这个问题看似简单,却足足困扰了人类200年。
In Paradisum (在天堂里) (Requiem Op. 48|1893 version, ed. John Rutter)Choir of King's College;English Chamber Orchestra;José-Luis Garcia;Peter Barley - 100 Best Classics On (CD6)夜晚的天空中除了数千颗闪亮的恒星,背景一片黑暗
寂静的深夜,每当我们抬头仰望天空,只能看到漆黑一片。那么,夜晚的天空为什么是黑色的呢?这个问题看似简单,却足足困扰了人类200年。
一切要从我们怎样看见物体开始讲起。光线进入我们的眼睛后,通过晶状体折射成像在视网膜上,连接视网膜的视觉神经再把这些信号报告给大脑,我们就看到了这个纷繁复杂的世界。无论是能够发光的手机屏幕、路灯等,还是能够反射光线的书本、桌椅、树木等,当它们的光线传到我们的眼睛时,就会在我们的脑海中呈现对应的影像。
在浩瀚的宇宙中,我们能看到北斗七星、月球等天体,也是基于同样的道理。不过,因为它们与地球之间存在一定的距离,光线从发出到传到我们的眼睛需要一定的时间。
以太阳为例,太阳光从太阳表面射出后大约需要8.3分钟才能到达地球。如果某颗星与我们距离过远,而光速是有限的,它发出的光就没有足够的时间到达我们的眼睛,我们也就无法看到它。宇宙诞生于约138亿年前的大爆炸,在有限时间内,大量遥远恒星的光线还没有到达地球,也就是说,光线没有填满整个宇宙空间,所以夜晚的天空看上去就是黑色的。
三角星系中许多恒星发出的光已经到达地球
夜空黑暗之谜通常被称为“奥伯斯佯谬”,这一概念由德国天文学家海因里希·奥伯斯传播并普及。奥伯斯等学者认为,我们无法在夜空的每个角落看到恒星,恰恰证明了宇宙不可能是无限且永恒的:如果宇宙是无限的,天空中将缀满恒星,而无限的时间足以让恒星炫目的光芒到达地球,夜晚将和白天一样明亮。
看似寻常的现象实际蕴藏着宇宙奥秘。
今天我们推荐的书是《宇宙的本质:夜晚的天空为什么是黑的》。许多类似的问题都可以在这本书中找到答案。比如宇宙是会永远膨胀下去还是会坍缩为一个点?时间是从过去流向未来吗?除了我们这个宇宙,还有其他宇宙吗?宇宙中有没有其他智慧生命呢?等等。
本书的脉络从恒星的命运轮回开始,一直到到宇宙波澜壮阔的终极宿命;在搜索地外生命方面又开拓出另一个维度,涉及相对论、多重宇宙、暴胀理论、量子力学等大量前沿领域。
时空中的奇点的示意图。它既能描述坍缩中的黑洞,也能描述膨胀中的宇宙
宇宙的命运是很多朋友关心的问题。宇宙学家认为,当一个宇宙所拥有的质量产生的引力足够对抗其膨胀时,我们称之为闭合宇宙。反之,如果一个宇宙质量不大,引力就不足以降低其膨胀速度,我们称这种宇宙为开放宇宙。除此之外,还存在一种特殊情况——平直宇宙(也称平坦宇宙)。三者分别对应着宇宙最后的3种可能结局:坍缩、永远膨胀、平衡。
斯蒂芬·霍金
基于这三种宇宙模型,科学界对宇宙的命运众说纷纭,这些观点中备受关注的当属霍金的宇宙假说。20 世纪80 年代初,英国物理学家斯蒂芬·霍金提出了一种假说,认为宇宙是闭合的。他假设,宇宙必然没有边界(无论是在时间还是空间上都没有“边缘”)。这其实不难理解,假设我们能站在大爆炸发生的瞬间,就相当于站在地球的北极点上,这时,所有方向都是南方,空间上是没有边缘的。
同理,时间的每个方向也都走向未来。霍金认为,这种宇宙的引力足够大,膨胀将趋于停止,空间必然会在达到最大值之后朝着大挤压的方向坍缩。在宇宙进入坍缩的半程之后,时间有可能会倒流。
在一个正在坍缩的宇宙之中,时间会倒流,因此水滴将从池塘里的涟漪处“向上飞起”
霍金的这一理论是以多世界概念为基础的。“多世界”一词,不禁让我们联想到很多影视作品,它们都引入了平行世界的概念,比如美国科幻电影《彗星来的那一夜》、Netflix烧脑德剧《暗黑》,还有各种穿越剧等等,都是以交错的平行世界为背景,为我们讲述了主人公的奇遇。你是否想象过,有一天你走在路上,另一个你自己会迎面走来呢?
