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深度解析“奥伯斯佯谬”:我们的夜空为何是昏暗的?

如果宇宙真的是无限大,有无穷多颗的星星,我们是不是应该看到无数的光点?那么夜空是否应该如白昼般闪耀?——这就是著名的“奥伯斯佯谬”。

为什么夜晚的天空是昏暗的?最新的观测结果证实,宇宙里有超过2万亿个星系,而每个星系的恒星数量以银河系的最低标准2000亿颗计算,可推算出的宇宙中的恒星总数为4000万亿亿颗。而这4000万亿亿颗恒星已经发出光子达数十上百亿年之久,宇宙岂不早就应该充满光子了?

奥伯斯佯谬示意图

德国天文学家威廉·奥伯斯(Wilhelm Olbers)在1820年代仔细思索过这个问题,后人称这个问题为“奧伯斯佯谬”。而在那之前的几个世纪,天文学家与哲学家非常纳闷夜空为何是昏暗的,以及昏暗代表的宇宙本质。事实证明,这些学者确实触及了某些深奥的道理。

奥伯斯佯谬(又称“夜黑佯谬”或“光度佯谬”),是由德国天文学家奥伯斯于1823年提出,1826年修订,指若宇宙是稳恒态而且无限的,则晚上应该是光亮而不是黑暗的。在此之前,类似的想法已由开普勒于1610年提出,后来于18世纪爱德蒙·哈雷及夏西亚科斯(Jean-Philippe de Cheseaux)的作品中逐渐成熟。黑暗的夜晚印证了宇宙并非穏恒态的,是大爆炸理论的证据之一。

假如宇宙是穏恒态而无限,而且有无数平均分布的发光星体,则无论望向天上哪一位置都应该见到一粒星体的表面,星与星之间便不应有黑暗的位置,黑夜时整个天都会是光亮的。

更确切的表述是,如果宇宙是稳恒态、无限大、时空平直的,其中均匀分布着同样的发光体,由于发光体的照度与距离的平方成反比,而一定距离上球壳内的发光体数目和距离的平方成正比,这样就使得距地球的距离──全部发光体的照度的积分不收敛,黑夜的天空应当是无限亮的。

宇宙全景图

两种作用能对奥伯斯佯谬给予解释:

宇宙的年龄是有限的和红移,而后者是最重要的效应。(即使在稳态宇宙理论的模型中,也推论出宇宙是无限老和空间是无边际的,但夜空依然是黑暗的。)

1、宇宙的年龄是有限的。

这个解释指出有限速度的光要游遍宇宙的空间本身就是矛盾的,当我们遥望远处的空间,其实就是在回顾历史。最后,我们仍只能观察到有限年龄的宇宙。

有趣的是,作出相同解释的还有诗人爱伦·坡在1848年的散文诗《我得之矣》,诗中他写道:

“星星是连续不尽的,然后背景的天空将呈现一致的光亮,就像银河所显示的——因为不会有绝对的点,在那所有的背景中,星星将不复存在。因此,在那些,在这样的事态下,唯一的模式,我们可以体会到我们的望远镜在无数的方向上发现空隙,将假设无形的背景,因为距离的遥远,光芒从未能到达我们。”

红移现象

2、红移。

以有限的宇宙年龄所提供的星光来照耀天空时,导出了另一个问题:为什么看不见任何一点大爆炸的贡献?这原因是大爆炸本身的辐射因为宇宙膨胀的缘故,已经红移到微波的波长,成为宇宙的微波背景辐射。宇宙的膨胀也限制了可观测宇宙的大小,这意味着在此之外的光线到不了我们所在之处,这在光学效应下创造了有限的宇宙。

3、其它解释。

也有人提出另一种解释(奥伯斯本人就曾这样解释),指宇宙并非透明,远处星光会被宇宙间黑暗的星体,尘埃和气体阻隔,令极远处的光线只可以传播一段有限的距离而不能到达地球。然而这并不能解决问题,因为根据热力学第一定律,能量必定守恒,故此中间的阻隔物会变热而开始放出辐射,结果导致天上有均匀的辐射,温度应当等于发光体表面的温度,也即天空和星体一样亮,然而事实上并没有观察到这种现象。

开普勒认为奥伯斯佯谬论证说明宇宙是有限的,或最少是只有有限数量的星体。

分形学权威本华·曼德博提出了另一种不需基于大爆炸理论的解释:他指出若星体是以分形方式在宇宙间分布(例如类似康特尘埃),不用大爆炸理论也能解释奥伯斯佯谬。但他的理论是用于展示分形理论多于解释夜黑问题,从天文学观测亦没有证据显示星体以分形模式分布。

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