Спросите Итана: почему космос кажется чёрным?

https://www.forbes.com/sites/startswithabang/2016/05/21/ask-ethan-why-does-space-appear-black/#7b1c4b33495a
  • Перевод
image

Иногда самые простые вопросы и ответы на них порождают глубочайшие озарения. Среди присланных в нашу рубрику вопросов было много прекрасных и интересных, но на этой неделе чести получения ответа удостаивается читатель, спрашивающий о бездне глубокого космоса:
Может ли космос, который мы видим ночью, быть чёрным, потому что человек способен видеть не очень далеко?

Иначе говоря, почему ночное небо такое тёмное и лишённое света?



Если подумать, в этом нет смысла. И правда, ведь атмосфера у нас прозрачная, она позволяет нам заглядывать в глубины космоса, когда Солнце расположено с другой стороны нашего мира. Благодаря нашему расположению в галактике, лишь часть Вселенной скрыта от нас галактическим газом и пылью, блокирующим свет центральных участков Млечного пути. Но если бы мы жили в действительно бесконечной Вселенной, то в любом направлении взгляда через достаточно большое расстояние мы непременно натыкались бы на яркую точку света.



Мы, конечно, можем заглядывать в глубочайшие глубины космоса, где нельзя увидеть ни звёзд, ни галактик, ни невооружённым глазом, ни через обычные телескопы – мы можем заставить телескоп им. Хаббла глядеть в такие точки часами и днями. После этого мы обнаруживаем, что Вселенная на самом деле заполнена звёздами и галактиками. Миллионы, миллиарды и десятки миллиардов лет свет путешествует через Вселенную и доходит до нашего оборудования. Набор достаточного количества фотонов с такого огромного расстояния может занять время, но поскольку в обозреваемой части Вселенной содержится не менее 170 миллиардов галактик, можно задаться вопросом, а не бесконечно ли их количество.



В принципе, такое возможно, но только бесконечным не может быть видимое нами количество. В XIX веке Генрих Вильгельм Ольберс сообразил, что если бы Вселенная и правда была бесконечной, и в ней было бы бесконечно много звёзд, то рано или поздно, куда бы вы ни посмотрели, ваш взгляд наткнулся бы на поверхность звезды. Вы бы не видели галактики так, как мы их видим, поскольку они в основном состоят из пустоты. Вы бы видели все эти звёзды, плюс все звёзды в галактиках за ними, плюс все ещё более удалённые звёзды, и т.п. Пройдите по прямой миллиарды, триллионы, квадриллионы световых лет – рано или поздно вы упрётесь в звезду.



Простая математика: если взять бесконечное пространство с конечной ненулевой плотностью вещества, то взглянув из любого места в любом направлении, вы рано или поздно наткнётесь на это вещество, находящееся на конечном расстоянии. Если космос заполнен звёздами, пусть и редко, но зато бесконечно, и с одинаковой плотностью, то вы наткнётесь на звезду, куда бы вы ни смотрели. И избежать этого, сваливая всё на поглощающую свет пыль, не получится.



Математическая теорема, утверждающая, что свет звёзд со всех направлений рано или поздно дойдёт до вашего местоположения, применима ко всем участкам космоса, в том числе и к пыли. Со временем эта пыль разогреется так, что тоже начнёт светиться. Если бы эта была наша Вселенная – статичная, бесконечная, с бесконечно светящими звёздами – ночное небо вечно было бы ярким.



Что же нас спасает? Хотите – верьте, хотите – нет, но это Большой взрыв! Тот факт, что Вселенная не существует вечно, и поэтому мы можем видеть лишь звёзды и галактики, находящиеся на конечном расстоянии от нас – и получать конечное количество света и энергии от них – объясняет, почему в нашем ночном небе не наблюдается сколько угодно большого количества звёзд. Конечно, точек света, разбросанных по Вселенной, существует достаточно. Но видимое нами количество, ограниченное скоростью света и физикой расширяющейся Вселенной, конечно. Скорее всего, Вселенная гораздо больше, в ней есть больше звёзд и галактик вне пределов нашего взора, но они не могут освещать наше небо, поскольку с момента Большого взрыва прошло недостаточно времени, чтобы их свет дошёл до нас. Вселенная может быть бесконечной, но мы можем видеть только свет, шедший 13,8 млрд лет – время, прошедшее с Большого взрыва.



– Минуточку, – могли бы возразить вы, – Большой взрыв говорит о том, что в прошлом Вселенная была горячее и плотнее, поэтому сегодня мы должны видеть всё излучение этого состояния во всех направлениях! И это так и было, до того, как появились первыё звёзды и галактики; 13,8 млрд лет назад Вселенная была такой горячей, что в ней не могли возникать нейтральные атомы. А когда нейтральные атомы сформировались, то свет смог свободно путешествовать по прямым линиям, и сегодня он должен доходить до наших глаз постоянно и со всех направлений.


