深圳晚报 2022-02-28
深晚荐书|困扰人类200年的“简单”问题:夜晚的天空为什么是黑的
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在寂静的深夜,每当我们抬头仰望天空时,只能看到漆黑一片。那么,夜晚的天空为什么是黑色的呢?这个问题看似简单,却足足困扰了人类 200 年。

一切要从我们怎样看见物体开始讲起。光线进入我们的眼睛后,通过晶状体折射成像在视网膜上,连接视网膜的视觉神经再把这些信号报告给大脑,我们就看到了这个纷繁复杂的世界。无论是能够发光的手机屏幕、路灯等,还是能够反射光线的书本、桌椅、树木等,当它们的光线传到我们的眼睛时,就会在我们的脑海中呈现对应的影像。

在浩瀚的宇宙中,我们能看到北斗七星、月球等天体,也是基于同样的道理。不过,因为它们与地球之间存在一定的距离,光线从发出到传到我们的眼睛需要一定的时间。以太阳为例,太阳光从太阳表面射出后大约需要 8.3 分钟才能到达地球。如果某颗星与我们距离过远,而光速是有限的,它发出的光就没有足够的时间到达我们的眼睛,我们也就无法看到它。宇宙诞生于约 138 亿年前的大爆炸,在有限时间内,大量遥远恒星的光线还没有到达地球,也就是说,光线没有填满整个宇宙空间,所以夜晚的天空看上去就是黑色的。

夜空黑暗之谜通常被称为 " 奥伯斯佯谬 ",这一概念由德国天文学家海因里希 · 奥伯斯传播并普及。奥伯斯等学者认为,我们无法在夜空的每个角落看到恒星,恰恰证明了宇宙不可能是无限且永恒的:如果宇宙是无限的,天空中将缀满恒星,而无限的时间足以让恒星炫目的光芒到达地球,夜晚将和白天一样明亮。

看似寻常的现象实际蕴藏着宇宙奥秘,今天我们特别推荐这本《BBC 宇宙的本质:夜晚的天空为什么是黑的》。

聚焦前沿研究,诠释宇宙本质

人们对于宇宙的困惑远不止夜空的黑暗。宇宙是会永远膨胀下去,还是会坍缩为一个点?时间是从过去流向未来吗?除了我们这个宇宙,还有其他宇宙吗?宇宙中有没有其他智慧生命呢?这些热门问题的答案都可以在《BBC 宇宙的本质:夜晚的天空为什么是黑的》中找到。

这本书从恒星的命运轮回到宇宙波澜壮阔的终极宿命,再从搜索地外生命讲到探寻另一个宇宙,包含众多前沿理论,比如相对论、多重宇宙、暴胀理论、量子力学等,作者以专业的视角,用生动的语言和示意图将这些晦涩抽象的理论进行细致地阐述,为我们解答了许多宇宙难题。

当一个宇宙所拥有的质量产生的引力足够对抗其膨胀时,我们称之为闭宇宙。反之,如果一个宇宙质量不大,引力就不足以降低其膨胀速度,我们称这种宇宙为开宇宙。除此之外,还存在一种特殊情况——平直宇宙(也称平坦宇宙)。三者分别对应着宇宙最后的 3 种可能结局:坍缩、永远膨胀、平衡。

基于这三种宇宙模型,科学界对宇宙的命运众说纷纭,这些观点中备受关注的当属霍金的宇宙假说。20 世纪 80 年代初,英国物理学家斯蒂芬 · 霍金提出了一种假说,认为宇宙是闭合的。他假设,宇宙必然没有边界(无论是在时间还是空间上都没有 " 边缘 ")。这其实不难理解,假设我们能站在大爆炸发生的瞬间,就相当于站在地球的北极点上,这时,所有方向都是南方,空间上是没有边缘的。同理,时间的每个方向也都走向未来。霍金认为,这种宇宙的引力足够大,膨胀将趋于停止,空间必然会在达到最大值之后朝着大挤压的方向坍缩。在宇宙进入坍缩的半程之后,时间有可能会倒流。

霍金的这一理论是以多世界概念为基础的。" 多世界 " 一词,不禁让我们联想到很多影视作品,它们都引入了平行世界的概念,比如美国科幻电影《彗星来的那一夜》、Netflix 烧脑德剧《暗黑》,还有各种穿越剧等等,都是以交错的平行世界为背景,为我们讲述了主人公的奇遇。你是否想象过,有一天你走在路上,另一个你自己会迎面走来呢?

