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宇宙中那么多的恒星,为什么没了太阳照射天就黑了?
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这个问题许多人有着不同的分析与解释,但是,我们应该重视一个问题,就是光不是无限的,它是有限的。
为什么是有限的呢?
离我们最近的太阳来讲,太阳光照射到地球上巳经衰减了很多,太阳光再也不是离太阳最近的地方那么个强度了,太阳附近有几干度的温度,而照射到地球巳经没有这个温度了,光的强度也在按梯次的减弱,如果再遥远,在一定遥远的地方看太阳,也就是一颗小星星了。再远的话就看不见了。这就是说任何恒星的光,照射的范围有限度。
光是围绕着发光主体逐渐的减弱的。光不会走无限远的距离,它是能量,能量的强度离发光主体越远越弱,直到消失。
那么离太阳很近的空间也是一片黑暗,这又是怎么回事呢?
这是太空高度的真空的原因,太阳光没有遇到物体,没有反光的原因。光不能在真空中反光,而只能遇到物体才能反光。当一个离太阳很近的物体被太阳光照射时,这个物体会在太阳光强烈照射下,发生这个物体从外到里发生强烈的物质运动而溶化,或烤焦。
但是离得远这种效果就会大大的减弱。离得太远连冰都不会溶化。
晚上我们观看星空,繁星点点,许多遥远的恒星和太阳一样,甚至比太阳还大发光还强,由于距离遥远,我们的眼睛只能接受它最外围最微弱的光。
质量大的恒星发光强,照射的距离远,质量小的恒星,发光弱,我们只能隐约的感觉到他的光,遥远的恒星它们的光不能含盖到地球上来,我们永远感觉不到它们的存在。
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宇宙中那么多的恒星,为什么没了太阳照射天就黑了?
我们处所的银河系估测恒星的数量就有1000-4000亿个,而在可观测宇宙范围内,像银河系这样的星系起码有数万亿个之多,那么理论上在半径为465亿光年可观测宇宙内,恒星的数量可以达到10^23这样的级别。有的朋友不禁产生了疑惑,像太阳这样一个恒星,就可以将地球面向它的一侧完全照亮,那么为何宇宙中这么多恒星,当夜晚的时候,没有将地球照亮或者天空为何是黑的呢?相信大家的第一直觉反应就是,其它的恒星距离地球太远,光线在传输过程中衰减得非常厉害。其实原因并非如此简单,如果按照宇宙中的物质是各向同性均匀分布、处于静态的观点,整个宇宙应该是完全明亮的,相信这个结果大家都非常震惊吧。
其实,早在19世纪20年代,就有科学家提出了这个问题,这个科学家就是德国科学家-奥伯斯,他假设我们处所的宇宙空间,是完全静止、均匀和无限的,如果令恒星的平均光度为Ln,恒星在宇宙中的空间数密度为n,那么在地球上,我们接收到的恒星发出光线的总照度可以用如下公式计算:
那么,当宇宙空间尺度无限大,即式中的r为无穷大时,我们可以发现地球所接收到的恒星总照度也趋向于无穷,显然这是不可能的,这个推导的过程就是科学界常说的奥伯斯佯谬。它所表达的观点,简单说就是在一个静止、均匀、无限的宇宙模型下,会出现黑夜与白天一样亮的推导结论,这与我们实际上观察到夜空却是黑的相矛盾。
在奥伯斯提出这个观点之前,其实牛顿也根据当时科学界普遍认为的宇宙基本特性:均匀、静止的,以此为前提,假设宇宙的整体密度为ρ(不随着时间和空间的变化而变化),将可观测宇宙视为一个半径为R、质量为M的球体,那么相对于球心处,球体边缘的引力势能为:
那么,当R趋向于无穷大时,则边缘处的引力势能也趋向于无穷,这与牛顿万有引力大小与星体之间距离的平方成反比的结论相矛盾。在这种情况下,牛顿提出宇宙空间虽然是无穷大,但星体所受到的引力处于处处是平衡的结论,以此来消除这个与事实不符的佯谬。
但是,通过上面两位科学家提出相应佯谬的推导过程,我们不难看出,它们都将引力和光的传播速度视为无穷大,即瞬时传播。然而,无论是引力还是电磁波,其都有传播的速度上限-光速,如果考虑无限远星体的引力、无限远恒星发出的光限,那么在地球上所接收到所需要的时间也将是无限长,所以如果对于无限的空间来说,这两个推导过程是不严密的。
与此同时,我们还需要考虑宇宙空间的膨胀效应。美国著名天文学家哈勃在长期观测的基础上,发现了来自遥远星系发出光线的光谱,有向红端移动的趋势,而且距离越远,红移现象越明显,因此提出了哈勃定律,即星系相对于地球的退行速度,与星系和地球的距离成正比,这个比值即为哈勃常数。2013年,科学家通过普朗克卫星,测算出哈勃常数值为每百万秒差距(326万光年)的区域,星系相对于地球的退行速度约为68公里每秒。
宇宙膨胀的结果目前已经被科学家们通过大量的实验和观测所证实,这种膨胀并非是物质的膨胀,而是空间的膨胀。在空间膨胀的影响下,来自遥远星系发出的光线,则会在空间的不断拉大下,从目标源达到地球所经历的路程也相应的延长。这也就造成了在宇宙大爆炸时,即空间膨胀的起点期-138亿年前,所发生的第一缕光线,经历了465亿年才到达地球,这个465亿光年就是我们所能观测到的可观测宇宙,在这个范围之外,由于空间退行速度大于光速,我们永远也接收不到它们发出的任何信息。
