光速每秒約 30 萬公里,為什麼夜晚站在空曠的田野四周還是一片漆黑?
理論上光速那麼快,我們應該能遇見從宇宙(原提問者寫的「世界」有歧義)各地而來的光。
恭喜題主!您發現了奧伯斯佯謬。
奧伯斯佯謬是由德國天文學家奧伯斯於1823年提出,該理論指出若宇宙是穩定,無限且時空平直的,而且有無數平均分布的發光星體,則無論望向天上哪一位置都應該見到一粒星體的表面,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。
但是該佯謬卻和現實中觀測到的——夜晚的天空是黑暗的並不符合,於是科學家們便提出對該佯謬的兩種解釋:
1.宇宙的年齡是有限的
這個解釋指出有限速度的光要游遍宇宙的空間本身就是矛盾的,當我們遙望遠處的空間,其實就是在回顧歷史。最後,我們仍只能觀察到有限年齡的宇宙。
2.紅移
這個解釋指出我們看不到遠處的星光,是因為遠處恆星因為宇宙膨脹而不斷遠離我們。因此其發出的光線也不斷紅移,已經超出了可見光波段到達了紅外線乃至微波波段,人眼也就看不到了。
(此前這段宇宙微波背景輻射內容有誤,宇宙微波背景輻射是大爆炸時代產生的,在此道歉)
有一些答主提到了宇宙中有障礙物,使宇宙並非透明,遠處星光會被宇宙間黑暗的星體,塵埃和氣體阻隔,令極遠處的光線只可以傳播一段有限的距離而不能到達地球。(這也是奧伯斯本人對該佯謬的解釋)
然而這並不能解決問題,因為根據熱力學第一定律,能量必定守恆,故此中間的阻隔物會變熱而開始放出輻射,結果導致天上有均勻的輻射,溫度應當等於發光體表面的溫度,也即天空和星體一樣亮,然而事實上沒有觀察到這種現象。
參考資料:https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%A5%A7%E4%BC%AF%E6%96%AF%E4%BD%AF%E8%AC%AC
其實我看到這個題目描述的時候的確有理解到「全球各地的光為什麼無法到達黑夜中的空曠平原?」這個意思。
但是轉念一想又覺得題主不會這麼蠢吧不知道地球是圓的......
所以如果題目的意思是為什麼全球各地的光無法到達黑夜中空曠的平原,那麼答案就是:
地球是一個近似球體,而光在均勻介質中沿直線傳播。
我換一個角度,從實際結果方面回答這個問題,宇宙學關於原理方面的回答大家已經說過了,原因是因為宇宙年齡有限,光速有限,所以我們只能看到可觀測宇宙之內的宇宙,而不能看到可觀測宇宙之外的宇宙。因此我們從宇宙各處單位時間內接受的光子數目是有限的,如果觀測時間內接收不到足夠多的光子,自然看著就是黑色的了。
那麼對於可觀測宇宙,我們具體能夠接收到多少光子呢?
