關於「漆黑太空背後的秘密」,相信大家都曾在夜間仰望星空,看著滿天繁星。中國古人還由此發展出了星象學,通過夜觀天象,來判斷人世間的吉凶。很多人也想當然地認為,如果人們來到太空,沒有大氣層的遮擋,那星空應該是更加璀璨的。然而事實卻不是這樣的。

當年美國阿波羅號宇宙飛船登上月球之後,人們看到太空人們傳送回來的照片,都呆住了。怎麼宇宙背景一片漆黑?星星哪裏去了?也正因為這個原因,曾經有人質疑,阿波羅號到底有沒有登上月球。然而,隨著越來越多的國家進行了太空之旅,拍到了外太空的照片後,人們發現,真是冤枉了「阿波羅號」,外太空真的是漆黑一片。

奇特的大氣層

但是,為甚麼反而在地球上可以看到無數的繁星呢?因為地球有大氣層。大氣層是圍繞著地球的一層混合氣體,隨著高度不同,大氣層所含有的元素不同,也表現出不同的特點。目前認為,大氣層可大致分為對流層、平流層等多個層次。我們乘坐的飛機就是飛在平流層,因為這層大氣流動較為平穩。而人類也利用增溫層實現短波無線電通信,使遠隔重洋的人們可以相互溝通。而散逸層以外,雖然仍有稀薄的氣體和基本粒子,但一般就把它算作外太空了。

大氣層是人類的保護傘,它幫助人類抵擋了有害的宇宙射線,免於地球變成火星那樣荒涼的世界。這個大氣層如同一個巨大的透鏡,或者說是一個巨大的遙視場,能夠將遙遠的恆星發出的光反映過來。那麼漂浮在太空中的哈勃天文望遠鏡,還有那些國際空間站上的太空人,不是也可以拍攝到布滿繁星的星圖嗎?不能,因為他們還沒有真正離開地球的大氣層。哈勃天文望遠鏡距離地面559公里,國際空間站距離地面大多在400公里左右,都沒有超過散逸層。倘若真超過散逸層,除了太陽系的星體,就拍不到其它星星了。科學家就表示,太空飛船從外太空傳回的原始照片,如果不經過後期處理,看上去就是一片漆黑。為甚麼?星星們去哪兒了?回答這個問題之前,先來談一談「奧爾伯斯悖論」。

奧爾伯斯悖論

「奧爾伯斯悖論」是由德國天文學家海因里希奧爾伯斯(Heinrich Wilhelm Matthäus Olbers)在1823年提出來的。他當時思考的問題是,為甚麼夜空不是明亮的?當時人們普遍認為,我們可以觀測以及感知的這個宇宙是靜止不動的、無限大的,而且時間也是無限的。基於這點,奧爾伯斯就推斷出,那麼天空應該是明亮的,因為從數學上可以證明,將有無數的恆星覆蓋天空的每個點,無論望向天上哪一個位置都應該見到一顆恆星,星與星之間便不應有黑暗的位置,黑夜時整個天都會是光亮的。

人們可以在地球上仰望天空看到無數的繁星。(未解之謎影片截圖)
人們可以在地球上仰望天空看到無數的繁星。(未解之謎影片截圖)

然而事實告訴我們,外太空不是明亮的,而是漆黑的。這又該如何解釋呢?奧爾伯斯自己提出了一種假說。就是說宇宙不是透明的,裏面有著黑暗的星體,比如不會發光的行星、宇宙塵埃、宇宙氣體,由於它們的阻擋,極遠處傳來的光線就只能傳播一段有限的距離,而不能到達地球。人的眼睛能看到東西,是因為人眼感受到了可見光,如果光線都沒到地球,當然也就看不見,就是黑的。

這個理論聽起來似乎有些道理,但是物理學家出來抗議了。他們表示,根據熱力學第一定律——能量守恆定律,這些所謂的阻擋物,就是行星、塵埃等等物質,最終會被加熱,然後自己也變成了發光體。這樣就又回到悖論的結論了:天空應該是明亮的。

在「奧爾伯斯悖論」提出後的100多年內,人們一直感到苦惱,想找出合理的解釋,但是總是四處碰壁。直到一位美國天文學家觀測到了一種非常特別的宇宙現象,這個悖論才找到至少可以說得通的解釋。這位天文學家就是鼎鼎大名的愛德溫鮑威爾哈勃(Edwin Powell Hubble),哈勃天文望遠鏡就是以他的名字命名,向他表達敬意。

天文學家愛德溫鮑威爾哈勃,哈勃天文望遠鏡是以他的名字命名。(未解之謎影片截圖)
天文學家愛德溫鮑威爾哈勃,哈勃天文望遠鏡是以他的名字命名。(未解之謎影片截圖)

哈勃定律

哈勃最偉大的成就之一,就是發現了「哈勃定律」。他通過觀測星系發現,星體遠離地球的速度,與它們和地球之間的距離成正比。簡而言之,就是一個星體離地球越遠,那麼它遠離地球的速度越快。

那麼哈勃是怎麼發現的呢?這裏要提到一個概念「多普勒效應」。多普勒是奧地利的一位數學家、物理學家。一次,他路過鐵路交叉處時,恰逢一列火車從他身旁馳過,他發現火車從遠而近時汽笛聲變大,但音調變纖細,而火車從近而遠時汽笛聲變小,但音調變雄渾。他對這個物理現象感到極大興趣,並進行了研究。最終他發現,當聲源離觀測者而去時,聲波的波長增加,頻率變低;而當聲源接近觀測者時,聲波的波長減小,頻率變高。

