“我们生活在一座名为无知的小岛上,被黑色的海水所包围,而我们本就不该扬帆远航”——H·P·洛夫克拉夫特
从古至今,每一位踏实本分的善男信女都遵守着一套严格规律的作息准则,他们日出而作,日落而息,这个习惯能得以保留到今天的现代社会中,背后的原因也很简单:晚上太黑了,过于黑暗的环境,不利于工作。
工作闲暇的夜晚,或许古时的人们也会在夜空下思考人生与哲学,思考天上的星星、思考广袤无垠的宇宙里都有些什么,夜空又为何是一片漆黑。
在最开始时,人们总是将头顶的浩瀚星宇以及当中的种种当做更高级文明或是神明的造物,而大约在公元前年时,被称为“天文学之父”的古希腊著名天文学家喜帕恰斯(Hipparcas)制定了恒星表,又首次发现了M44星团。
在他之后,很多人们也将自己对自然现象的科研精神从神灵崇拜中抽离出来,开始用更理智的思维研究天空和宇宙,进行着对未知的探索。直到20世纪的中后期,他们将人类送上了太空。
他们看到阿姆斯特朗站在月球表面,背后就是广袤的太空,看着心心念念的宇宙景象,很多人们仍在迷惑,而有些人则显得十分失望,他们迷惑或失望的原因同样是因为照片背景上幽邃的黑色。
人们将对漆黑夜空的好奇心转移到了宇宙中,才发现宇宙看上去也是一片黑暗。这使得人们想要探索其背后的原因。
所以夜空为什么是黑的?
看过美剧《生活大爆炸》的朋友可能会对身为主角的几位宅男科学家有着深刻的印象。
在剧集中他们的日常对话里充斥着各种各样的专业名词,其中一个名为“暗物质”(Darkmatter)的天文学名词反复出现,这或许就是解释夜空,或者说宇宙为何一片漆黑的关键所在。
暗物质与暗能量
宇宙很大,非常大,根据年的国际天文联合会公布的信息,宇宙中光是可观测到的恒星就有近万亿亿颗,更不要提人类尚未接触和观测范围之外的空间了。
而除去这些星系和恒星之外的区域被称为“真空区域”,这里没有恒星和星云,却有着名为“暗能量”的神秘排斥力,因此暗能量也被称为真空能,具有密度恒定不变的特点。
天体物理学家们一致认为由于暗能量的强大排斥力加速了宇宙膨胀。而我们今日讨论的主角——暗物质则正相反,其施加的强大吸引力可以束缚宇宙中的各种物质,甚至拥有可以牵引星系的巨大引力,但暗物质本身并不具有发射、吸收或反射光线的特性。
而年美国匹兹堡大学斯克兰顿(Scranton)博士所带领的多国科学家团队也成功发现了暗能量存在的证据。
从宇宙微波背景辐射各向异性观测以及宇宙学模型来看,宇宙是由约23%的暗物质、73%的暗能量以及4%的普通物质构成,而因为暗能量看不见摸不着,看似与真空无异、暗物质又不具有发射与反射光线的特性,所以宇宙看上去总是漆黑一片。
与暗物质不反射的特性正相反的恰恰是与我们的生活息息相关的地球,由于大气层中有着无数的灰尘、气体和水分等微量元素,可以像棱镜般反射阳光,在反射的同时将阳光发散成不同的色彩,并变成可以被人眼看见的光线。正因如此,日出时与黄昏日落时的色彩在我们看来总是不同的。
而月球虽然与地球一同自转,但没有紫外线与其中微量元素的协助,月球的景象也总是如同宇宙和地球的夜空一样漆黑一片,而月球上的阳光自然也是人眼不可见的。
研究历史
暗物质的假说具有相当悠久的历史,最早可以追溯到年开尔文勋爵提出的“恒星暗体”理论,他认为宇宙中的大部分恒星都是“暗体”,并使用观察恒星速度色散的方式估算了暗体的数量。
而正式提出“暗物质”概念的则是由荷兰天文学家雅各布斯·卡普坦(JacobusKaptenyn),他通过星体运动间接推断出星体周围可能存在的不可见物质,并利用恒星速度来提出了暗物质的存在。
之后的几十年间,世界各地的天文物理学家都曾对暗物质进行了不同程度的研究,他们总结了不同的观察证据,通过星系螺旋曲线、速度弥散、星系团和宇宙微波背景等方面证实了暗物质的存在。
无法传达的光
有些朋友或许会有一些疑问,虽然宇宙绝大部分都由不发光也不会反射光线的暗物质与暗能量组成,但不是还有4%的其他物质吗?
这看似小小的4%包括了之前提到的人类目前已知的近万亿亿颗恒星,它们很多都会发光啊,光在真空中应该是没有损耗的啊,为什么地球的夜空仍然一片漆黑呢?
