一宇宙悖論曾讓克卜勒走投無路,80年代前所有教科書都回答錯誤

2020-12-05 天文同好樂園

早在克卜勒時代,關於我們的宇宙到底是有限的還是無限的,就存在著無盡的爭論。當時的天文學家們也認識到:如果宇宙是均勻和無限的,那麼不管我們往夜空的何處看,都會看到從無數個恆星發出的光。凝視夜空中的任一點,我們的視線將最終接觸到不計其數的恆星,接收到無限數量的星光。因此,夜晚的天空應該是一片火海,明亮無比。但事實是,夜晚的天空除了遙遠的幾千個閃爍的光點,背景一片漆黑。為什麼會這樣?

這就是著名的「奧爾貝斯悖論」。這個悖論與肉眼觀察到的宇宙現狀有關,它看上去很簡單,卻使當時的很多天文學家和哲學家無比苦惱。著名天文學家克卜勒也曾被這個悖論折磨得走投無路,只得推測:宇宙是有限的,宇宙的邊緣有一個外殼包圍著,因此只有有限數量的星光能夠到達我們的眼睛。不僅克卜勒沒能給出準確的答案,幾個世紀以來天文學家們對這個悖論的回答可以說混亂不堪,以至於在1987年以前,幾乎所有的天文學教科書給出的答案都是不正確的。

起初,包括天文學家奧爾貝斯本人在內,相當一部分天文學家認為星光是被塵埃雲吸收了。奧爾貝斯曾說道:「地球是多麼幸運啊,不是天穹每一點的星光都能到達地球,要不然地球上的亮度和熱度將不可想像,比我們經受的要高90000倍。」他進而提出,銀河系的中心本應特別耀眼,但它實際藏在了塵埃雲的背後,塵埃雲吸收了大量的熱,所以地球上的生命才能夠生存。

奧爾貝斯的觀點有一部分是正確的,比如他說塵埃雲遮擋了銀河系的中心。但他的觀點並不能真正解釋「奧爾貝斯悖論」,因為當塵埃雲大量吸收了來自無數恆星的星光,最終將和恆星一樣會發光,因此,夜空中的塵埃雲也不應該是黑暗的。

另一部分天文學家又假定:夜空之所以是黑的,是因為恆星離得越遠越暗淡。這樣的回答一部分也是對的,但同樣不能解釋這個悖論。夜空中非常遙遠的恆星的確很暗,但是看得越遠,看到的恆星就會越多,在均勻的宇宙中這兩者的效果互相抵消,夜空仍然應該是明亮的。(這是因為星光的強度隨距離的平方減小,恆星的數量隨距離的平方增加,兩者相互抵消。)

非常有意思、非常奇怪的是,天文歷史上第一個解決這個悖論的人卻是一位業餘天文愛好者,名叫埃德加·艾倫·坡,他同時也是一位作家。他在一片散文中不經意的闡述卻完美地解釋了「奧爾貝斯悖論」。他的觀點是,之所以夜空是黑的,是因為光線的速度是恆定的,而遙遠距離上的恆星發出的光還沒能達到我們這兒。

毫無疑問,就目前天文學研究得出的公認的結論,那位業餘天文愛好者的說法是正確的。宇宙是無限的,但宇宙不是無限的老,宇宙有起源,能夠達到我們眼睛的光線有一個有限的截止點,從最遙遠恆星發出的光還來不及到達地球。也就是說,當我們仰望夜空時,看到的是宇宙過去的樣子,光速雖然很快但仍然是有限的,光從遙遠的恆星到達地球需要足夠的時間。

事實上,當代天文學研究已經能很好解釋「奧爾貝斯悖論」,一方面是因為光速的限制,很多星光沒能抵達地球;另一方面是因為恆星的壽命有限,一般只有幾十億年,很多恆星已經死亡不再發出可見光。但更嚴格地來說,其實我們頭頂的夜空根本不是「黑」的,而是充滿了人眼不可見的微波輻射。如果人眼能夠看到微波輻射,我們就會看到來自宇宙大爆炸的輻射均勻地布滿了整個夜空。

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