熟悉宇宙學的人都知道宇宙微波背景(CMB),相對應的,還有宇宙紅外背景(CIB),宇宙可見光背景(COB)。。。你甚至可以定義宇宙中微子背景和宇宙引力波背景。。。
這裡我們談談宇宙可見光背景。宇宙可見光背景(cosmic optical background, 指的是所有非銀河系的天體在可見光波段釋放的光子產生的背景)的輻射率/亮度,在綠光波段的估計值為 , 而太陽的總體的輻射率大概是 ,那麼太陽的輻射率將是這個背景的 倍 (此結果偏大,因為太陽輻射率還有部分來自紫外和紅外)。假設這個波段在綠光波段,那麼我們可以計算,人眼在夜空每0.1秒(人眼視覺暫留時間)接受來自於宇宙可見光背景,通過瞳孔(假設為10平方毫米),在0.01平方角分(人眼對夜空解析度取0.1角分)的550nm(能量是3.26E-19J)的光子數目: 答案是僅僅約有0.000018個,人眼至少需要3個可見光子才能引起視覺。因此!宇宙可見光背景亮度遠遠低於人眼視覺極限,除非人眼具有超能力,能夠長時間曝光,比如積分5個小時,才有希望看到宇宙背景光。
但是實際問題還要更複雜,以上答案實際上是對應於太空觀測,對於地面觀測並不是這樣。我們知道,大氣自身是有黑體輻射的,儘管黑體輻射峰值波段在紅外波段,但是仍然有殘留在可見光波段。實際大氣輻射在可見光波段的殘留輻射遠高於宇宙可見光背景,如下圖,在綠光波段甚至是宇宙背景輻射的十多倍。所以你只需要盯著夜空使用超能力看半個小時左右,就可以看到大氣輻射的「背景光」。在有光污染的地方,大氣對地面光源的反射會使得天空背景亮度會放大成千上萬倍,嚴重到幾乎可以目視,並影響正常的天文觀測,比如城市上面的黃色鈉燈光污染。因此,地面天文台址都要極力避免城市光污染,因而必須建在遠離人煙的地方。
在夜空極為良好的條件下,比如 暗空分類法 所說的地球最黑暗的地區。夜空中會有極為漂亮的黃道光,銀河此時也會變得極為明亮,極端情況下可以看到銀河系中心和黃道光照出的「影子」。
雖然高票回答的很精彩也獲得了幾千贊,但奧伯斯佯謬真的與題主的問題一丁點關係都沒有。
題主的問題本身是沒有邏輯的,「理論上光速那麼快,我們應該能遇見從世界各地而來的光」這句話,就像是在說「導彈速度那麼快,為什麼地球還沒毀滅」那樣沒有邏輯。
因為宇宙在膨脹
題主問題的正確答案:因為地球是圓的。
不從物理的角度,從生活的角度來看。晚上馬路邊都有路燈,很多路燈,路燈的間隔大約是30米左右吧,就算是這樣,在兩個路燈的中間位置,也會有小小的昏暗。若路燈的間隔不是30米,而是300米3000米30000米甚至更多,那兩路燈中間的位置就會非常昏暗,甚至可以說是漆黑一片。
從數學的角度,1/2+1/4+1/8+……最後的結果是一個固定的數字,不是無窮大。這個現象被稱為奧博斯佯謬。它正是宇宙膨脹的正確性的一個有力證據。
這其實是非常好的問題,為什麼億萬星辰無法點亮夜空。
1. 光速太慢
2. 宇宙太年輕
3. 宇宙在膨脹
題主將兩個無關的概念捏到一起了,即光的速度和光對田野的照度。估計題主不是學光學的,我從光度學角度解釋一下。
上課本!!!距離平方反比定律!!!
所以,為什麼聲速一般為340m/s,但以半徑1000米距離圍繞著你的一圈人在竊竊私語,你卻覺得世界很安靜?你說他們應該喊,那為什麼距離你一萬米的人在喊你還是聽不到?你說離得太遠了,那距離五米的人喊你聽到了,但那個人不是星星,是太陽。
或許對於精密的聲波探測器來說上述的情況不是安靜的,但對於你的耳朵,一定是安靜的。
之前沒有考慮過星星數量的問題,有知友提到如果是足夠多的星星數量可能也會產生可觀的照度。
太陽的視星等為-26.71等,滿月為-12.6等,金星最亮時為-4.6等星,全天最亮的恆星天狼星為-1.45等星,老人星為-0.73等星,織女星為0.00等星,牛郎星為0.77等星,兩顆星等數相差一等,它們的視亮度相差2.512倍(來源於百度百科"視星等")。而地面上看到的太陽表面光亮度約為15×10^8(L/cd/m/m),月亮表面約為0.3×10^4,輕度陰天下的白雲天空約為0.3×10^4;可見天狼星的亮度遠不及陰天天空。現在想像一下所有的星星都和天狼星一樣亮;無數個天狼星對地球的照射,相當於一個亮度等於天狼星的半球面面光源罩在地球上的效果,結論是照亮情況遠不及陰天時候。而事實情況是絕大多數星星還比天狼星暗得多,所以更不可能照亮地面了。
所以是不是可以說,即使地球能接受到整個宇宙星體發出的光,也照不亮地面?
