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奥伯斯佯谬(olbers paradox)
奥伯斯佯谬由德国天文学家奥伯斯于1823年提出,于1826年修订,是指若宇宙是穏恒态而且无限的,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年及夏西亚科斯于十八世纪提出。黑暗的夜晚印证了宇宙是非穏恒态的,是大爆炸理论的证据之一。奥伯斯佯谬又称夜黑佯谬和光度佯谬。
假设
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,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,这样就使得对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。
解释
因为光速有限,看起来愈远的星体年代就愈久远,故此星体在空间平均分布亦代表在时间上平均分布,而无数平均分布的星体就表示宇宙已存在了无限长的时间,而且星体的性质一直没有大改变。宇宙的有限年龄是解释奥伯斯佯谬最重要的一点。
科学解释
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。
因为光速有限,远处的星光最远亦只能传送至以其年龄为光年量度的有限距离,故此我们仍未能看见这些极远处的星光,即可观测宇宙是有限的。这想法最先由爱伦·坡于1848年提出。最广为接受的大爆炸模型指出宇宙年龄约有137亿年,因此光线最长亦只能传送了137亿光年之远。故此,即使在地球以外任何方向都存在星体,超过这个距离的星体光线仍未能传送到地球。
但因为大爆炸的光线强得不可思议,而且向每一方传播,以上解释未能完全解决夜黑的问题。然而在广义相对论之下,大爆炸产生的光线被大幅红移而成为低能量的宇宙微波背景辐射,故此对奥伯斯佯谬的真正解释,是一切远处的星光都被红移,而并非直接基于有限的宇宙年龄 (虽然在很多理论中红移和宇宙年龄都有关系)。
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,然而事实上没有观察到这种现象。
分形学权威曼德勃罗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碎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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奥伯斯佯谬的运动
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,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,这样就使得对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。 |
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被接受的解释
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。)
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。 讽刺的是,相同的解释却是出自诗人爱伦·坡在1848年的我得之矣(一首散文诗),在其中他写道:
"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
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霹雳的贡献?这原因是大霹雳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。(参考有限年龄的论据。) |
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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。
分形学权威曼德勃罗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碎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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