旅行到时空边缘-天际幽暗的揭秘

2023-09-17 理论教育版权反馈

【摘要】：第15章天际的幽暗黑黝黝的夜空背景，是时空的尽头吗眺望宇宙的最深处我们在网上看到的许多精美的天体图片，都来自“哈勃”太空望远镜，这台极为精密的仪器不是由天文学家哈勃制造，而是为了纪念他。1993年12月，“奋进号”航天飞机载着7名宇航员，对哈勃望远镜进行了10天的维修，研究人员为哈勃望远镜设计了一个改正镜，相当于给它配上一副矫正眼镜。1744年，瑞士天文学家谢诺提出一个看起来很合理的解释。

第15章　天际的幽暗

黑黝黝的夜空背景，是时空的尽头吗

眺望宇宙的最深处

我们在网上看到的许多精美的天体图片，都来自“哈勃”太空望远镜，这台极为精密的仪器不是由天文学家哈勃制造，而是为了纪念他。望远镜1990年4月25日发射升空，以2.8万公里的时速在600公里的高空围绕地球运行，发回的第一张照片让所有人目瞪口呆—不是精彩绝伦，而是糟糕透顶！本来是一个个光点的恒星竟然散成了光斑！原来制造过程出现了一个很低级的失误，镜面边缘多磨平了一点点，这小小失误造成了灾难性影响，带来了严重的球面像差—图像不能很好地聚集在焦点上。

1993年12月，“奋进号”航天飞机载着7名宇航员，对哈勃望远镜进行了10天的维修，研究人员为哈勃望远镜设计了一个改正镜，相当于给它配上一副矫正眼镜。维修非常成功，“哈勃”的视力得到了完美的恢复。二十多年间，哈勃望远镜传回了一幅幅美轮美奂的天体图像，把宇宙的神奇与大美呈现在人类面前。

2003年9月24日，哈勃太空望远镜硕大的镜头转向了天炉座方向。天炉座是南天中一个很不起眼的小星座，很暗淡，里面没有一颗亮度小于4等的星，普通人不会对它感兴趣，但天文学家却对它情有独钟，因为这里远离银河，视线在这个方向受到银盘气体尘埃的影响最小。星座里有一小块区域，更是极黑暗，就是用大望远镜也看不到一颗小星。没有恒星，没有气体尘埃的遮挡，这是一个瞭望宇宙深处的极佳窗口。在那幽暗的、看似一无所有的宇宙深处，会隐藏着什么呢？

哈勃太空望远镜对准那个幽暗之地，从2003年9月24日至2004年1月16日的一百多天里，对它进行了800次拍摄，巡天照相机累计曝光11.3天时间—将近一百万秒。

这是一次宇宙深空“钻探”，“哈勃”得到的图像称为“哈勃超深空”，它显示了由近到远以至130亿光年深处的宇宙图景，里面约有一万个星系，照片中最暗的星系，每分钟只有一粒光子进入望远镜中。

接下来的10年间，哈勃太空望远镜每年都对那个区域拍照，钻探不断深入。2014年发布的“哈勃超深空”图像，深入到了132亿光年远，星系数目又多了5500个，其中最暗星系的光度只有肉眼可分辨光度下限的一百亿分之一。“哈勃超深空”展示给人类这样一幅宇宙图景：在幽暗而遥远的太空里，分布着不计其数的星系。

我们的虫豸视角

哈勃超深空是一个空间钻探的标本，同时也是一个时间钻探的标本。因为光速是有限的，越遥远的星系，它的光传递到地球花的时间就越长，它所处的宇宙就越古老。比如，30亿光年外的星系，其实是30亿年前的样子；130亿光年外的星系，其实是130亿年前的样子。

我们遥望太空，不但看到了空间的深处，同时也看到了时间的过去。这样，宇宙太空某处“此时此刻”正在发生什么，是没有意义的，因为我们根本无法得知。我们只能在未来才能知道它们的现在，因为那里的光传递过来需要时间，我们这样的视角被称为“虫豸视角”。

假如光速无限，此时此刻宇宙深处发生的事情，即刻就传递给我们，我们就会犹如天神一般，瞬间看清宇宙每一个角落正在发生的事情，这样的视角称为“天神视角”。

虫豸视角并不是什么坏事，如果我们拥有的是“天神视角”，虽然可以瞬间看清整个宇宙的“现在”，却无法观察到宇宙的过去。我们从虫豸视角看去，宇宙过去的一切，正在我们眼前上演。100光年外的天体展示的是100年前的样貌，100亿光年外的天体展现的是100亿年前的样貌。这样，我们通过距离的深入，就可以一直观察到宇宙古老的过去。

奥伯斯佯谬

现在要提出的问题，是很多人没有想到的—在“哈勃超深空”里，我们已经看得那么深远，可是宇宙的背景为什么依然是黑暗的呢？它是否暗示了，我们看到的宇宙只是一个有限的宇宙？

这个问题其实是奥伯斯佯谬的翻版。奥伯斯佯谬要回答的问题是：夜空为什么是黑暗的？这问题看起来很荒诞，很多人并不认为它有多大意义—夜空黑暗，是因为太阳落山了呗。答案当然不会如此简单，它实际上透露出一个很大的宇宙奥秘。

