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奥伯斯佯谬:为什么宇宙一片黑暗?

为什么夜空不像太阳表面一样明亮?如果宇宙有无数的星星,那么可能是一样明亮的。毕竟,假如将太阳移动至距现在距离的两倍,就只有四分之一的光子到达地球,而且天空下太阳的面积也会下降到原来的四分之一,也就是太阳的单位面积强度保持不变。如果有无穷多的星星,让天空的每一处都有一颗星星,那么整个天空至少就像太阳这种普通的星星一样亮。

       

     

(我们说的“至少一样亮”是因为像明亮宇宙中的星星会开始从附近吸收热量,并且精确地描述星星吸热的过程对热力学和核物理理论都是学术上的难题。我们不指望星星能够降温,但也不希望他们无休止地升温。奥伯斯佯谬的产生是在物理学家发展恒星发光的核理论之前,因此,它从不关心恒星的年龄以及能量转换的细节怎样影响它们的亮度。)

       

     

夜空不像太阳一样明亮的理论就是我们提到的奥伯斯佯谬。它可以追溯到1610的开普勒,以及18世纪被哈雷(Halley)和谢诺(Cheseaux)重新讨论过,但直到19世纪奥伯斯提出问题后,这个佯谬才得以普及。

       

     

人们提出了许多这个问题的解释:

1.尘埃太多是看不到远处的星星;

2.宇宙中只有有限个恒星;

3.恒星分布不够均匀。举个例子,可能有无限多个星星,但是他们都互相遮掩使得只有一个有限的角落被它们照亮。

4.宇宙在膨胀过程中使遥远的恒星被红移以致变暗;

5.宇宙过于年轻,远方的光还未到达;

       

     

第一个解释完全是错误的,在黑体中,灰尘也会吸热。它会像辐射屏一样指数级地减弱远方的光亮。但是宇宙中这么多的灰尘不可能不遮蔽太阳的光而消除了其他足够多的光亮。

第二个解释的前提在技术层面在学术上可能是正确的,但是星星的数目尽管可能是有限个的,但仍然多到能照亮其余的天空,并且宇宙中所有的发光物质的输了不符合这个理论。为了照亮天空星星的数目是接近无穷大的。第三种解释可能是部分正确,我们只是不知道,如果星星呈分形分布,那么可能有大片的空白空间,除了小部分区域外,天空还是黑的。

       

     

但是最后两种可能肯定是完全正确地并且大部分有证据可循。有数值证明了宇宙的有限年龄可能有更大的影响。我们生活在一个“可观测宇宙”的球壳里,这个球壳的半径约是宇宙的寿命。超过1370万光年的物体(最新数据)由于离我们太远,它的光几乎不能到达地球。

       

     

从历史上看,在哈勃发现宇宙膨胀后,大爆炸理论被宇宙背景辐射的发现稳固建立前。奥伯斯佯谬的提出作为了狭义相对论的证据。红移消除星星的光亮确实有一定的影响,但是宇宙有限的年龄才是最重要的影响原因。

相关知识

奥伯斯佯谬(英语:Olbers' Paradox)又称奥伯斯吊诡、黑夜佯谬或光度佯谬,是由德国天文学家奥伯斯于1823年提出,于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·哈雷及契苏(Jean-Philippe de Cheseaux)等天文学家的研究中逐渐成熟。漆黑一片的夜空印证了宇宙并非稳恒态的,是大爆炸理论的证据之一。

       

     

在宇宙为稳态且无穷大,恒星都均匀分布其中的假设下,宇宙中有无穷多个发光星体,理论上足以将夜空照亮至比上图亮上许多的程度。但事实上我们见到的夜空反而如下图所示,除了较明亮的星体外近乎一片漆黑。

作者: math

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