夜空为什么是黑的?你以为的“正常”,却隐藏着一个绝望的事实

星空承载梦想 2024-01-14 09:52:15
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小时候我们总是喜欢抬头仰望星空,在夜空中,有很多星星挂在天上,当时以为,这些星星都在地球上,现在才知道,这些星星其实都是宇宙中的恒星,恒星其实就是一种巨大而明亮的等离子球状星,它诞生于一团青色云中,并且含有有害和微量其它重要元素,一般来说,普通人可以用肉眼看到6000多颗星星,借助目镜,我们能够看到几十万甚至上百万颗,我们的太阳就是一颗恒星,根据科学家的研究得出,太阳和宇宙中其它物质的产生时间基本相同,太阳诞生于上一代死亡后的恒星残骸当中,在大约138亿年前,宇宙刚刚诞生,随着温度的逐步下降,能量已经转化成为了物质,并且形成了主要由氢元素所构成的气体星云。就在这时候,宇宙中第一批恒星诞生了,宇宙开始有了光芒。

一般来说,第一代恒星的质量普遍都比较大,因为它是宇宙中的第一批恒星,元素非常丰富,有的恒星质量能够达到太阳质量的数百倍,甚至比目前已知发现的质量最大的恒星还要高,而我们的上一代恒星也是一个超大质量的恒星,这意味着它的内部核反应非常剧烈,这会导致它的燃料消耗非常迅速,使得它的寿命只有短短的100万年,第一代恒星死亡以后,遗留下来的恒星遗迹星云一直在宇宙中安静的漂浮,直到50亿年前,这片跨越数光年的星云由于受到了某种外力的扰动,在引力的作用下,大量的星云逐渐向高密度区域坍缩,这时候大量的物质都集中在了中心,使其中心产生了一个气体球,这个气体球持续地吸引来自圆盘的物质,由此导致了气体球内温度和压强的增加,使得原子开始在气体球的中心结合。

这就是由气体球形成太阳的时刻,圆盘中除了气体球的其他部分形成了行星和太阳系的其他组成。太阳诞生以后吸收了周围大量的物质,所以太阳的质量占到了太阳系总质量的百分之99.86,剩下的八大行星和其它物质占到了太阳系总质量的百分之0.14,从占比上我们就能够看出太阳的质量非常大,根据牛顿的万有引力定律,任何有质量的物体都是有引力的,物体的质量越大,它的引力就越大,强大的引力能够将八大行星全部吸引过来,而八大行星为了不被太阳吞噬,它们只能够不停的自转和公转,这样能够产生离心力,离心力和引力相互抵消,所以八大行星能够稳定的围绕太阳转动,在太阳系的八大行星当中,地球是唯一一颗诞生了生命的星球。

科学家认为,地球之所以能够诞生生命,主要是因为地球处于太阳系宜居地带,宜居带是指一颗行星距离其母恒星的距离范围,在这个范围内,这颗行星的大气层可以保持液态水的存在,并且使得温度适中,不会过热或过冷。对于太阳系中的宜居带,它大约在离太阳1到2个天文单位(AU)之间。1个AU就是从地球到太阳的平均距离,约为1.496亿公里。在这个距离内,我们可以找到金星、地球和火星等行星。而如果超过了这个距离,就会因为远离太阳而导致温度太低,无法存在液态水。不过这也只是针对太阳系来说的,不同的恒星系中,它的宜居地带也是不同的,一般来说,像太阳这样的G型主序星,它的宜居地带宽度就在0.7到3AU之间,但是对于红矮星来说,它们的宜居地带可能更接近自身范围。

在地球生命当中,人类是地球上最有智慧的生命,从人类诞生以后就开始不断的研究和探索世界的奥秘,经过几千年的科技发展,现在人类已经能够走出地球探索宇宙,这说明人类科技发展的速度很快,当人类走出地球之后,人类才知道地球在不停的自转和公转,地球自转一圈的时间大约是24小时,也就是我们所说的一天,公转一圈的时间大约是365天,也就是我们所说的一年,对于夜空为什么是黑色的?相信很多人都会说,这是因为地球自转和公转所产生的,因为地球绕自转轴自西向东的 转动,从北极点上空看呈现逆时针旋转,从南极点上空看呈现顺时针旋转,地球自转轴和黄道面成66.34度夹角,和赤道面垂直,地球自转是地球的一种重要的运动形式。

