200年的佯谬,至今仍然迷人

作者: Jonathan Biteau et al.

来源: 原理

发布日期: 2023-06-23 08:01:29

200年的佯谬,至今仍然迷人。奥伯斯佯谬探讨了夜空黑暗的原因,涉及宇宙的无限性、恒星的寿命、宇宙微波背景辐射等多个科学理论和观测结果。

200年的佯谬,至今仍然迷人。1823年5月7日,海因里希·奥伯斯完成了让他名垂青史的文章。他曾是眼科医生,但在妻子和女儿去世后,他放弃原来的工作,全身心地投入到对夜空的探索中。虽然奥伯斯是自学天文学,但他在学术界享有很高的声誉。他经常在家楼上的天文观测点,通宵达旦地仰望星空。在那特殊的清晨,奥伯斯得出了一个奇怪的结论:基于当时对宇宙的所有认知,夜空不应该是黑暗的,整个天空都应该像太阳一样明亮。

这一结论,后来被称为奥伯斯佯谬。

无限宇宙中有限的光。和许多同时代的人一样,奥伯斯也追随牛顿和笛卡尔的思想,相信宇宙是无限的。因为如果宇宙是有限的、静止的,那么引力应该会把所有的恒星拉到一个中心点上;但如果宇宙是无限延伸下去的,那么平均来说,引力在各个方向上都是平衡的。但奥伯斯意识到,这个宇宙模型与观测结果不一致。

在布满了无数恒星的无限宇宙中,无论我们在夜晚看向何处,我们的目光都应该落在恒星的表面,就像身处森林时,目光所及应该都以树为终点一样。因此,在1823年5月7日的文章中,奥伯斯就提出:当时的宇宙学模型表明,天空中的每一点都应该和太阳表面一样明亮,不应该有黑夜。

诗人的直觉。在大西洋的另一边,美国诗人兼作家和诗人埃德加·爱伦·坡认为他找到了答案。1848年2月3日,他在纽约社会图书馆向60名听众公开发表了他的想法。爱伦·坡游走在形而上学和科学之间,他认为宇宙是从物质的一种单一状态中出现的,这种状态在斥力的作用下破碎和分散。这种观点意味着,宇宙是一个有限的物质球。如果在有限的宇宙中只有少量的恒星,那么我们就不会在每个方向都看到恒星,夜晚就可以是黑的。

两个半事实。在20世纪上半叶,在爱因斯坦广义相对论的推动下,许多关于宇宙的新理论得以发展。广义相对论以新的方式解释了引力、空间和时间。在20世纪下半叶,这些宇宙学理论开始通过观测得到验证。

1963年,英国天文学家彼得·舒尔认为,宇宙学是仅仅建立在“两个半事实”的基础之上的理论:事实1:夜空是黑的;事实2:哈勃在1929年发表的观测结果显示,星系正在远离彼此;事实2.5:宇宙中的一切可能随着宇宙时间的展开而演化。

恒星的一生。1964年,英国宇宙学家爱德华·哈里森解决了这个矛盾。他指出,决定夜空亮度的主要因素实际上是恒星有限的寿命。在可观测的宇宙中,恒星的数量是非常庞大的,但也是有限的。这些有限的恒星燃烧的时间也有限,它们分布在巨大的体积上,让黑暗在恒星之间显现出来。

古老的光。事实真的如此吗?从另一个角度来看,这个佯谬还有另一种解释:夜空实际上并没有那么黑。

在20世纪20年代末发现宇宙膨胀之后,科学家开始意识到,宇宙在最初的时候可能是非常紧凑、致密和高温的。这就是我们今天的热大爆炸模型。该模型的一个核心预测就是存在来自宇宙之初的古老光芒。现在,我们已经成功地观测到这些古老的光,只不过不是通过肉眼,因为膨胀的宇宙会把这些光的波长拉长。这种辐射,就是宇宙微波背景辐射,它于1964年被探测到。现在,在精确仪器的测量下,这种背景辐射是宇宙中最常见的光。

新的答案,新的问题。2023年,奥尔伯佯谬已经发展成为一个丰富的研究领域。在这些研究工作中,科学家对夜空的亮度进行了越来越精确的测量,并用超级计算机模拟了宇宙中的恒星。现在,科学家已经可以非常准确地确定天空中的恒星数量。然而,谜题依然存在。去年,在冥王星轨道之外、远离内太阳系尘埃的位置,新视野号太空探测器发现,天空的亮度是预期的两倍。因此,天空黑暗的问题仍然存在,这是一个跨越了时代和文化的谜题。

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