存在 200 年的佯谬，至今仍然迷人

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存在 200 年的佯谬，至今仍然迷人


图片来源：ESA/Webb, NASA & CSA, A. Martel

撰文 | Jonathan Biteau et al.

1823 年 5 月 7 日，当黎明降临德国城市不来梅时，海因里希·奥伯斯（Heinrich Olbers，1758-1840）完成了一篇让他名垂青史的文章。他曾是一名眼科医生，但是在妻子和女儿去世之后，他便放弃原来的工作，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。在那个特殊的清晨，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，后来被成为奥伯斯佯谬。

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。在一个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。


在无边无际的森林里，视线都以树为终点。（图/PXhere）

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。

奥伯斯对此提出的解释是，来自更遥远恒星的光，被漂浮在太空中的尘埃或其他物质吸收了。但这一说法在后来遭到了英国天文学家约翰·赫歇尔（John Herschel，1792-1871）的反驳，赫歇尔指出，任何吸收了那么多光的东西，最终都应该会被加热到足以发光才对。

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（Edgar Allan Poe，1809-1849）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（“合一性”）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。

即使假设宇宙是无限的，如果它起源于过去的某个点，那么光到达我们眼中所花费的时间会限制我们所能看到的宇宙的大小。这种旅行时间将创造一个视界，在这个视界之外，遥远的恒星将无法企及。

然而，爱伦·坡的演讲并没有获得他所希望的热烈反响。同年晚些时候，他在散文诗《我发现了》中发表了他的理论，但这首诗流传度很低。次年，爱伦坡去世，年仅 40 岁。直到一个多世纪后，科学家才证实了，这位诗人对夜空之谜的直觉是对的。

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（Peter Scheuer）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。

在 20 世纪五六十年代，科学界对事实 2 和 2.5 的解读存在强烈争议。宇宙本质上是静止的，还是起源于一次大爆炸？然而，这两种观点的支持者都认同，他们需要解释夜空的黑暗。

恒星的一生

1964 年，英国宇宙学家爱德华·哈里森（Edward Harrison）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生命。

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。

后来，哈里森意识到，这个解决方案不仅爱伦·坡提出过，而且英国物理学家开尔文勋爵（1824-1907）在 1901 年也提出过。

20 世纪 80 年代的观测证实了爱伦·坡、开尔文和哈里森的结论。奥伯斯佯谬似乎也终于得到了平息。

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。


宇宙微波背景辐射。（图/ESA and the Planck Collaboration）

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。

现在我们知道，宇宙还被第二种更微弱的背景光照亮，这种背景光是由星系在形成和演化时产生的。这种光被称为宇宙紫外、光学和红外背景。

因此，奥伯斯佯谬也可以被解读为：天空并不黑，而是微弱地闪烁着在宇宙的有限生命中的所有事物的暗淡遗迹的辐射。

新的答案，新的问题

2023 年，奥伯斯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。

本文转载自微信公众号“原理”。

原文链接： https://theconversation.com/why- ... the-universe-206575

Biteau et al. 返朴 2023-06-23 08:01 发表于湖南