为什么说太空很拥挤?
因为大量人造物体的逐渐增加,事实上太空正变得相当拥挤,并且由于这些东西互相碰撞而造成了更多的碎片。
做一个估测,太空中有7 000个大型的物体,大约位于500千~900千米高的位置上。其中2 000个是仪表装置,但仅有大约5%在运行。还有4万个小块和碎片是碰撞的产物或是火箭分解后的残留物。还要加上大约300万个微粒,可能是剥离的涂料或是尘埃,其中的一些可能会以28.8万千米/小时——足以使国际空间站的窗子出现裂纹的速度前进。
“黑洞”理论为什么是天文学研究的热点?
美国科学家惠勒根据爱因斯坦的理论证明了黑洞的存在。他认为太空中有一些质量很大的天体,会由于内部存在的强大的引力,自行坍缩成一种新的、体积很小但密度极大的天体。只要在它的旁边,任何物质,包括光线,都会被吸引进去而消失。它不向外面释放任何物质和能量,用探测仪器也不能看到它,所以惠勒给它起了一个形象的名字——黑洞。
惠勒的黑洞理论的提出,在物理学史上刻下了永久的标记。他后来又写了一部关于黑洞的专著《引力理论与引力坍缩》。在书中,他详细分析了黑洞的形成及特点,这本书也被认为是宇宙理论研究中里程碑式的著作。“黑洞”一时间成了天文学研究的热点。
光为什么不能从黑洞中逃脱?
如果你完全坚守着牛顿的万有引力,那么解释黑洞这个问题就变得非常困难了。我们在日常的活动中如玩撞球或掷球时,牛顿定律被使用得很好——甚至连火箭发射都是遵循牛顿定律的。但是当它面对向黑洞这样复杂的问题时,你不得不开始考虑是什么引力在空间中起作用。这就是爱因斯坦在20世纪早期所研究的问题。他的引力理论认为引力影响着一个叫做时空的由时间和空间组成的组合体。爱因斯坦认为引力扭曲了时空,以至于光不能沿着直线前进。从A点到B点之间直线运行是最快的方式,除非它沿的并不是直线。
这将帮助你去理解如下问题:你也许会认为从伦敦到加拿大西海岸的温哥华最便捷的方式就是沿着直线飞越过太平洋,但实际并不是这样。它们会先向北飞向苏格兰,然后穿越格陵兰的上方,因为这才是最直接并且最短的航程,虽然它看起来并不是。这个世界在我们的视界里就是一个平面——我们使用的所有地图都是平的——所以看起来直线穿越大海好像是最短的路线。但是如果你看着一个地球仪——这个世界的真实模拟物,你会很容易的发现最短的路线是穿越过格陵兰的一个大圆弧。
这同样适用于时空。在我们看来太空是一个平面,而且这个观点被广泛接受,即使是对我们最想做的事即登上月球也是如此。但是,一旦我们开始讨论太空中引力非常强的那些地方——例如黑洞——我们就不得不开始考虑时空中引力的作用。想象这里有一张划有一条直线的蹦床,如果你将一包很重的马铃薯放在它的中间,蹦床将向中间陷下去,而这条直线也不再是直的。这时如果你将一个弹球从蹦床的一头滚到另一头,在蹦床上它不会沿着一条直线前进,而是会在蹦床上曲线前进。而那就是时空和光线之间发生的事。引力扭曲了时空,而光跟随着已经被引力弯曲的直线穿越时空。黑洞将时空扭曲得太厉害以至于直线实际上已经被弯曲成一个圆,而光就沿着圆形轨道不停地旋转,直至消失。所以说,光是无法从黑洞中逃脱的。
太空为什么是黑的?
地球上,白天的天空是亮的,这是因为空气分子能够反射阳光,就像一面面小镜子。但是在月球上没有大气层,所以天空一片漆黑,连星光也消失了。同样的道理,宇宙空间本身也是空荡的,几乎没有能够将光线反射进我们眼睛里的物质,所以我们看到的空间就是黑暗的——即使太阳周围也是漆黑一片。
但是关于宇宙的黑暗仍然存在着疑团:宇宙中所有的天体发出的光为什么不能合在一起形成明亮的光?天空为什么会在晚上变黑?
托玛斯·迪奇斯是16世纪的天文学家,他当时也研究了这些问题,他认为宇宙是无限的,宇宙在各个方向上拓展,在这个无尽的空间里,有无数颗恒星。但是按照他的推理,如果宇宙里充满了恒星,天空被星光笼罩,那么夜空将和白天一样明亮。然而事实并不是这样。迪奇斯终其一生都没能解开这个难题。
威尔海姆·奥伯斯(一位19世纪的天文学家)也花了许多年来思考同样的问题,并且关于天空为什么是黑暗的问题被称为“奥伯斯佯缪”。奥伯斯考虑了很多种可能,最后认为原因是宇宙空间里的尘埃:或许我们看不见远处恒星发出的光,是因为宇宙中的尘埃吸收了这些光。
但奥伯斯死后,天文学家们计算了所有恒星发光的总和,结果发现,这个能量足以让挡在半路的所有尘埃升温发光。也就是说,夜空在闪亮的尘埃的照耀下也变得一片光明。于是,问题又回到了起点。
显然,事实是夜晚被黑暗笼罩。一定是这个理论有问题。关键是,问题出在哪里?迪奇斯、奥伯斯和其他天文学家都认为在无限大的宇宙中有无数颗恒星。但事实上,他们错了。
美国马萨诸塞大学的爱德华·哈里森在他《夜的黑:宇宙之谜》一书中写道:宇宙中的恒星数量并不足以覆盖整个天空,所以夜空是黑的,其实宇宙本身也不是无限大的。
借助于强大的太空望远镜,我们几乎可以看到最远的恒星。光从遥远的恒星传播到地球上需要几百万年,所以当我们遥望夜空深处时,就是在回顾历史。最强大的天文望远镜能帮助我们看到某颗在100亿年前发出的光的恒星。
宇宙的历史只有150亿年,天文望远镜越发达,我们就能看见越远的恒星,也就是越远古时期的景象。埃德加·爱伦·坡受到这个理论的启发,写下了许多带有恐怖和超自然色彩的小说、诗歌,其中有《渡鸦》、《告密的心脏》等。1848年,爱伦·坡在《我得之矣:一首散文诗》中写道:在漆黑的夜空深处,我们看到了宇宙诞生前的虚无。
按照哈里森的理论,爱伦·坡的诗刻画了一个真实的宇宙。就像他诗中写的“穿过群星,我们看到了宇宙的源头。”P3-5