不僅僅是聲音,「多普勒效應」也可應用在光的運動中。人的眼睛能看到的東西實在是太有限了。這個宇宙中人眼看不到卻真實存在的物質,比起人們能看到的要多得多。

「多普勒效應」是當一個星體快速遠離地球時,它發出的光波波長就會增加,而光譜就會向紅色的一邊移動,天文學上稱為紅移,反之就是藍移。用天文望遠鏡拍攝並經過後期處理的星系圖,會發現越是遠離地球的星系,看起來顏色越偏紅。再打個比方,我們現在看太陽,看到它發出的光是黃白色的,但是如果太陽一直遠離我們而去,我們就會發現它的光變成了橙紅,再遠,就變成了紅、深紅、暗紅……直到看不見。

哈勃通過觀測星體運行的速度和方向,發現星星們都在遠離我們而去,他判斷出這個宇宙不是靜止的,而是在不斷膨脹的。

漆黑太空的原因

哈勃關於「宇宙膨脹」的觀測結果,讓科學家們為「奧爾伯斯悖論」找到了一個解答。按照當前科學界的說法,宇宙是在138.2億年的大爆炸中形成的,然後不斷膨脹,不斷膨脹。如果大爆炸的那一刻,宇宙中一片光明,像恆星表面一樣亮。隨著宇宙的不斷膨脹,星體之間的距離也就越來越大。現在有研究表明,宇宙在以超過光速的速度膨脹,那麼,很多古老而遙遠的星系,它們發出的光根本就沒機會抵達地球了。還有很多星系,宇宙的膨脹導致來自它們的星光不斷加快紅移、紅移。超過一定的距離,這些光都會轉移到人眼可見光譜以外,從而使這些恆星都不可見了。

當然,這些都是基於「宇宙大爆炸理論」而做的推理和解釋。關於宇宙的誕生,其實還有不少有趣的理論與推想。

宇宙到底有多大

現在科學家已經普遍認可宇宙是有限的,那麼這個宇宙到底有多大呢?

月亮的直徑有3,500千米,我們的地球,直徑是13,000千米。太陽系最大的行星——木星,直徑15萬千米。與太陽比起來,還是那麼不起眼。

當人們覺得太陽已經很大時,其實和宇宙中一些其它的恆星比起來,太陽的個頭只能算個小弟弟。

盾牌座UY是一顆紅特超巨星,半徑是太陽的755倍。說到這裏,我們已經需要更換計量單位了,採用以光日為單位,就是光速跑一天所經過的距離。

計量單位變成了光年。光速跑一年的距離。一光年大概有94,600億千米。離太陽最近的恆星,距離也要4.2光年。以光年不斷增大,無數的星系都被包含其中。

而太陽系所在的銀河系,直徑介於10萬光年和18萬光年之間,估計有1,000億到4,000億顆恆星。然而銀河系在宇宙中也只能算是滄海一粟。

這令人想起,在2,500多年前,釋迦牟尼就曾說過:一粒沙中就有三千大千世界。如果把一個太陽系算作一個世界,這些看上去如同沙礫般大小的亮點,每一個裏面就包含著難以計數的世界。釋迦牟尼當時是如何知道這些的呢?難道他早已看到了宇宙的真相?

密密麻麻的宇宙巨網(Cosmic web),而這才是56億光年的距離。科學家把以地球為中心、向四面八方能夠觀測到的最遠的範圍,稱為「可見宇宙」,這個範圍是個球體。這個球體的直徑目前被認為是920億光年。

然而,這並不代表著宇宙的最終大小。加州理工學院前射電天文學家馬庫斯周(Marcus Chown)表示,可見宇宙的邊緣應該是一個「宇宙地平線」的概念,就像海平線一樣。人們看著海面,都知道比海平線更遠的地方,還有海洋——在「宇宙地平線」以外,應該還有更多、甚至是無盡的星系。

如此震撼的畫面,令人心生敬畏,心懷謙卑。更讓人想起被譽為「現代科學之父」的牛頓的名言,以及他的一件趣事。

牛頓趣聞

牛頓是一位偉大的科學家,更是一位虔誠信神的人。他在出版其科學巨著《自然哲學數學原理》時,寫了一段話,大意是說,整個宇宙如此盡善盡美,必定是偉大造物主的傑作。

現代科學之父牛頓是一位虔誠信神的人,相信整個完美的宇宙是偉大造物主的傑作。(未解之謎影片截圖)
現代科學之父牛頓是一位虔誠信神的人,相信整個完美的宇宙是偉大造物主的傑作。(未解之謎影片截圖)

然而,牛頓的好友哈雷,就是發現哈雷彗星的那位哈雷,對此不屑一顧,覺得哪裏有神啊!有一天,他去牛頓家拜訪,看到牛頓在家中擺放了一座太陽系模型,中央是一個鍍金的太陽,周圍各大行星各自有序排列整齊,一拉手柄,各大行星立刻在自己的軌道運行,井然有序。

哈雷看到之後,讚不絕口,一邊把玩,一邊隨口問道,這是誰做出來的?牛頓回答,沒人製作,它就是由各種零件偶然間自己組成了。哈雷以為牛頓和他開玩笑,堅持要問到底是誰做的,還說,能做出如此精妙的模型,這個人一定是個天才。

牛頓拍著他的肩頭說:「這個模型雖十分精巧,但比起真正的太陽系,實在顯得微不足道。小小的模型你尚且相信一定有人製造。相比之下,這更加精妙億萬倍的大星系,豈不是造物主的傑作嗎?」

牛頓一席話,頓使哈雷恍然大悟……◇