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[轉載] 方舟子:為什麼夜空是黑暗的

抽按:記得曾幾何時b sir問過我的問題,當然以我的智慧,試答的答案當然是不合理。原來,這問題可以引發宇宙起源(即霍金的《時間簡史》中所述的「時間的開端」)的思索。

奧伯斯(1758~1840)出生於德國不來梅附近的一個小村莊,19歲那年到哥廷根學醫。哥廷根大學的一個特色是學生享有學習的自由,學醫的奧伯斯在那裡也能跟著有『德國數學之師』之稱的數學教授、天文台台長凱斯特納學數學和天文學。畢業後,奧伯斯回到不來梅當醫生,但他的真正興趣是天文學。他白天行醫,晚上則在改造成天文台的自家頂樓進行天文觀測,天天如此,每天睡覺時間不超過4個小時。

奧伯斯還在上大學的時候發現了一個計算彗星軌道的方法,沿用至今。此後他共發現了5顆彗星,其中一顆後來以他的名字命名。1801年新年的晚上,義大利天文學家皮亞齊發現了第一顆小行星谷神星,再想進一步觀察時卻找不到它了,是奧伯斯在那一年的年底根據數學家高斯的計算重新發現了它,平息了谷神星是行星還是彗星的爭論。奧伯斯本人後來發現了兩顆小行星:1802年發現第二顆小行星小惑星,1807年發現第四顆也是最亮的一顆小行星灶神星。不過奧伯斯現在最廣為人知的,是在1823年提出了一個聽上去很傻的問題:為什麼夜空是黑暗的?如果宇宙是無限的,恆星均勻地布滿天空,那麼夜晚的天空也將和白天一樣明亮。

實際的情況當然並非如此。這種理論和實際的矛盾,物理學上稱為佯謬。奧伯斯指出的這個矛盾,後來就被稱為奧伯斯佯謬。其實,它並不是奧伯斯首先提出的。1610年,伽利略用望遠鏡發現空中有無數肉眼看不到的恆星後,認為宇宙是無限的,恆星的數量也是無限的。開普勒不以為然,給伽利略去信指出,如果那樣的話,夜空就不會是黑暗的。他打了一個比方。假如你站在無邊無際的森林中向前看,不論你往哪個方向看,都只能看到一根根的樹幹連成一片擋在你的眼前,看不到任何間隙。只有當你是在一片小森林中時,才能透過樹幹的間隙看到外面的世界。同樣的道理,如果宇宙是無限的,那麼恆星將占據天空的每一點,它們發出的光終將抵達地球,所有的恆星發出的光都將連成一片,就像我們在夏天看到的銀河一樣。既然實際情況是恆星彼此之間v雀繚t的間隙,那就說明宇宙是有限的,透過這些間隙我們看到的是一堵包圍宇宙的黑暗圍牆。

但是後來的天文學家都相信宇宙在空間上和時間上都是無限的。怎麼解決這個矛盾呢?18世紀初英國天文學家哈雷提出了一個容易想到的解決方案:遠處恆星發出的光線在抵達地球時強度變得十分弱,無法被我們看到。但是這個解釋是站不住腳的。雖然光線的強度按距離的平方而減少,但是在一個無限大的宇宙中,天空的體積也即恆星的數量將按距離的平方而增加,也就是說,在遠處某一點恆星數量增加的比例恰好等於光強度減少的比例,二者互相抵消,總的光強度與距離遠近無關。如果多數恆星都和太陽一樣,天空的每一點都應該和太陽盤面一樣亮。天球的面積是太陽盤面的18萬倍,那麼照射地球的星光亮度也應該是陽光的18萬倍。

奧伯斯提出的解釋是,太空並不是『透明』的,遙遠恆星發出的光被彌漫在恆星之間的稀薄物質雲給遮擋、吸收了。但是在熱力學定律被發現之後,這個解釋也經不起推敲了。根據熱力學定律可知,假如有太空物質遮擋住星光,光能將會被吸收轉化成熱能,這些能量最終要重新被輻射出來,從而也要發光(雖然光的波長可能不同),天空仍然還是一片明亮。

要解決這個佯謬的唯一辦法是否定其大前提,即宇宙不是無限的,因而恆星數量是有限的。但是這還不夠。即使恆星數量是有限的,其數量也近乎無限,足以照亮整個夜空。1848年,美國小說家愛倫坡在一篇隨筆中指出,唯一的出路是假定遠處的星光還來不及照到地球上來。也就是說,宇宙在時間上有一個起點,而且宇宙的年齡還沒有老到足以讓我們見到所有遠處恆星發出的光。

我們現在知道宇宙的年齡的確是有限的,宇宙是在大約137億年前大爆炸形成的。而計算表明,要把地球的夜空全部照亮,要花上以億億億年計的時間,遠處的星光才能都抵達地球。顯然我們的宇宙還太年輕了。

而且宇宙在不斷地向各個方向膨脹,各個星系在互相遠離,當然也都在遠離地球。空間的膨脹導致光線在傳播時波長被拉長,能量也因此降低了(波長與能量成反比)。這個現象稱為『紅移』,意思是可見光向能量較低的紅光轉變,而紅光還會向能量更低的紅外線、微波轉變,所以遙遠的星光在抵達地球時能量已低到不能被肉眼見到了。由於宇宙太年輕,所以夜空是暗的;而由於宇宙在膨脹,讓夜空變得更暗。『為什麼夜空是黑暗的?』這個問題其實一點也不傻,蘊含著宇宙的奧秘呢。

http://news.sina.com.tw/tech/sinacn/cn/2008-02-27/082738231223.shtml
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原帖由 抽刀斷水 於 2008-3-5 01:54 發表
抽按:記得曾幾何時b sir問過我的問題,當然以我的智慧,試答的答案當然是不合理。原來,這問題可以引發宇宙起源(即霍金的《時間簡史》中所述的「時間的開端」)的思索。

奧伯斯(1758~1840)出生於德國不來梅附近的一個小村莊,19 ...


2[[to]] 方舟子 : :

為什麼日空也是黑暗的 , in 'the Christians-dominated middle age , 'the so-called dark age ??

cheers ThANK-ye ,

p.s.
sorry can not type ye in chinese
原帖由 抽刀斷水 於 2008-3-5 01:54 發表
抽按:記得曾幾何時b sir問過我的問題,當然以我的智慧,試答的答案當然是不合理。原來,這問題可以引發宇宙起源(即霍金的《時間簡史》中所述的「時間的開端」)的思索。

奧伯斯(1758~1840)出生於德國不來梅附近的一個小村莊,19 ...


方舟子 , exChristian ?? or ......... ?? cheers ThANKye ,
原帖由 prussianz 於 2008-3-5 09:07 發表


方舟子 , exChristian ?? or ......... ?? cheers ThANKye ,

他應該不是離教者:http://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%96%B9%E8%88%9F%E5%AD%90
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