奥伯斯是一个业余天文爱好者，他本是德国北部城市布莱梅的医生，因为治愈了当地的霍乱，获得了极高的声誉。奥伯斯把自己房子屋顶改造成一个天文台，白天他治病救人，晚上则观测天空寻找彗星。他先后发现了5颗彗星，还发现了两颗小行星。

奥伯斯意识到，看似寻常的黑夜，隐藏着宇宙整体的奥秘。人们通常认为，宇宙是无限大的，存在了无限久，而且里面有无限多的恒星。可是奥伯斯想，如果宇宙真的是那样无限，其后果必然是很麻烦的，会是什么样子呢？

奥伯斯说，想象你处在一片树林里，如果树林不大，向远方看去，可以透过树干看到外面的世界；如果是在很大的森林里，任意一条水平方向的视线都会被树干遮挡，向远处望去看到的全是树。

照此推理，一个无限的宇宙布满了无限的恒星，那么投向天空的每一条视线都会遇到恒星，其结果必然是，天空中的每一点都会像太阳一样明亮，那将是一个炼狱般的世界！

对黑暗夜空的种种思考

人类对黑暗夜空的问题已经思考了几百年。比奥伯斯早两个世纪的开普勒也认为，无限宇宙会导致整个天空极其明亮。开普勒认为，黑暗夜空意味着宇宙是有限和有边界的。开普勒设想，在有限宇宙的外围，包围着一圈黑暗的宇宙之墙。

但是有限宇宙面临着明显的矛盾。人们很容易像英国的洛克那样质疑宇宙有限论：“如果不假设宇宙是无限的，则我们可以问，如果上帝把人放置在宇宙边缘上，人能将他的手伸出宇宙之外吗？”

公元前1世纪古罗马的哲学家卢克莱修在《物性论》里提到了一个著名的飞矛思想实验：假如一个人旅行到宇宙尽头，使劲掷出一支矛，那会出现什么？只有两种情况，弹回来，或者继续往前飞。无论哪一种，都表示宇宙边际之外都有东西存在—弹回来是有东西挡住了，继续飞是还有更多的空间。卢克莱修认为，这两种情况都说明，宇宙不可能是有限的。

1744年，瑞士天文学家谢诺提出一个看起来很合理的解释。他说，夜空之所以是黑暗的，原因是宇宙空间是不透明的，充满着吸光物质，遥远的星光在中途就被这些物质吸收了，根本到不了地球，从而夜空是黑暗的。

这解释是人们容易想到的，但实际上并没有解决问题。假如宇宙是无限的，即空间无限大，星体无限多，存在的时间无限久，那么即使空间中有吸光物质，也无法使夜空变暗。因为吸光物质吸收光线的同时，也会被光线加热，进而导致自身发光，最终会变得和恒星一样明亮，结果完全等同于这些吸光物质不存在。这就像下雨的时候躲在树下，起先叶子还能保护下面不受雨淋，可是只要下雨的时间足够久，雨水便会从叶子上滴落下来，树叶对雨滴的遮挡吸收作用基本为零。

一个诗人的解释

1848年，一位叫爱伦·坡的美国诗人出版了一本叫《我发现了》的诗，他“决意要谈谈自然科学、形而上学和数学—谈谈物理及精神的宇宙，谈谈它的本质、起源、创造、现状及其命运”，其中就谈到了奥伯斯佯谬，爱伦·坡这样解释：

星星无穷无尽，天空的背景就会呈现出明亮，就像是银河—它们不会呈现点状，在背景中也不会出现一颗星星。因此，只有一种可能，由于恒星的距离实在是太远了，它们发出的光还没来得及到达地球。

极遥远的恒星发出的光还没有来得及到达地球，意味着宇宙并非存在了无限长的时间，这是一个年轻的宇宙—宇宙必然有一个起源！爱伦·坡指出，宇宙起源于虚无，在原始推动力作用下，原始粒子产生，并形成了多样的物质和星系。

宇宙为何起源呢？爱伦·坡把它归结为上帝，对爱伦·坡来说，上帝就是一个诗人，宇宙就是“最卓越的诗”，随着上帝之心的每一次悸动，一个崭新的宇宙将从无到有，又从有到无。那么，上帝之心又是什么呢？爱伦·坡回答说：“就是我们自己。”这样，《我发现了》指出一条爱伦·坡式的道路—由宇宙通向上帝，再由上帝回到心灵。

《我发现了》出版后多年里一直颇受冷落—研究界或者视而不见，拒绝评论；或者认为它是“业余天文爱好者的拼凑之作”；甚至有人将其视为作家神经错乱状态下的一派胡言。一百多年后，它的文学价值得到了高度肯定；更令人惊讶的是，诗中关于宇宙有一个起源的说法竟然也得到了验证，这本书也被誉为“美国天书”。

美国宇宙学家哈里森说：“当我第一次读爱伦·坡的作品时，我大吃一惊。一个诗人，不，一个最了不起的业余科学家在140年前就领悟到了问题的本质，而我们的学校仍旧在宣扬错误的观点。”

奥伯斯佯谬其实有一个前提，就是牛顿式时空观：空间是绝对的，无限广阔的；时间是绝对的，无限流逝的；宇宙是静态的永恒的存在，它已经存在了无限久，而且还会无限久地存在下去。

奥伯斯佯谬实际上暗示了，传统的牛顿宇宙时空观并不可靠，在接下来的新思想和新发现的冲击下，它很快会土崩瓦解，因为宇宙绝非是一个恒定的存在。

旅行到时空边缘-天际幽暗的揭秘

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