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奧伯斯佯謬

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銀河背後,就是漆黑的夜空。

奧伯斯佯謬(又稱夜黑佯謬光度佯謬)是由德國天文學家奧伯斯於1823年提出,於1826年修訂,指若宇宙是稳恆態而且無限的,則晚上應該是光亮而不是黑暗的。在此之前,類似的想法已由克卜勒於1610年提出,後來於18世紀愛德蒙·哈雷夏西亞科斯(Jean-Philippe de Cheseaux)的作品中逐漸成熟。黑暗的夜晚印證了宇宙並非穏恆態的,是大爆炸理論的證據之一。

假設[编辑]

奧伯斯佯謬的示意圖

假如宇宙是穏恆態而無限,而且有無數平均分佈的發光星體,則無論望向天上哪一位置都應該見到一粒星體的表面,星與星之間便不應有黑暗的位置,黑夜時整個天都會是光亮的。

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,这样就使得距地球距離──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。

解釋[编辑]

被接受的解釋[编辑]

兩種作用能對奧伯斯佯謬給予解釋:宇宙的年齡是有限的和紅移,而後者是最重要的效應。(即使在穩態宇宙理論的模型中,也推論出宇宙是無限老和空間是無邊際的,但夜空依然是黑暗的。)

宇宙的年齡是有限的[编辑]

這個解釋指出有限速度的光要遊遍宇宙的空間本身就是矛盾的,當我們遙望遠處的空間,其實就是在回顧歷史。最後,我們仍只能觀察到有限年齡的宇宙。

有趣的是,作出相同解釋的還有詩人愛倫·坡在1848年的散文詩《我得之矣》,詩中他寫道:

「星星是連續不盡的,然後背景的天空將呈現一致的光亮,就像銀河所顯示的——因為不會有絕對的點,在那所有的背景中,星星將不復存在。因此,在那些,在這樣的事態下,唯一的模式,我們可以體會到我們的望遠鏡在無數的方向上發現空隙,將假設無形的背景,因為距離的遙遠,光芒從未能到達我們。」[1]

紅移[编辑]

以有限的宇宙年齡所提供的星光來照耀天空時,導出了另一個問題:為什麼看不見任何一點大霹靂的貢獻?這原因是大霹靂本身的輻射因為宇宙膨脹的緣故,已經紅移微波的波長,成為宇宙的微波背景輻射。宇宙的膨脹也限制了可觀測宇宙的大小,這意味著在此之外的光線到不了我們所在之處,這在光學效應下創造了有限的宇宙。(參考有限年齡的論據。)

当然,哈勃发现的红移现象已经被大量的天文观测所证实,不容被怀疑,问题的实质在于,径向退行的多普勒效应是否这种红移现象仅有的解释?历史上,爱因斯坦在引入其“宇宙学项”之际,也曾对不用多普勒效应来解释哈勃红移的企图持否定态度[2]。显然,爱因斯坦认为这样的非多普勒红移并非是静态属性的,依然是时间相关的运动效应,因而不支持这种想法。但是,按照爱因斯坦等效原理,静态的引力场可以与运动性质的加速度等效,由此导致的引力红移纯粹就是一种静态效应,尽管这种爱因斯坦引力红移并不能解释哈勃的发现。

一个建立在无限宇宙前提下的理论,却可以解释宇宙膨胀以及加速膨胀的表象问题。该理论提出一种完全不同于退行多普勒效应的宇宙学红移机制,理论导出的红移-距离方程为[3]

Z = ln(1+HD/C),

式中,Z为红移量;H为哈勃常数;C为真空中光速;D为天体距离。在低红移宇宙尺度下,哈勃定律即为上式的极限。

这样一来,任何来自宇宙中更加遥远以至于无限远处的辐射,无论辐射源的性质如何,其红移过来的波长都会被观察到充分“饱和”在某个波段上,并不会像哈勃定律要求的那样有一个无限的红移。况且,如果依照哈勃定律的推论,在宇宙的任何方向上,辐射源都应该在宇宙中138亿光年远处被截断,似乎宇宙在那里有一个时空上的创生,这是哈勃定律自身的矛盾。 现在,如果认为宇宙是无限的,像上述红移方程所表述的那样,就可以避免哈勃定律带来的矛盾—不仅必然存在微波背景辐射,也不需要一个创生奇点的存在,而且来自无限远的处的辐射一定是不偏重任何方向。这就解释了为什么微波背景辐射会那么均匀和各向同性。因此,奥伯斯的疑问也可以这样来解释:夜空之所以黑暗,是由于非线性红移的结果,夜空中的“光墙”就是由无限远处来的红移光构成的微波背景,在人眼的可见光频率范围之外,这恰恰是无限宇宙的表象,不存在佯谬。

其它解釋[编辑]

也有人提出另一種解釋(奥伯斯本人就曾这样解释),指宇宙並非透明,遠處星光會被宇宙間黑暗的星體,塵埃和氣體阻隔,令極遠處的光線只可以傳播一段有限的距離而不能到達地球。然而這並不能解決問題,因為根據熱力學第一定律,能量必定守恆,故此中間的阻隔物會變熱而開始放出輻射,結果導致天上有均勻的輻射,温度应当等于发光体表面的温度,也即天空和星体一样亮,然而事實上沒有觀察到這種現象。

克卜勒認為奥伯斯佯谬論證說明宇宙是有限的,或最少是只有有限數量的星體。

分形學權威本華·曼德博提出了另一種不需基於大爆炸理論的解釋。他指出若星體是以分形方式在宇宙間分佈(例如類似康特塵埃),不用大爆炸理論也能解釋奧伯斯佯謬。但他的理論是用於展示碎形理論多於解釋夜黑問題,從天文學觀測亦沒有證據顯示星體以分形模式分佈。

資料來源[编辑]

  1. ^ Books Edgar Allan Poe Eureka--A Prose Poem
  2. ^ 相对论的意义(The Meaning of Relativity)/阿尔伯特.爱因斯坦著;郝建纲,刘道军译,上海:上海科技教育出版社,2001.12: 113-114.
  3. ^ 李志平,李然。暗能量问题解析:引力场中的惯性红移导致的宇宙加速膨胀现象[EB/OL].中国科技论文在线[2015-07-14],http://www.paper.edu.cn/html/releasepaper/2015/07/132/

相關條目[编辑]

參考網站[编辑]