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奥伯斯佯谬——亮如白昼的夜空?

奥伯斯佯谬:为什么夜空是黑的?

这个著名的佯谬是由1823年一位德国天文学家奥伯斯提出,不过。。。相信不少读者朋友在看到这个问题后的第一反应就是:这个科学家吃错药了吧!夜空不是黑的还能是什么?难道还应该同白天一般那么明亮吗?

奥伯斯

不要急,接下来让我们来看看当时到底发生了什么?

在那个年代,科学家们对于宇宙的研究,其理论基础是基于牛顿爵爷的万有引力理论,并且牛顿爵爷开创的经典力学体系一直是作为物理大厦的基础。在此前提下,科学家们心目中的宇宙是一个静态的、拥有无限时间和无限空间的集合体。

而这样的宇宙同样也遵循着宇宙学原理,即宇宙在空间大尺度上是均匀的、各向同性的。什么意思呢?也就是说,你随意跑到宇宙的任意一个位置上,之后随便朝一个方向观看,你会发现,看到的景象都是一样的。这里需要注意一点,景象一模一样是指空间大尺度范围,比如各星系之间,而不是局限在太阳系内这么一个小的范围。

在以上前提下,这样的宇宙理论被称为“牛顿宇宙学”。而奥伯斯佯谬正是建立在这样的基础上。

这时候让我们再回到开头第二段的疑问:难道夜空还应该同白天那般明亮吗?

我们知道,天空在白天之所以是明亮的,不仅仅是太阳光导致的,而中间最重要的就是大气层,要知道如果没有大气,那么从地面上观察宇宙,看到的景象应该和宇航员在太空中看到的是一样的,即太阳只是一个耀眼的光球,而四周都是较为黑暗的背景色。而由于存在大气,阳光在大气分子中散射开来,导致我们面向天空的任意一个方向都有光子进入我们的眼睛。

这时候问题就来了,既然太阳光照亮了地球,那么其的恒星光也能到达地球,并且静态无限的宇宙中存在着无数颗恒星,即便那些恒星距离地球非常遥远,以至于单个恒星光照射到地球上的亮度很微弱,但每个恒星亮度相互叠加,那样一来,地球的夜空应该拥有不低于白天的光亮呀?

奥伯斯佯谬的夜空

对于亮度叠加这一点,可以参考离我们250万光年左右的仙女星系,它里面的任意一颗恒星单独拿出来,我们的肉眼都是看不见的,但是那么多恒星构成的仙女星系却能在夜空中肉眼可见。

但实际上咱们的夜空的的确确是黑暗的(是指整个宇宙背景),这与方才的理论相违背啊!于是就有人提出,之所以导致地球的夜空是黑暗的,那时因为在遥远恒星的中间出现了遮挡物,那些低温的星际物质把阳光都遮住了,所以不会出现亮如白昼的黑夜。

但这种解释很快就被否定了,因为在无限时间上的宇宙,那些恒星发出的光将会加热那些物质,而处于一定温度的物质就可以发出可见光传播到地球,因此地球的黑夜仍将是光亮的。

佯谬一直持续着,直到一位美国诗人爱伦.坡的出现(1840-1849)

爱伦.坡

这位著名的诗人在他离世的前一年,发表了一部名为《我发现了》的散文诗,诗中有一段这么写着:

仰望银河,君可见背景片片无点状?夜空暗黑,原因仅此一桩,光行万里,发于恒星之初创,抵达地球未及时,只因路遥道太长。

这段散文诗很清晰的体现了一个观点:遥远恒星所发出的光还没来得及抵达地球。这就很明显的摆出了一个观点,时间是有限的,宇宙的具有年龄,因为年龄的局限,再加上光速并非无穷大,就导致了遥远恒星发出的光可能还在来的路上。不得不说,这一点和大爆炸理论正好一致。

不过这样的解释并没有被人们所重视,实际上奥伯斯佯谬在提出后,并没有得到足够的关注,以至于到了上世纪50年代物理学家霍伊尔提到了这个佯谬,并且用了一个新观点去解释,而这个观点就是宇宙膨胀导致的红移,那些遥远光线在经历了宇宙膨胀之后,全都进到了可见光以外的波段,所以人们就看不见了。

红移

这个观点听上去似乎很合理,但要注意一点,这位物理学家是稳恒态宇宙的提出者。虽然宇宙膨胀在大爆炸宇宙学中也具有重要地位,但这并不是导致夜空黑暗的主要原因。

随后物理学家爱德华·哈里森提出了新的观点,在大爆炸模型中,我们的可观测宇宙内所包含的恒星能量太少了,就如你想用一个普通的白炽灯去照亮一个足球场一样,即便不考虑宇宙膨胀对光所产生的红移,我们的夜空也仍将是黑暗的。

并且这位物理学家还计算了想要达到明亮夜空的要求,可观测宇宙内恒星的光度要在现有的基础上再提升数十万亿倍!

因此最后对于奥伯斯佯谬的解释就归结为以下几点:

① 根据宇宙大爆炸理论,宇宙存在的时间不算久,遥远的恒星光还在跑向地球的旅途上,算上宇宙膨胀速率,此刻140亿光年外的光线已经永远飞不到地球了,因为那里的膨胀速率和光速相等

② 可观测宇宙内的恒星总能量不达标,就如想用一个普通白炽灯去点亮整个足球场一样不切实际

③ 宇宙膨胀导致光线红移,部分光线人类已经无法识别

但如果不考虑可见光这个限制,假设人类可以看到所有波段,由于宇宙微波背景辐射的存在,咱们的夜空其实也不是黑的。不过如此一来,觉就难睡了!哈哈!

本篇文章的内容到此结束。

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