自转的平均角度大约是4.167*10度/秒,在地球赤道上的自转速度为465米/秒,当地球自转到太阳这一面的时候,这一面就是白天,另一面就是夜晚,昼夜交替就是一天,除了南极北极圈之外有极昼极夜的现象之外,其它地区基本上没有变化,所谓极昼就是一天24小时内,太阳不会落下,天空总是亮的,即使是夜晚也是有太阳的,这种现象被称为白夜,所谓极夜,就是和极昼相反,一天24小时内,太阳总不出来,天空一直都是黑的,即使是白天,也能够看到星星,极昼和极夜的形成,是由于地球在沿着椭圆形轨道绕太阳公转时,还绕着自身的倾斜地轴旋转而造成的,地球自转的时候,地轴与其垂线形成一个约23.5°的倾斜角,因而地球在公转时便出现有6个月时间两极之中总有一极朝着太阳,全是白天。另一个极背向太阳,全是黑夜。

极圈内的地区,根据纬度的不同,极昼和极夜的长度也不同,最长6个月,最短仅有1天。极圈到极点之间,越靠近极点,极昼和极夜的时间长度越接近6个月;越靠近极圈,极昼和极夜的时间长度越接近1天。虽然地球自转确实能够造成白天和夜晚的交替,但是这只是站在太阳系的角度来说的,然而真相并不只有这么简单,在19世纪30年代的时候,著名的德国物理学家奥伯斯就发现了这一点,并且他还提出了奥伯斯佯谬,奥伯斯和很多同时代的人一样,奥伯斯也追随牛顿和笛卡尔的思想,相信宇宙是有限的,因为如果宇宙是有限的、静止的,那么引力应该会把所有的恒星拉到一个中心点上,但是如果宇宙是无限延伸下去的,那么平均来说,引力在各个方向上都是平衡的。

当时奥伯斯意识到,这个宇宙模型和观测结果是不一致的,在一个布满了无数恒星的有限宇宙中,无论我们在夜晚看向何处,我们的目光都应该落在恒星的表面,就像是身处森林时,目光所及应该都是以树为终点一样,因此在1823年5月7日的文章中,奥伯斯提出:当时的宇宙学模型表明,天空中的每一点都应该和太阳表面一样明亮,不应该出现黑夜,简单来说就是,在稳定恒定的宇宙中,相互的间距都应该是平均的、等距的,如果按照这个说法来看的话,那么这些恒星所发射出来的光线,就应该把地球的夜晚也照亮。毕竟宇宙中的恒星数量非常多,恒星所发射出来的光线所携带的能量,也应该是无限多的,如果按照这个理论来看的话,是完全合理的。

既然如此,那么为什么我们实际看到的夜空却是黑色的?奥伯斯对此提出的解释是,来自更遥远恒星的光,被漂浮在太空中的尘埃或其他物质吸收了。但这一说法在后来遭到了英国天文学家约翰·赫歇尔(John Herschel,1792-1871)的反驳,赫歇尔指出,任何吸收了那么多光的东西,最终都应该会被加热到足以发光才对。后来美国著名的作家埃德加·爱伦·坡(Edgar Allan Poe,1809-1849)在1848年2月3日,他在纽约社会图书馆向60名听众公开发表了他的想法。他认为宇宙是从物质的一种单一状态中出现的,这种状态在斥力的作用下被破碎和分散,这种观点意味着,宇宙是一个有限的物质球体,如果在有限的宇宙中只有少量的恒星,那么我们就不会在每个方向都看到恒星,夜晚就可以是黑色的。

如果说我们的宇宙是无限的,那么光到达我们眼中所花费的时间会限制我们所能够看到的宇宙大小,这种旅行时间将创造一个视界,在这个视界之外,遥远的恒星将无法企及,虽然这位诗人的理论是正确的,但是在当时并没有被证实,毕竟当时人类一直都认为我们的宇宙是静态的,就连著名的物理学家爱因斯坦都认为宇宙是静态的。而且他还亲自利用自己的广义相对论进行推算演变,最终得到一个叫做爱因斯坦场方程,通过这个方程,他最终计算得出了一个有限、无界、静态的宇宙模型,当年爱因斯坦将宇宙理解为静态的原因实际上并不是完全地遵循他自己的广义相对论算出来的,而是他自己本人受到了前人的影响,毕竟在那个时候,人类眼中的宇宙就是静止的。