Приблизительно 1% телевизионной статики составляет реликтовое излучение

И мы на самом деле видим и принимаем этот свет, каждый раз, когда включаем старый аналоговый телевизор на 3-м канале. «Снег», который вы видите, происходит от различных источников – человеческие радиопередачи, Солнце, чёрные дыры, и всяческие иные астрофизические явления. Но примерно 1% от него происходит от остаточного свечения Большого взрыва: от реликтового излучения. Если бы мы могли заглянуть в микроволновую и радиоволновую части спектра вместо видимой части, мы бы видели ночное небо примерно одной яркости, без тёмных участков.



Именно комбинация двух фактов:

1. Вселенная существует конечное время,
2. мы можем видеть свет только видимой части спектра,

делает ночное небо тёмным. Единственная причина, по которой мы видим в ночном небе именно то, что видим – это то, что свет нашего солнце находится на участке в несколько тысяч кельвинов, поэтому мы и видим всё это: звёзды, галактики, и объекты, отражающие свет Солнца. Если бы мы могли видеть на участках спектра в несколько единиц кельвинов, всё ночное небо для нас было бы ярким. В каком-то смысле именно ограниченность наших органов чувств и подвигла нас на изучение Вселенной!
Поделиться публикацией
Никаких подозрительных скриптов, только релевантные баннеры. Не релевантные? Пиши на: adv@tmtm.ru с темой «Полундра»

Зачем оно вам?
Реклама
Комментарии 16
  • +1
    ссылку вида mailto: это вы хорошо так придумали…


    а вообще фотометрический парадокс инетресен даже не столько сам по себе, сколь своей историей — и формуилровки и попыток решения — как можно просто глядя в ночное небо задавать столь простые вроде бы вопросы и находить столь сложные на них ответы, и делать выводы, именно что космического масштаба из того, что простыми ответами — парадокс — не решается
    • 0

      Не очень понимаю, почему пыль должна светиться. Вполне может идти химическая реакция, переводящая энергию света в соединение, а не в тепло. И мы таких знаем кучу. Тот же банальный фотосинтез, поглощающий много эми и без полного переизлучения. Или солнечные батареи, подобная реакция может просто ионизировать газ и т.д.


      Или даже что нибудь более тонкое, чем химия, куда может уходить энергия.


      Да хоть чёрные дыры или какое нибудь необнаруженное свойство пространства, приводящее к конвертации волны в частицы.


      В общем аргумент с тем, почему большая по размерам (или бесконечная или замкнутая или...) вселенная не может быть темной ИМХО притянут за уши.

      • 0
        Энергия не уходит, она преобразуется. В случае с химическими процессами — в энергию связей. А теперь подумайте: если у вас бесконечная в пространстве и времени статическая Вселенная, то на каждый фиксированный объем её пространства будет отовсюду прилетать бесконечное количество энергии. Т.е. после некоторого порога вы в любом случае больше не сможете её накапливать локально и начнете переизлучать в электромагнитных волнах (ну или схлопнетесь в черную дыру, причем повсеместно).
        Хорошо, что она не бесконечная, по крайней мере, по времени.
        • 0
          И где там было сказано про «уходит»? Говорилось о переводе из в и конвертации.

          Ну, я ожидал подобного комментария, кто-то должен был ошибиться ;) Вы очень странно работаете с бесконечностями. Скажем так, разовьем Вашу мысль, ведь в бесконечной вселенной будет бесконечное количество источников и бесконечное количество поглощающего вещества. Вас это не смущает? Подумайте.

          А ответ очень простой — «это разные бесконечности», как говорил наш профессор в университете.

          На конечном участке пространства будет вполне себе конечное количество источников эми (которые конвертируют массу в эми) и поглотителя (чего-то, что конвертирует эми снова в массу). И если суммарная «мощность» поглотителя превышает мощность источника — вуаля, имеем черный космос.

          Касательно порога и больше не сможете накапливать, это очень странно, как бы и звдезды вечно светить не будут. Масса ушла в эми в одном месте (звезда) и перешла в массу в другом (поглотитель). Если принять Ваше допущение о бесконечной массе звезды, то я как бы вправе тоже предположить бесконечную массу поглотителя. Но не буду.

          А т.к. крупномасштабная структура вселенной у нас таки себе ячеистая, то на выходе получим как раз именно темную вселенную с видимыми галактиками.

          Почему я говорю о свойствах пространства, потому что вакуум это нифига не вакуум и эффект Казимира это демонстрирует. Поэтому может оказаться что даже не нужно искать химическую реакцию или эффект поглощения фотонов на атомах.

