆炸留下的绚烂的光辉。嗯,其实天文学家通过望远镜呢,已经越过了那些最早的星星。

在这之后就的确看到了这样的光芒。

科学家呢,把这种光芒叫做宇宙背景辐射,而且在各个方向上或多或少它总体都是均匀的。

这些光芒的确是出现在恒星形成之前,这也是宇宙大爆炸之所以存在的一个重要证据。

嗯,大爆炸的光辉,那得亮瞎眼了吧。诶,但又不对呀,大爆炸那么强烈,这光必然也很耀眼啊。

可为什么我们普通人却没有办法看到呢?嗯,这个思考非常好,如果大爆炸的光芒能被我们的肉眼所看到的话。

那整个天空应该也不是黑的呀。 我们可以想象,在大爆炸刚刚发生不久的时候的宇宙当中啊。

夜空呢应该被这种光辉?

充满着十分的明亮。对,但至于为什么现在变黑了呢?倒并不是因为大爆炸过去的时间太久远,以至于他按了下来,因为我们能够看到的依然是来自当时那场大爆炸的光芒。

至于为什么我们现在却又看不到它呢?

这其实又是一个很大的问题。哎呀,这问题没完没了,给你一点有关这个答案的线索啊。

哈勃望远镜我们都知道,但是哈勃望远镜在给外太空极为遥远的星系们拍照片的时候,实际上他用的是红外线镜头,为什么这里又得给大家补充一个听上去挺高大上的名词了,叫多普勒效应。

有没有注意到生活当中有这样一个有趣的现象,就比如说远处有一辆救护车迎面驶来的时候。

我们听到他的这个声音是越来越高的。 嗯,但是当这个车离去以后,这个声音就变得越来越低了。

嗯,仔细想一下,我们是中屋啊,屋啊屋啊。嗯,对,大概是类似这种或者更形象的,你可以想象那个火车。

In就是类似于这样的一个感觉吧,大家可能就实际听到的时候会觉得更加的形象一些啊。

这个呢,其实就是因为多普勒效应,这原理是什么呢?

我们回到1842年,奥地利的一位名叫多普勒的数学家,物理学家。

有一天呢,他正路过铁路交叉口,恰逢一列火车从他身旁驶过,他就发现了诶。火车从远而近的时候,这个气提升便响了,音调变尖了。

而当这个火车从近往远开的时候,这个汽笛声就开始变弱。

更有意思的是,这个音调也变低了。

他就对这个物理现象感到了极大的兴趣,并且进行了研究。嗯,伟大的发现总是离不开对生活的细心观察。

他发现这是由于震源与观察者之间存在着相对运动,这就使得观察者所听到的声音频率不同于震源频率的现象。

这个现象呢叫做贫夷频率的频移动的移?

那就声音而言,声源相对于观测者在运动的时候,观测者所听到的声音会发生变化。当声源离观测者而去的时候,这个声波的波长增加音调呢就会变得低沉。而当声源接近观测者时,声波的波长减小。

音调呢就会变得更高。 如果说大家听到这儿还是觉得有些抽象的话,可以想象一个连着你和因缘的弹簧。

当因缘靠近你的时候,这个弹簧是不是会被压缩得越来越短,而远离你的时候,这个弹簧是不是被越来越长了。嗯,原来是这样。

可是这个河用红花望远镜拍遥远的宇宙有什么关系呢?

那刚好回一回上一期所讲的内容,还记得你说的那两头玻璃做的大项目。

别帅我了,我记着呢,那叫光的玻璃二象性,嗯,那光的本质呢,它是电磁波,也是一种波的形式,所以对于光而言,多普勒效应同样适用。

如果说一个光源正在远离我们,那它的波长就会被越拉越长,颜色呢,也就会变得越来越红,而离得越远,离开的速度越快,他红的也就越厉害了。

直到最后红过头了就红城了,红岸线,嗯哈懂了,红外线肉眼看不见哈,所以大爆炸留下光辉。之所以我们肉眼看不见,那就是因为它红过头了。嗯,撞红外线了就是这样,这种现象呢就是著名的红仪现象了,稍稍补充一下,与红移对应的叫做蓝移,还有蓝营发生蓝移呢,就说明这个天体,它正在向我们靠近啊,这个瞎服很大,压缩了啊。

但是蓝仪和红仪其实也并不意味着它颜色一定就变红或变蓝了,只是说在光谱上网红或蓝的方向进行移动。

哦,那按这样的说法,大爆炸的光辉正在不断的远离我们喽。嗯,不仅如此,哦,美国天文学家哈勃。他还发现,几乎所有的河外星系都在远离我们而去。 我脑补了一下这个画面,怎么感觉我们就处在宇宙大爆炸的中心呢?

哎,如果说大家光想一想,是会觉得为什么所有的星系都在愿意给我们?难道我们真的就处在那场大爆炸的中心嘛?这其实是一种错觉啊。事实并非如此。

哈勃还发现,距离我们越远的天体,它飞离我们的速度就越快,而且距离和速度成正比。

那能够解释这种情况呢,就只有一种可能了,那就是宇宙空间中任意两个星系间的距离,它其实都在增大,或者说宇宙的空间本身。

他正在不断地飞速的膨胀。 诶宇宙原来是个不断膨胀着的大气球诶,说到大气球,大家可以自己做一个小实验啊。如果说大家恰好手上有这个小气球的话。

可以在这个气球吹气吹到一半的时候,在这上面点几个距离相等的点,我们就好比这几个点就是星系。

嗯,然后我们去吹这个气球,你就会发现。

这个星系之间它彼此的距离啊,我们所点的这些点彼此之间的距离会随着气球的膨胀而等比例的相互的原理。对呀,其实宇宙空间正在膨胀的这个状态和气球的状态的确非常的类似啊。