诚然,这么多会发光的星体,其中不乏亮度超越太阳的“强者”,发出的光如果成功到达地球的话,地球的黑夜也就不复存在了。但这里我们要聊一个上文提到过的概念,那便是“可观测宇宙”。
可观测宇宙与气体云
宇宙的广袤程度我们在上文也有一个大体的提及,而如此广阔的范围很显然并不是我们可以完全观测到的。
因此,宇宙中部分过于遥远的区域内可能会有为数不少的、亮度超过太阳的星体,但由于距离地球太过遥远,他们发出的光线并没有足够的时间到达地球,更何况地球与那些行星之间还有着气体云的重重阻隔。
这些气体云大部分由分子及中性原子组成,具有相当高的密度与温度,而当气体云发生塌缩时,自身的密度会剧烈增加,而塌缩时部分能量也会转化为热能,从而大大提升气体云的温度,使那些遥远星体发出的光更难到达无数光年外的地球。
因此,从距离的角度而言,那些星体的光很难到达地球。
举例而言,
年3月24日,在南美洲安第斯山脉高原沙漠中的射电望远镜阵列记录下来一次闪光,来自距离太阳最近的恒星——比邻星,这颗恒星距离太阳4.3光年,在大约10秒内,比邻星的亮度上升了倍,天文学家后来认定这是一次耀斑爆发。
而比邻星距离地球的距离也不过是4光年,而此次的耀斑爆发的小小一次闪光却是地球上第一次人类可以通过肉眼看到的光线。
距离相对较近的比邻星尚且如此,无数个光年外的星体将光线传至地球更是不太现实的事情。
正是由于恒星的光源被遮挡,人类才不能直接用望远镜看到银河系的一切,所以人类观测恒星的常见方法是观测天体的运行轨迹来推断天体大小以及公转周期。
奥伯特佯谬
当然,持相反意见的人还是有的,德国天文学家奥伯斯便是一位。他在于年提出的观点中认为若宇宙是无限大且处于稳恒态的话,则晚上应是光亮的而不是一片黑暗,因为这样可以使全部发光体的亮度不会受到任何影响。
他的观点被后人称作“奥伯特佯谬”,这名字听上去就并不是很正确,上文我们也提到过相关的理论。但他的理论和漆黑的夜空却在无意中证实了另一个观点——宇宙并不是稳恒态的。
这一观点也成为了研究宇宙膨胀以及宇宙起源的重要论证。
令人“绝望”的事实
在年,美国天文学家埃德温·哈勃(EdwinPowllHubble)发现了大多数星系存在红移现象,由此提出了著名的哈勃定律(即遥远星系的退行速度与它们和地球的距离成正比),这也成为了宇宙膨胀学说的基础。
可能很多朋友会对宇宙膨胀学说感到一头雾水,我们不妨来打个形象的比方:假设宇宙是一个表面涂满糖浆的气球,各个星系星体等物质就像气球上面的小飞虫,他们只能沿着表面移动而无法进入到气球的内部,而如果气球表面不断膨胀,这些小飞虫之间的距离自然也会越来越远。这些小飞虫越来越远的现象就是星体的“退行”。
而这便又不得不提到我们宇宙73%的构成部分——暗能量了,我们在上文中也提到过暗能量强大的排斥力会加速宇宙膨胀的速度。
从粒子到原子,再到恒星、星云乃至星系,物质密度越来越大,而与此同时,引力作用也越来越强,这抗衡了身为排斥力的暗能量,使宇宙膨胀速度降低了;
但当物质密度下降后,引力作用逐渐变弱,而暗能量因其密度恒定的特性,并不会因为空间变化变得稀薄,由此加速了宇宙膨胀。
而在过去数年中,通过天体物理学家们对可观测宇宙的大尺度结构、宇宙年龄和超新星的研究也证实了宇宙膨胀加速的真实性。
假设暗能量不变,宇宙继续加速膨胀,那么在未来,可测量范围以外的天体将永远无法进入我们可观测的范围;
而因为膨胀的缘故,越来越多可观测的星系可能会因红移值的增高而消失在我们的视线中。或许届时每个人(尤其是天体物理学家)都要接受这样令人感到有些“绝望”和挫败的事实——人类可观测的宇宙范围被永远地限制住了。
从宇宙膨胀加速的理论倒退一遍,便不难发现另一个可怕的真相。
爆炸起源说与未来命运
从宇宙膨胀理论逆推,我们可以发现宇宙早期的状态相比现在越来越紧密,直到变成一个最初始的状态——一个密度与温度极高的原子核。
在有限的时间之前,通过宇宙排斥力的作用,这个内核炸开了,宇宙的尺度急剧猛增,进行了指数式的膨胀,而每个短暂的时间周期中宇宙的尺度都会增大一倍乃至数倍,光速增长的宇宙在之后又经过了漫长岁月的膨胀,达到了今天的状态。
这便是当今科学研究下支持最广泛、观测最精确的宇宙源起与演化模型——大爆炸学说。而上文中提到的哈勃观测到的星系红移现象正是验证这一模型正确性的绝佳证据。
而如今宇宙膨胀速度又加快了,关于宇宙未来命运发展的观点也被分成了几派。
亚历山大·弗里德曼结合了爱因斯坦的相对论,他认为宇宙会先“穹型”结构,在短暂的停止膨胀后,宇宙会开始收缩直至一点,变成“封闭式”的模型。
还有的观点认为宇宙模型最后会成为收缩到边缘处便会停止的“平直式”。当然,也有不少人和弗里德曼的观点恰恰相反......
结尾
在很久很久以前,人类曾以为自己是宇宙的中心,但随着对宇宙深入的研究,这份傲慢也逐渐在现实面前土崩瓦解。
地球也并不是宇宙的中心,太阳也不是,那些数亿光年外的星体发出的光芒并不能传达给我们。
因为距离遥远以及暗物质,我们的夜空就如同充满谜团的宇宙一样,是一片幽邃的漆黑;这背后隐藏着宇宙膨胀加速的真相,未来可观测星体的降低以及人类自身的渺小或许也会使我们感到无力和绝望。
我们不知道能否获得天文物理学领域的突破、不知道怎样去观测到更远的星系来揭开一个个谜团、甚至不知道如何提升自身的认知去理解宇宙与自身。但唯一可以确定的是我们永远不会停下对未知领域的探索。