這個問題可以有確切的物理學解釋,首次系統闡述這個問題的科學家叫海因里斯·奧伯斯。他提出的問題是:「夜空為何一片漆黑?」早期的假設有:宇宙的尺度有限,光傳播越來越弱,恆星之間的光彼此遮擋,宇宙塵埃遮擋恆星的光等等。然而這許多都是錯誤的,在時間無限的假設下都無法成立。
首先光是直線傳播,由於地球是球體,你無法觀察到世界各地的光。然後站在宇宙角度探討這個問題:
一、宇宙大爆炸
宇宙誕生於一次大爆炸。哈勃定律,宇宙輕元素丰度,微波背景輻射等觀測數據都支持這個理論。故宇宙的時間、空間尺度是有限的。
二、宇宙膨脹
由於宇宙大爆炸後的膨脹,導致一些久遠的天體在加速遠離我們。由於多普勒效應,其發出的光不斷紅移,甚至有的根本無法傳到地球,這導致了可觀測宇宙存在邊界(直徑910億光年)。
三、微波背景輻射
即便沒有任何光源,也不是徹底漆黑。宇宙大爆炸最開始的光,以微波背景輻射的形式瀰漫在宇宙,如果肉眼能看到,那自然不是一片漆黑。
知乎第一答,其實這個問題只是涉及光能量隨距離的衰減和人眼的可見波段和光敏度,不用扯到什麼奧伯斯佯謬,
自然光源從遠處看大多數可以處理成點光源,那麼光從光源出發,光能量會按著距離的二次方反比例衰減,所以如果一公里以外有一根蠟燭,蠟燭發出的光是有很大幾率能傳播到你的眼睛裡的。
但是這裡就要涉及到人眼的感光度了,人眼對所見物的積分時間是有限,是通過控制瞳孔大小來適應環境的明暗,即便有光進入你眼睛,但是能量太低(光子太少),你看到的依然是漆黑一片,簡單的說就是,你看不見的不一定不存在。
舉個栗子,看下數碼相機長曝光下的夜晚,下圖是晚上只有一點月光的情境下拍攝的
什麼?月亮太亮了?那來看看,只有星星的情況吧……
題主的漆黑一片的野外說不定是這個樣子
太多栗子了,大家網上自己搜下長曝光夜景就好。
圖片來自網路,侵刪
最後說一下,不用講宇宙大小,不用講宇宙輻射,不用考慮非可見光波段,人看不見,跟光速沒關係,你就是看不見而已……哪能這麼說。
我們姑且不論什麼無限森林假說。也不管什麼宇宙膨脹,什麼塵埃雲暗物質紅移藍移。
我們就說一下現實生活中的例子。
你晚上在床上蒙著頭睡覺,你隔壁鄰居開著燈,你卻看不到你鄰居家的光。這是為什麼?