          В общем, я не оспариваю теорию большого взрыва, но не очень понимаю, почему считается, что любое поглощающее вещество должно полностью переизлучить энегрию. Хотя мы знаем примеры конвертации излучения в массу.

          P.S. Темная энергия\материя на роль поглотителя не подходит, пока не появился очередной комментарий. По крайней мере по текущим представлениям о них.
          • 0
            Я упрощу свою мысль.

            Автор статьи исходит из предположения, что конвертация дефекта массы звезды в фотон необратима ни при каких условиях. Даже если фотон поглотится где-то атомом, он перейдет в высокоэнергетическое состояние и переизлучит оный фотон. Т.е. с его точки зрения, масса, перешедшая в фотон навсегда останется фотоном.

            Именно это мне кажется в корне неверным. Фотон может конвертнуться в массу и не переизлучаться и мы такие примеры знаем. Через химические связи, ионизацию и я хз через что еще вплоть до рождения других частиц (лень искать ссылки).
            • 0
              В бесконечной вселенной будет не только бесконечное количество источников и бесконечное количество поглощающего вещества, но и бесконечное количество времени на его нагрев.
              Так что неизбежен равномерный прогрев всего объёма — где-то до температуры термоядерного синтеза.
        • 0
          Если бы мы могли видеть на участках спектра в несколько единиц кельвинов (тоже), а сигнал был бы пропорционален мощности, то мы снова увидели бы однородно чёрное небо, т.к. от солнца нам прилетает примерно 1кВт на квадратный метр в видимом и около того диапазоне, что гораздо больше.
          • 0
            Имеется в виду, что наши органы зрения просто игнорировали бы менее яркие объекты?
          • +1
            Не очень очевидно, почему бесконечное кол-во звезд должны заполнить свечением все небо. Если провести аналогию, то сумма последовательности 1/2^n стремится к единице при n=(1, беск), а вот 1/10^n даже близко к единице не подходит, хотя элементов бесконечное кол-во. Так что вопрос остается, почему звезды должны заполнить все пространство? если каждая следующая звезда(галактика) будет удалена от нас с расчетом, что ее видимый радиус уменьшается в 10раз, то пространство не заполнится никогда, разве нет? первая звезда занимает 10градусов неба(или в чем оно там измеряется), вторая 1градус, третья 0.1 градус и так далее.
            • 0
              Хотя там что-то про плотность говорится, наверно это исключает геометрическую прогрессию.
              • +1
                Да, вы тут делаете предположение что земля является центром вселенной, раз звезды расположены относительно неё по какому-то закону. При равномерном распределении звезд отношение их размеров очень быстро начнет стермиться к единице.
                • 0
                  Не обязательно. Есть звезды, галактики, скопления галактик, сверх скопления галактик и возможно и т.д., что в принципе логично. Вот Вам и геометрическая прогрессия. Так что, я согласен, бесконечная бесконечно существующая не расширяющаяся вселенная еще не означает полный засвет всего неба.

                  P.S. Кроме пыли в космосе есть еще черные дыры которые эффективнее поглощают свет (но их мало).
              • 0
                Все-равно заполнится. Т.к. при увеличении расстояния в 10 раз, количество звезд или другой светящейся материи находящихся на этом или меньшем расстоянии от наблюдателя увеличивается в 1000 раз (т.е. объем растет пропорционально кубу радиуса) если предполагать равномерную плотность заполнения пространства на крупных масштабах. В результате при увеличении расстояние в х10 раз от наблюдателя, видимые наблюдателю линейные размеры объектов уменьшаются в 10 раз, видимая площадь излучающей поверхности этих объектов уменьшается в 100 раз (квадрат линейного размера), но зато одновременно количество таких объектов оказывающихся в поле зрения увеличивается в 1000 раз и их общая видимая излучающая поверхность(площадь) растет в 10 раз.

                В результате при действительно бесконечной вселенной (как по расстоянию, так и по времени ее существования) все небо оказалось бы заполнено сплошной излучающей поверхностью без пропусков.
              • 0
                Мне кажется в статье смешали два явления и не сказали сколько каждое вносит в результат. Свет пролетая эти самые 13 миллиардов световых лет становится инфракрасным и сколько бы звезд дальше не было бы мы их не увидели бы? А если бы свет не растягивался, насколько ярче было бы наше небо?

                Ну, а то что небо будет ярким в микроволновом диапазоне тоже очень оптимистично… то-то строят такие сложные штуки чтоб хоть что-то разглядеть эти доли кельвина…

                • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
                  • 0

                    Темнота в космосе это отражение, твердой части пространства от ее стенок...

                    Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                    Самое читаемое