再补充说明一点,除了背景辐射之外,能那些距离我们很远很远的星系都因为宇宙膨胀产生了红移现象,这也就导致我们的肉眼看不见他们所发出的光芒了。 也就是说,啊,当我们向深空凝视的时候。

我们视线所及的位置一旦超过了某个特定的距离之后,就只剩下漆黑一片了。

而当我们理解了这一点,为什么夜空看起来是黑的,这个问题就算是正式解决诶,感觉最后的节奏突然加快了。哈,真的没回过神啊。

你再给大家梳理一下吧,到底是怎么回事儿,好的,我们简单的再来回顾一下啊。假设我们生活在一个无限的,永恒的,且一成不变的宇宙当中。

那么整个宇宙就会亮得像太阳一样。

嗯,之所以夜晚的天空是黑的,或者说宇宙,它不是白的,是因为宇宙,它有一个开端导致。从地球上看,宇宙其实存在着一个视觉上的边界。

那更主要的原因呢,是来自于超远距离的那些星系?

和更远处的宇宙背景辐射,他们虽然本身是有光芒的,但是因为空间在膨胀,他们都发生了红移。

随着宇宙的膨胀,这些东西都从可见光谱当中消失了,所以我们就看不见他了。这也就是为什么夜晚是黑的了。嗯,原来是这样。

就是这样,谢谢今天做这期节目。有一种我刚刚来到,原来是这样的时候的,感觉就是这个问题吧,特别简单,或者你就有一种鄙视这个问题的感觉啊,这?

这能算一个问题吗,夜晚为什么是黑的,但你真的问到了以后你会觉得,哎,我好像还真不知道,对吧啊,但是经过今天这么一回答,我发现。

哦,原来是一个这么深奥的问题呀。还揭示了宇宙的奥秘很多的什么数学呀物理呀,这些原理在里面真不是一个简单问题。其实看似这是一个很简单的问题,但实际听完了我们今天的节目大家会知。

知道今天其实讲的是宇宙,讲的是宇宙的起源,以及为什么可以证明宇宙它有一个大爆炸,是嗯嗯,回顾一下我们今天的节目啊。我们其实也解释了宇宙,它并非是静态的,也并非是永恒的。

但是我们好像漏解式的一个就是宇宙当中这些天体的分布,它是否是均匀的呢?

其实呢,现代宇宙学的进一步的观测还证明了宇宙当中的物质分布,它也并不是均匀的,而是存在着一定的结构。并不是说比如说每隔2000000光年就有一个大型的星系之类的,并不是这样的。

天文学家其实在1989年的时候就发现了有一种宇宙长城的现象,它是由无数个星系组成的。长达500000000光年宽200000000光年厚15000000光年的一种巨型的宏观结构。

另外呢,在2007年的时候,还发现了有近1000000000光年大小的空洞的结构。

也就是说,在这个范围内,几乎什么东西都没有,是一个真正的空洞。更有趣的是,在100000000光年这样的一个尺度下。

天文学家就发现了星系组成了类似纤维状的结构,弥漫在了宇宙当中,那从极其宏观的尺度上来看。

宇宙的结构其实和神经元之间的链接有着一些相似的地方和神经元之间的链接有着相似之处。啊。

忽然让我觉得宇宙会不会再思考更神秘了呢,哈哈哈哈,这些部分因为没有办法证实,也没有办法证伪,所以说大家可以自己留下自己的判断啊。

其实今天在节目里呢,我们是顺便提到了很多东西啊,就包括像红移现象,其实红移现象,它不仅仅是宇宙膨胀本身,它会带来红移。

还有其他几种情况也会造成红移现象,有兴趣的朋友呢,也可以在这一方面进行一个。

探究啊,嗯,就是我们今天提到的有一些知识点,其实大家如果真的是感兴趣的,或者觉得好像听的似懂非懂,其实我们还可以自己去查一下,深挖一下到底是怎么回事儿,可能又能衍生出来一个问题,对吧。

通过我们的一期节目,大家可以了解到很多很多的这种知识,哎,当然,有的时候我们也欢迎大家来提一些类似于这样的看上去很简单的问题,如果说挖一挖它又能挖出非常高深的背后的一系列的科学道理,对这绝对是一个好问题,一定要把西东考党好,把问题问得特别简单,跑倒我实在是太容易。

呃,好了,那今天的节目到这儿也和大家聊得差不多了啊。最后还是简单的做一下广告老三样。

欢迎大家订阅徐东道科学的微信,订阅徐东道科学的百度贴吧以及关注原样刀友会,这是一个qq群立马呢是,原来是这样。

当然呢,还可以在新浪微博搜紫零零,可以给紫林提出各种各样的好玩的问题,期待他的各种不知道的解答。

也可以搜旭东哈东是上面一个山下,每个东,因为有有网友在我这里问说旭东在网上有很多很多的虚动啊,到底哪个是真的上期说过的哎啊,真的吗?

生气就说过这个问题的事儿,这个再说一遍也不错,上面一个山下面一个洞啊。总之,我们都欢迎大家来联系我们。在大家听到这期节目的时候。

这一周我并不在一个能够很方便使用到网络的地方。如果说一时半会儿没法回复,大家稍等片刻啊,去哪儿下期节目感觉好了,原来是这样,就是这样,我是徐东欢世紫林,我们下期再见。再见。

我们来测试一下啊,这个声音是否动听呢?

动听吗?我的肯定动听呀,你的不一定啊,本来真的好动听啊。

你确定吗放出来,说不定就有问题这么好听呢。

大约13700000000年前的那次宇宙大爆炸,我要说说big bang,要说这什么意思,就是大爆炸的意思。宇宙大爆炸就是这个词。

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