因為有牆擋著啊。可見光不能穿透大部分物質。
就算你鄰居家的光,經過無數次的反射到達了你的被窩裡,所剩無幾的幾個光量子,也並不能引起你的視錐細胞反應。光會被反射物吸收。
你老婆拿著一隻螢火蟲站在離你一百公里的山上,拚命向你揮手,你卻毛也看不到。為什麼?因為螢火蟲不夠亮啊。光在傳播的過程中會損耗。
跟光速沒關係。
能遇到~但是宇宙的空間尺度大到太陽系以外某個星體發出的光子,擊中你視網膜的概率就跟你一生中每走一步都踩到一隻吃了鴿子的貓拉出來的便便一樣低。但是高等級星你仍然能看到,一是因為亮,二是因為近。
你感覺一片漆黑,僅僅是因為人類眼睛不夠靈敏而已~又或者這才是保證人類能夠識別真正有用的視覺信息的機制。宇宙膨脹和空間中的引力作用,會引發紅移和視星等的變化。
哈勃太空望遠鏡的紅外相機曝光一個月,太空如煙火一般璀璨。
其實是有微波的背景的,只是肉眼看不到。
雖然這個提問比較無厘頭,特別是那句「光速那麼快,我們應該能遇見從世界各地而來的光」,但是大家也不要忘記思考一個問題——「明明宇宙中有那麼多發光的恆星,為什麼夜空卻是黑色的?」
記得n年前,我曾在《天文愛好者》雜誌上讀過一篇文章,大意是闡述夜空呈黑色的原因。具體內容我早已忘記(裡面還給出了公式)。鑒於手頭翻不到當年訂閱的雜誌,所以我重新看了點資料,暫且作粗淺解釋如下。
第一,受限於光速,那些過於遙遠的天體所發出的光線,尚沒有抵達我們眼中,當然不會為我們所察覺。甚至我們看到不少「黑暗」區域,其實是由於那裡的光線根本還沒有被發出,即在那些區域天體都還沒有誕生。可以被我們觀測到的有限的光亮,自然照不亮無限的空間。
第二,宇宙正在加速膨脹。除了我們自己所在的星系團(室女座超星系團),其它星系團都會加速遠離我們,這種遠離將帶來紅移現象。紅移現象是指當光源遠離我們時,我們觀測到的波譜會向紅光移動。即那些星系在我們看起來會「變紅」,而且會「越來越紅」(哈勃定律,大致意思是離我們越遠的天體,遠離的速度越快,紅移也就增加)。紅到一定的境界,天體發出的光就成了紅外線,不能再被肉眼所觀測。因此,未來的宇宙將變得更黑暗。
(其實換句話說,天體還是在發光的,只不過不是對我們而言的可見光罷了)
蒼穹無界,星辰無限,微亮不失燦爛。
聚沙成塔勝驕陽,又何故、夜空黑暗?推敲佯謬,斟酌根本,宇宙無垠錯判。
時空有限路迢迢,光還在、旅途興嘆。
——窮夢 詞說科學——《鵲橋仙·夜空為什麼是黑的》
國家每秒印製超過30000元,可為什麼你站在家門口依舊是囊中羞澀一毛沒有?
因為本來就半毛錢關係都沒有。
題目明明是世界各地,結果大家一個勁的科普宇宙恆星,背景輻射。
可能不是一個世界吧,我的世界各地只有地球。各位大佬的世界各地包含了整個宇宙。
真的是好有意思。在座的各位看到世界各地這四個字,有人會想到宇宙嗎?知乎真的是人才輩出的地方啊。
人家從世界各地跳躍到浩瀚宇宙那叫乾貨,好!
我從光速看見光到印鈔速度賺到錢,就叫垃圾。
各位知乎小將,雙標666。
這後面的問句和Olbers那個問題有關倒是沒錯。
這和光速快有什麼關係?
不知道,你問的是什麼?我也就莫名其妙的回答一下。
首先,地球上的光,當然並不會看見,因為那些光線並不是沖著你來的。他們都歡快地沖向四面八方而去了。
其次,宇宙里的光,因為你的眼睛的接受光線能力,實在太弱,所以看不見 。
如果你有哈勃望遠鏡,那麼強大的光線接受能力,那你隨便往哪裡一望,都是遍地的星星。
還有,宇宙里的星星,雖然多,但是,空間是更加的大。即便有無數的星星,也仍舊填不滿這無限大的空間。
所以宇宙里絕大部分的地方都是黑的,亮的地方,其實非常少。
光的速度和夜晚田野漆黑不漆黑沒有關係
關鍵是能不能射到你
夜晚你在太陽這個大光源背面,沒有光射到你,波的速度越快衍射越低。所以光速越慢理論上越能射到你。
還有這個問題標籤是汽車二手車是什麼鬼??
這是人類進化的結果,這跟眼睛工作的機制有關,有些光可見有些不可見,。
白天陽光強的時候,周圍事物的反光有時幾乎要亮瞎了眼睛的。要是晚上看起來很亮,那麼白天眼睛就瞎了。
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