平行世界真的存在吗?这涉及量子多重宇宙的相关知识。我们都听说过 " 薛定谔的猫 " 实验。这个实验是一个思想实验,让我们想象一下,把猫放入一个充满毒气的封闭盒子,猫存活和死去的概率各为 50%。在打开盒子之前,我们不活知道是死还是活。量子力学的标准诠释认为,盒子里的猫属于既死又活的叠加态,打开盒子时收缩成 " 活 " 与 " 死 " 中某一个本征态。而量子力学的多世界诠释则认为,存在两个世界,打开盒子时活着的猫和死去的猫分别存在于两个平行世界。根据这一理论,这个世界的你正在手机上看这篇文章,另一个世界的你可能已经下单这本书了。

结合理论与实践,科学梳理人类探索历程

如今前沿的宇宙研究成果,都经历了一个艰难且漫长的探索过程。以测量天体距离的方法为例:最初,人们使用三角测量法进行天体测距,但这种测绘方法只能测量距地球较近的天体,如月球、火星。依巴谷卫星这类空间探测器发射升空后,人类才开始以较高的精度测出诸多恒星与地球之间的距离。在光谱分析等测量技术的辅助下,恒星的大小、距离,乃至其构成、运动速度与质量等数据逐渐清晰。

随着空间探索技术不断取得新突破,天文数据日益完善,宇宙理论也不断更迭。稳恒态模型与大爆炸模型的竞争一度势如水火,各自的支持者就宇宙中的物质怎样被创造出来展开了激烈的争论。最终,天文学家在使用射电望远镜与光学望远镜对太空进行探索后,证实了宇宙会随时间推移发生变化这一观点。稳恒态终成 " 模型 ",而大爆炸则成了经过证实的 " 理论 "。

目前人类了解的宇宙只是沧海一粟,随着研究的深入,宇宙理论也需要不断地修正。在建立宇宙模型时,即便是 " 最强大脑 " 爱因斯坦也难免出现失误。爱因斯坦提出广义相对论后,为了保证这个宇宙模型是静态的,人为地创造了 " 宇宙学常数 " 这一概念,并引入了广义相对论方程。然而,这一观点在日后被证实是错误的,恰恰是宇宙学常数的引入差点毁了广义相对论方程。爱因斯坦表示,这是自己一生中最大的错误。

230 余幅天文照片和示意图,展现壮阔宇宙

书中包含 230 余幅精美图片,采用哈勃空间望远镜等权威机构拍摄的天文照片,向我们展现了震撼壮美的璀璨星系,同时书中也穿插了计算机模拟图、天文学家照片及说明性示意图等,美观性和解释性并存,带来了极佳的视觉体验。

剑桥大学博士、豆瓣高分图书《深奥的简洁》作者约翰 · 格里宾力作,中国科学院天文学专家审定

作者约翰 · 格里宾是剑桥大学天体物理学博士,学术功底深厚,精通宇宙学知识,时刻关注前沿理论研究,也是多部天文科普畅销书的作家,曾获得英国科学作家协会的终身成就奖。他的著作在国内外都深受好评,其中《深奥的简洁》一书更是获得了樊登读书创始人樊登博士的倾力推荐。

除了拥有专业的作者,这本书还由中国科学院紫金山天文台专家审定,他对书中的专业知识和专有名词进行了详细地核实,并根据相关研究的新进展,对内容予以了更新,为便于读者更好地理解,也添加了一些必要的注释。

《BBC 宇宙的本质:夜晚的天空为什么是黑的》

[ 美国 ] 约翰 · 格里宾著

江苏凤凰科学技术出版社 2022 年 2 月

特约撰稿 沙玲玲

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浩瀚 bbc 中将 量子力学
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