他本人通过自己的广义相对论算出来的宇宙是膨胀的,这个结果违背了他本人观念里所认定的宇宙样貌,于是为了使得他自己通过广义相对论演变而来的爱因斯坦场方程计算出来的宇宙成为一种静态宇宙,他在这个方程中加入了一个修正项,这个修正项被命名为宇宙项,通过修正后,他的爱因斯坦场方程所算出来的宇宙变得安静了,爱因斯坦场方程完美的解决了当时人们观点里面所认知的有限、无界、静态的宇宙模型,然而这个宇宙模型并不是正确的,在1914 年,斯里弗基于之前讲过的多普勒效应,提出了一种测量星系径向速度的新方法。他用这种新方法研究了 15 个随机选取的螺旋星云,然后惊讶地发现,这 15 个随机选取的螺旋星云都在远离地球而去。

这是人类首次观测到宇宙膨胀的现象,从这个意义上来说,斯里弗才是发现宇宙膨胀的第一人,在1914年的美国天文学会上,斯里弗做了一个报告,介绍了自己的发现,由于当时斯里弗任职的罗威尔天文台,当时只有一台口径为 0.6 米的反射式望远镜。口径如此之小的望远镜,根本无法看到远处的暗淡天体。按理说,罗威尔天文台应该尽快添置口径更大的望远镜。但是 1916 年,罗威尔因病逝世。随后他的遗孀为了争夺遗产,跳出来和天文台打了一场长达 10 年的官司。在这 10 年间,天文台的运营大受干扰,添置新望远镜的计划也被迫搁浅。“巧妇难为无米之炊。”斯里弗就这样退出了竞争的行列。

到了1924年的时候,美国的物理学家爱德温.哈勃证实了我们的星系并不是独一无二的,事实上还存在着很多其它的星系,而在星系之间那就是广阔的虚无空间,为了证明这一点,哈勃必须确定这些和外星系的距离,我们能够确定临近恒星的距离,办法就是观测它们因地球绕太阳的运动而引起的位置变化,但是银河系系外实在是太大了,而且非常遥远,所以哈勃只能够通过间接的方法来测量它们的距离,这里我们需要知道的是,恒星的亮度主要是取决于两个因素,首先是光度本身的亮度有多少,第二就是它距离我们有多远,对于近距离的恒星来说,我们能够观测到它的适量度和距离,于是就能够确定它们的光度了,相反要是我们知道了其它的一些星系当中的恒星光度。

那就能够通过测定它们的适量度来推算出它们的距离,哈勃论证了存在的某类恒星,当它们距离我们静止足以被我们测量的时候,它们有相同的光度,在20世纪20年代的时候,哈勃开始观测银河系之外的星系,他发现这些恒星的光谱发生了异常,它们所缺失的特征颜色组和我们银河系当中的恒星情况相同,但是它们全部都朝着光谱的红端移动,并且相对的位移量都是一样的,对此,哈勃提出了一个大胆的猜测,那就是我们的宇宙在不断的膨胀当中,正是因为宇宙的膨胀,所以使得星系在不断的远离。所有星系的光波频率变小了,或者说发生了红移现象,而这其中的原因就是多普勒效应。

多普勒效应是以克里斯蒂安·安德里亚斯·多普勒的名字命名的。他在1842年为这一物理现象提供了目前已知的最早的物理学解释。这一声波假设于1845年由荷兰科学家克里斯托弗·亨德里克·迪德里克·巴伊斯·白贝罗检验证实。1848年,法国物理学家阿曼德-希波利特-路易·菲佐第一次描述了多普勒红移,他指出恒星光谱谱线的变化是多普勒效应造成的。这种效应有时也被称作“多普勒-菲佐效应”。1868年,英国天文学家威廉·哈金斯首次通过多普勒效应测定出一颗恒星远离地球的速度。1871年,在观测太阳自转的夫琅和费谱线中发现了多普勒现象,光学红移得到了证实,大约为0.1 Ã。1901年,阿里斯塔赫·贝洛波尔斯基在实验室中,使用旋转镜系统验证了光学红移。

在现有的物理学当中,红移是指电磁辐射由于某种原因导致波长增加,频率降低的现象,在可见光波段,表现为光谱的谱线朝红端移动了一段距离,相反,电磁辐射的波长变短,频率升高的现象就是蓝移。1924年哈勃提出了著名的哈勃定律,该理论的内容可以简单地概括为:由于宇宙的膨胀,那些遥远的天体都会具备一个远离我们而去的速度,这个速度被称为“退行速度”,而对于地球上的我们来讲,那些遥远天体的“退行速度”与它们与地球的距离成正比。哈勃定律可用一个简单的公式“v = Hr”进行描述,其中“v”和“r”分别代表遥远天体的“退行速度”以及它们与地球的距离,H则是一个常数,这被称为“哈勃常数”,根据科学家的测量,它的值为67.80(±0.77)公里/秒/百万秒差距。

