03.07 宇宙为什么是黑色?

曾传新


宇宙从来也不是黑的,我们夜晚仰望星空,难道不是繁星满天吗?

宇宙中有99%以上是等离子体。什么是等离子体?通俗的说就是高温电离气体,发出炽热的光。

所谓电离就是部分电子离开了原子核,成为带负电的自由电子,而原子核带者剩余的电子成为带正电的离子。等离子体就是有这样一堆被电离的粒子组成,又叫电浆,这些炽热的电浆不断地发出能量。

宇宙中主要由恒星组成,恒星核心都是进行着核聚变的天体,温度达到千万度乃至数亿度,因此恒星整体是一个等离子球体。

这里说的宇宙是黑的,大概是说繁星点点是镶嵌在黑色背景上吧?这黑色背景并不能代表宇宙,只能代表宇宙空间。

那么宇宙空间为什么是黑黑的呢?

主要原因是宇宙空间太稀薄了。宇宙从大爆炸前的无限密度,经历了138亿年的高速膨胀,已经成为一个可观测直径930亿光年的大空间。

在这个可观测直径里,宇宙物质质量是有限的,因此是一个极其空旷的空间,平均每立方米空间只有1个粒子,也就是说,宇宙密度只有我们地球空气的千亿亿亿分之一。

这个密度是把全宇宙地恒星天体都打散了,均匀地散布在宇宙中计算的。

在这样的密度下,即便每个粒子都发着光,但凭着这个粒子的能量,无法照亮1个立方厘米的空间,而一个立方米有100万立方厘米,也就是在100万立方厘米的空间,只有1个立方厘米有些许光亮,这样宇宙当然只能是黑暗的。

人眼是凭光来感受一切物质的,物质不发光或者没有物质反射光,人眼就什么也看不到,只能看到黑暗。

恒星之光虽然很亮,亮到距离亿万光年我们还能够通过望远镜观测到。但宇宙空间由于密度极低,高度真空,恒星之光在这空旷的空间没有、或者极少与粒子交互作用,没有反射折射和散射,因此宇宙背景就只能是黑暗的。

在地球上,有密密的大气,每立方厘米几十亿亿个大气分子,太阳之光照射到这些大气分子上,就会反射折射散射,所以即便没有被阳光照耀到的地方,也有光明;而在月球高真空状态下,有阳光和没有阳光的地方就是白黑分明。

月球上被阳光照耀的地方温度达到127度(摄氏度,后同),没有阳光的地方温度可降到-183度。

月球还是有极其稀薄的大气粒子存在的,每立方厘米有几千到数万个气体粒子。而太空中每立方米才平均1个粒子,所以温度接近绝对零度,也就是零下270度左右。在这样的环境中,不黑暗才怪呢。

就是这样,欢迎讨论。


时空通讯


这个问题几百年前就有人问过,这个人是德国人奥伯斯。1826年,德国天文学家H.W.M.奥伯斯提出,一个静止、均匀、无限的宇宙模型会导致如下结论:黑夜与白天一样亮。但实际上夜空却是黑的,为什么?理论同观测的这种矛盾称为“奥伯斯佯谬”。奥伯斯佯谬的现代版更确切的表述是:如果宇宙是稳恒,无限大,时空平直的,其中均匀分布着同样的发光体,由于发光体的照度与距离的平方成反比,而一定距离上球壳内的发光体数目和距离的平方成正比,这样就使得对全部发光体的照度的积分不收敛,黑夜的天空应当是无限亮的。目前对于宇宙为什么是黑色的?是这样解释的:首先,我们的宇宙是有限的,不但在时间上有限,而且在空间上也有限,宇宙中那些发光的天体还来不及铺满整个宇宙,它们发出的光也来不及遍布整个宇宙。其次是,由于宇宙的膨胀,宇宙大爆炸时剩余的光线都已经红移到了微波频率,不是可见光了,无法被看到了。于是,宇宙就成为了黑暗的。


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