因此,造成奥伯斯佯谬的主要原因,则来源于宇宙空间的膨胀,以及由此带来的电磁波传播速度的延长。而在空间膨胀效应的直接影响下,我们能够观测到的宇宙空间范围又是有限的,从而恒星的数量也是有限的,对于宇宙空间中的低物质密度来说(每立方米仅有数个质子的水平),按照黑体吸收能量的规律,星际物质也不可能吸收无穷多的能量,再加上电磁波在近乎真空中的传播势必会受到一定程度的阻挡,过程中会发生能量的吸收、反射等现象,相当于所有恒星体发出的光线,是通过了一个具有衰减作用的介质最后才到达地球的。
因此距离越远的恒星发出的光线,受到空间膨胀效应的影响也就越大,能量损耗也就越多,最终到达地球的光线能量占比也就越低,我们看到的恒星也就非常有限了,所以当太阳消失以后,我们看到的夜空除了点点星光之外,几乎全是黑色的。
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世界上电灯很大可能比人类的总人口都要多,而一个人在外如果手电筒没电了就只能摸黑走路,纵然看到前方万家灯火也是于事无补,因为它们的光的都太远太暗了,根本不足以照亮自己前行的路。
以上这段偏文学的话和下面即将要说的“为什么没了太阳天空就黑了?”有异曲同工之妙,我们的太阳就好比走夜路人手里的手电筒,太阳下山就相当于手电筒没有电,假如今晚没有月亮那么这时候露出的点点星光就是漆黑夜里唯一的光源了,但这些星光不可能照亮这个世界,因为它们和万家灯火一样都太远太暗了。
地球的夜晚之所以看上去是黑的是因为更远的恒星发出的光太过于微弱或者干脆还没飞到地球,在天文望远镜眼中黑夜只是表象,在人类看来漆黑一片的天区一旦经过天文望远镜长时间曝光就会出现满屏星海。
哈勃望远镜当年曾对一片还没有满月大的天区进行过长时间曝光,结果得到了数千亿个星系组成的哈勃超深场,而我们如果没有哈勃就永远看不到它们。
距离我们最近的“手电筒”是4.22光年外的比邻星,在8光分20光秒外的太阳下山之后,遥远的比邻星就出现了,不过只能通过望远镜才能发现它,毕竟它的光对于肉眼来说太过微弱根本感知不到。
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这个凭我们平常的常识就可以回答,因为距离太远了,只有太阳一盏灯是照耀地球的。
比如晚上你家的灯关了,你一家子就沉浸在黑暗中。但世间还有千千万万盏灯都亮着,怎么没照到你家里来呢?这和题目所说是一样的道理。
因为其他的恒星不是你家的,是照耀别人的。比如说比邻星距离我们4.22光年,他们那里有一颗行星叫比邻星b,距离这盏灯只有700万公里,当然就很亮了,而我们距离比邻星将近40万亿公里,是我们距离太阳1.5亿公里的27万倍。
你算一算,你距离你家的灯多远,距离你邻居家的灯有27万倍吗(假定邻居家没有遮盖住这灯),肯定不会有。
因为如果你距你家邓2米的话,这个邻居就要在54万米以上,距离540公里了。实际上你家邻居很可能还没有30米,只有15倍,就看不到了,这样一想你觉得天上的星星光芒照不到我们这里就心安理得了吧。
比邻星是距离我们最近的一颗恒星,是南门二这个三星系统中最小的一颗C星,因为它的亮度小,我们凭肉眼连看都看不见。
南门二A星是这个三星系统最大那一颗,质量为太阳的1.1倍,距离我们约4.3光年,视星等0.01,应该还是很亮的,肉眼就能看到。但比起天狼星就要暗很多了,比金星、木星就更暗了,感觉就像看1公里外的一盏路灯。这些都是距离我们最近的恒星。
夜空漫天繁星除了5、6颗行星,都是恒星,距离普遍在100光年左右,这么远的恒星,它再亮我们也只能看到一个亮点,要想靠它照明怎么可能呢?
就是这个道理,欢迎共同讨论。
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这个问题要分两步来回答。
第一个是为什么没了太阳照射天就黑了,简单来说就是宇宙空间太大了,只有太阳距离我们近,而其他恒星距离我们太遥远了,其发出的光不足以照亮我们的天空。
我们的地球隶属于太阳系,是太阳系里的一个成员,而太阳的体积是地球的130万倍,在太阳面前,地球就个沙砾。而我们距离太阳也只有1.5亿公里,在这个距离上,地球朝向太阳的一面,每秒接受到的辐射能量就相当于500万吨煤燃烧产生的能量,而这仅仅是太阳整个辐射的22亿分之一。
因此,我们朝向太阳的一面自然会很亮,另外在大气层散射的情况下,整个天空就亮了。
而背向太阳的一面,虽然有无数的恒星,但是距离都太过遥远,最近的比邻星与我们的距离也要比太阳远上20多万倍。因此,这些恒星的能量到我们这里已经太微弱了,我们仅仅是可以看到他们的亮光,这已经证明他们具有恒星级的能量辐射了,如果更弱一些,我们可能看都无法看到,更不要说让他们照亮天空了。
第二个就是奥伯斯佯谬的问题了,也就是说为什么说这么多的恒星,宇宙背景依然是黑的,而没有被照亮。
这个问题早就已经解决了,因为这个佯谬的前提是宇宙无限大,而且天体无限多,再经过无限长的时间,才会将宇宙照亮。而实际上,这三条哪条都不具备。首先宇宙不是无限的,目前可观测的宇宙是有限的;第二天体数量也不是无限多,只是很多罢了;第三,宇宙的年龄也是有限的,而不是无限。
另外,我们还发现宇宙空间一直在膨胀之中,也就是说这个空间变得越来越大。因此,在这些条件下,宇宙是不可能被恒星照亮的。