為什麼宇宙一片黑暗?

2020-12-05 天文在線

為什麼夜空不像太陽表面一樣明亮?如果宇宙有無數的星星,那麼可能是一樣明亮的。畢竟,假如將太陽移動至距現在距離的兩倍,就只有四分之一的光子到達地球,而且天空下太陽的面積也會下降到原來的四分之一,也就是太陽的單位面積強度保持不變。如果有無窮多的星星,讓天空的每一處都有一顆星星,那麼整個天空至少就像太陽這種普通的星星一樣亮。

(我們說的「至少一樣亮」是因為像明亮宇宙中的星星會開始從附近吸收熱量,並且精確地描述星星吸熱的過程對熱力學和核物理理論都是學術上的難題。我們不指望星星能夠降溫,但也不希望他們無休止地升溫。奧伯斯佯謬的產生是在物理學家發展恆星發光的核理論之前,因此,它從不關心恆星的年齡以及能量轉換的細節怎樣影響它們的亮度。)

夜空不像太陽一樣明亮的理論就是我們提到的奧伯斯佯謬。它可以追溯到1610的克卜勒,以及18世紀被哈雷(Halley)和謝諾(Cheseaux)重新討論過,但直到19世紀奧伯斯提出問題後,這個佯謬才得以普及。

人們提出了許多這個問題的解釋:

1.塵埃太多是看不到遠處的星星;

2.宇宙中只有有限個恆星;

3.恆星分布不夠均勻。舉個例子,可能有無限多個星星,但是他們都互相遮掩使得只有一個有限的角落被它們照亮。

4.宇宙在膨脹過程中使遙遠的恆星被紅移以致變暗;

5.宇宙過於年輕,遠方的光還未到達;

第一個解釋完全是錯誤的,在黑體中,灰塵也會吸熱。它會像輻射屏一樣指數級地減弱遠方的光亮。但是宇宙中這麼多的灰塵不可能不遮蔽太陽的光而消除了其他足夠多的光亮。

第二個解釋的前提在技術層面在學術上可能是正確的,但是星星的數目儘管可能是有限個的,但仍然多到能照亮其餘的天空,並且宇宙中所有的發光物質的輸了不符合這個理論。為了照亮天空星星的數目是接近無窮大的。第三種解釋可能是部分正確,我們只是不知道,如果星星呈分形分布,那麼可能有大片的空白空間,除了小部分區域外,天空還是黑的。

但是最後兩種可能肯定是完全正確地並且大部分有證據可循。有數值證明了宇宙的有限年齡可能有更大的影響。我們生活在一個「可觀測宇宙」的球殼裡,這個球殼的半徑約是宇宙的壽命。超過1370萬光年的物體(最新數據)由於離我們太遠,它的光幾乎不能到達地球。

從歷史上看,在哈勃發現宇宙膨脹後,大爆炸理論被宇宙背景輻射的發現穩固建立前。奧伯斯佯謬的提出作為了狹義相對論的證據。紅移消除星星的光亮確實有一定的影響,但是宇宙有限的年齡才是最重要的影響原因。

相關知識

奧伯斯佯謬(英語:Olbers' Paradox)又稱奧伯斯弔詭、黑夜佯謬或光度佯謬,是由德國天文學家奧伯斯於1823年提出,於1826年修訂,指若宇宙是穩恆態而且無限的,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·哈雷及契蘇(Jean-Philippe de Cheseaux)等天文學家的研究中逐漸成熟。漆黑一片的夜空印證了宇宙並非穩恆態的,是大爆炸理論的證據之一。

在宇宙為穩態且無窮大,恆星都均勻分布其中的假設下,宇宙中有無窮多個發光星體,理論上足以將夜空照亮至比上圖亮上許多的程度。但事實上我們見到的夜空反而如下圖所示,除了較明亮的星體外近乎一片漆黑。

作者: math

FY: 相裡三石

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