简单来说,所谓的“百万秒差距”其实是一种距离单位,1百万秒差距相当于大约326万光年,也就是说,根据哈勃定律,对于地球上的我们来讲,那些遥远天体与地球的距离每增加326万光年,它们的“退行速度”就会增加大约67.8公里/秒。按照这个公式来计算,如果某个天体与地球的距离达到了大约144亿光年,那么它的“退行速度”就会达到光速,而一旦超过了这个距离,它的“退行速度”还会超过光速。当年爱因斯坦得知这个消息之后,专门从德国跑到美国,亲自证实了这个理论,这个理论不仅仅让人类对宇宙有了新的认知,而且也完美的解释了夜空为什么是黑色的。从宇宙大爆炸开始,这些发光的天体就一直在远离我们,所以它们对外发射出的光本应该照射到地球上。

但是宇宙膨胀的速度超过了光速,所以其它恒星发出的光永远都无法到达地球上,这就导致地球只能够接收到来自太阳光的照射,所以夜空看上去就是黑色的,宇宙膨胀的理论让科学家感到非常绝望,因为从人类走出地球之后,人类就一直都想要知道宇宙的边缘在哪里?目前人类能够观测到的宇宙直径达到了930亿光年,而这并不是宇宙的全部范围,宇宙比我们想象的还要大,现在人类连太阳系都无法飞出去,更别说探索宇宙的边缘了,基于目前的光速和宇宙膨胀的速率,科学家们认为距离地球180亿光年外的所有星系,远离地球的速度都已经超过了光速,除了我们永远无法看到那些星系现在的样子,未来人类文明也永远无法达到这些星系,因为它们在超光速的远离我们。

在目前人类的可观测范围内,有2万亿个星系,其中至少1.8万亿个星系已经和人类失去了联系,宇宙就像是一片汪洋大海,将宇宙中的星系分割成了一座座孤岛,每一个孤岛上面的智慧文明都可能永远无法知晓其它文明的存在,如果说我们的宇宙一直膨胀下去,那么宇宙中所有的物质都会因为膨胀而被撕裂,这也是科学家比较认可的大撕裂结局,大撕裂理论认为:由于宇宙的不断膨胀,星系之间的空间将会变得越来越远,星系内部的空间也会不断的扩张,但是在星系的内部,引力足以使里面的天体聚集在一起,在大解体的情况下,宇宙的膨胀将一直加速到宇宙膨胀的速度不能由引力进行补偿的阶段,这样的结果就是大撕裂,最终星系的结构会被撕裂。

而恒星、行星、彗星等等,这些天体都会被解体,最终变成各种元素,当宇宙膨胀到一定程度之后,连原子都可能会被撕裂,最终宇宙中的所有物质都无法组合在一起,宇宙会变成一片死寂的黑暗空间,这也许是宇宙最孤独的死法,除此之外,还有的科学家认为,我们的宇宙并不是永远的膨胀下去,宇宙之所以会快速的膨胀,是因为宇宙大爆炸所产生能量并没有完全消耗完,如果说宇宙大爆炸所产生的能量完全消耗完,那么我们的宇宙就会停止膨胀,然后开始快速的收缩,宇宙膨胀时的速度有多快,它收缩时的速度也会有多快,最终宇宙会收缩成大爆炸之前的奇点,这个奇点集合了整个宇宙的能量,当这个奇点受到某种外力的扰动,奇点就会再次发生爆发,这时候新的宇宙就诞生了,这就意味着宇宙也是有轮回的。

不过目前这些理论都是科学家的猜测,真相到底是什么样子的?目前科学家还在积极的研究当中,人类想要解开宇宙最终的奥秘,现在的科技根本无法做到,不过人类作为地球上最有智慧的生命,人类的科技在不断的进步和发展,只要人类能够坚持不懈的努力下去,未来随着人类科技的进步,或许人类真的能够解开宇宙中所有的奥秘,到时候我们就能够知道宇宙是如何诞生的?宇宙最终的结局是什么?小编希望人类能够早日实现自己的梦想,能够解开宇宙中所有的奥秘,期待这一天的到来吧,对此,大家有什么想说的吗?

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星空承载梦想

简介:本人爱好天文,擅长写科学领域的文章