由埃尔温·薛定谔设计的思想实验“薛定谔的猫”
平行世界是否存在则又是另一个热门话题。这其实涉及量子多重宇宙的相关知识。我们都听说过“薛定谔的猫”实验。这个实验是一个思想实验,让我们想象一下,把猫放入一个充满毒气的封闭盒子,猫存活和死去的概率各为50%。在打开盒子之前,我们不知道是死还是活。量子力学的标准诠释认为,盒子里的猫属于既死又活的叠加态,打开盒子时收缩成“活”与“死”中某一个本征态。而量子力学的多世界诠释则认为,存在两个世界,打开盒子时活着的猫和死去的猫分别存在于两个平行世界。所以根据这一理论,有人认为这个世界的你正在看这篇文章,而另一个世界的你可能已经下单本书了。
甚大阵(Very Large Array,VLA)这样的射电天文观测站,将多个射电望远镜连接起来,以达到更大尺寸的设备的分辨率
前沿的宇宙研究成果,都经历了一个艰难且漫长的探索过程。以测量天体距离的方法为例:最初,人们使用三角测量法进行天体测距,但这种测绘方法只能测量距地球较近的天体,如月球、火星。依巴谷卫星这类空间探测器发射升空后,人类才开始以较高的精度测出诸多恒星与地球之间的距离。在光谱分析等测量技术的辅助下,恒星的大小、距离,乃至其构成、运动速度与质量等数据逐渐清晰。
随着空间探索技术不断取得新突破,天文数据日益完善,宇宙理论也不断更迭。稳恒态模型与大爆炸模型的竞争一度势如水火,各自的支持者就宇宙中的物质怎样被创造出来展开了激烈的争论。最终,天文学家在使用射电望远镜与光学望远镜对太空进行探索后,证实了宇宙会随时间推移发生变化这一观点。稳恒态终成“模型”,而大爆炸则成了经过证实的“理论”。
宇宙早期温度极高,以奇点为中心不断膨胀。随着膨胀的进行,宇宙逐渐冷却,产生质子、中子等粒子,进而形成氘和氦等原子核
目前人类了解的宇宙只是沧海一粟,随着研究的深入,宇宙理论也需要不断地修正。在建立宇宙模型时,即便是“最强大脑”爱因斯坦也难免出现失误。爱因斯坦提出广义相对论后,为了保证这个宇宙模型是静态的,人为地创造了“宇宙学常数”这一概念,并引入了广义相对论方程。然而,这一观点在日后被证实是错误的,恰恰是宇宙学常数的引入差点毁了广义相对论方程。爱因斯坦表示,这是自己一生中最大的错误。
爱因斯坦的广义相对论为人类理解宇宙奠定了基础
《宇宙的本质:夜晚的天空为什么是黑的》中收入了230余幅精美的图片,包括由哈勃空间望远镜等拍摄的天文照片,向我们展现了震撼壮美的璀璨星空;同时也穿插有计算机模拟图、天文学家肖像,以及大量示意图,兼具知识性和极好的视觉体验。
创生之柱
海山二(船底座η星)正在将物质向外抛射
其他智慧生命生存环境的模拟图
一颗爆发中的恒星所发出的不断扩张的激波(左侧) 正在挤压气体尘埃云,并由此触发新恒星的形成(右侧)
不同波长的电磁辐射能穿透地球大气层的不同深度
《宇宙的本质:夜晚的天空为什么是黑的》一书的作者是约翰·格里宾。约翰·格里宾是剑桥大学天体物理学博士,学术功底深厚,精通宇宙学知识,同时也是许多前沿理论的关注者,以及多部天文科普畅销书作家,曾获英国科学作家协会的终身成就奖。约翰·格里宾的著作在国内外都深受好评。作者《深奥的简洁》一书更是获得了樊登读书创始人樊登博士的倾力推荐。
《宇宙的本质:夜晚的天空为什么是黑的》中文版由中国科学院紫金山天文台专家审定,书中的所有专业知识和专有名词都进行了详细的核实,并根据最新的研究进展,加入了许多新鲜内容。为便于理解,中文版内还添加了一些专门针对中国读者的注释。
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