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奧伯斯佯謬

奧伯斯佯謬奧伯斯佯謬
奧伯斯佯謬由德國天文學家奧伯斯於1823年提出,於1826年修訂,是指若宇宙是穏恆態而且無限的,則晚上應該是光亮而不是黑暗的。在此之前,類似的想法已由開普勒於1610年及夏西亞科斯於十八世紀提出。黑暗的夜晚印證了宇宙是非穏恆態的,是大爆炸理論的證據之一。奧伯斯佯謬又稱夜黑佯謬或光度佯謬。

1 奧伯斯佯謬 -介紹

奧伯斯佯謬大爆炸理論
奧伯斯佯謬
Olbers paradox

1826年,德國天文學家H.W.M.奧伯斯指出,一個靜止、均勻、無限的宇宙模型會導致如下結論:黑夜與白天一樣亮。但實際上夜空卻是黑的。理論同觀測的這種矛盾稱為奧伯斯佯謬。採用天體之間有吸光物質、天體壽命有限或天體有演化、引力常數隨距離而變化等都難以解決奧伯斯佯謬。在現代的膨脹宇宙模型里,奧伯斯佯謬不存在。這個矛盾是從觀測和理論相聯繫的角度考慮宇宙的大尺度性質時提出來的。它標誌著科學的宇宙學的萌芽。

靜態宇宙的觀念是如此之強,以致於那些意識到引力理論導致宇宙不可能靜態的科學家們並沒有提出宇宙在膨脹,而是試圖去修正他們的理論。甚至愛因斯坦於1915年發表其廣義相對論時還非常肯定宇宙是靜態的。因此他不得不在他的方程中引進一個所謂的宇宙常數來進行修正。他引入一個「反引力」,這個力是無源的,是空間-時間結構所固有的。他宣稱空間-時間內在膨脹的趨勢,剛好可以平衡宇宙間各物質的相互吸引,結果形成了靜態的宇宙。這個理論在以後被愛因斯坦稱為是「一生中最不可原諒的錯誤」。

對於無限靜止的宇宙首先發難的通常歸功於德國哲學家亨利希·奧伯斯。1823年他提出了著名的「奧伯斯佯謬」。他指出,如果宇宙是無限靜止的和均勻的,那麼觀察者每一道視線的終點必將會終結在一顆恆星上。那麼不難想象,整個天空即使是在夜晚也會象太陽一樣明亮。有人提出反駁:遠處恆星的光線被它經過的物質所吸收而減弱。其實這看似有理的反駁是站不住腳的因為吸收光線的物質將最終被加熱到發出和恆星一樣強的光為止。無限靜態宇宙只有一種情形能避免夜空象白天一樣明亮,那就是:恆星不是在無限久遠以前就開始發光。在這種情形下,光線所經過的物質尚未被加熱,或者遠處的恆星光線尚未到達地球。於是又面臨著一個問題:是什麼使恆星第一次發光?這就是人類探索了無數世紀的問題——宇宙起源。

1781年,哲學家伊曼努爾·康德在他的里程碑式的著作《純粹理性批判》中深入的辨析了宇宙在時間上有無開端、空間上有無極限的問題,他稱這個問題是純粹的二律背反(即矛盾)。他論證道:如果宇宙沒有開端,則任何事件前都必有無限的時間,這是荒謬的;而如果宇宙有一個開端,那麼宇宙開端前是什麼時間呢?康德認為正反兩方面都存在令人信服的論據。事實上他的論證基於了一個隱含的假設,即不管宇宙是否存在了無限久,時間都可以無限地倒溯回去。但即將談到的大爆炸學說將讓人們理解:在宇宙開端之前的時間概念是沒有意義的。

2 奧伯斯佯謬 -假設

奧伯斯佯謬的運動

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。

更確切的表述是,如果宇宙是穩恆,無限大,時空平直的,其中均勻分佈著同樣的發光體,由於發光體的照度與距離的平方成反比,而一定距離上球殼內的發光體數目和距離的平方成正比,這樣就使得對全部發光體的照度的積分不收斂,黑夜的天空應當是無限亮的。

3 奧伯斯佯謬 -解釋

奧伯斯佯謬奧伯斯佯謬
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

這個解釋指出有限速度的光要游遍宇宙的空間本身就是矛盾的,當人們遙望遠處的空間,其實就是在回顧歷史。最後,仍只能觀察到有限年齡的宇宙。相同的解釋卻是出自詩人愛倫·坡在1848年的我得之矣(一首散文詩),在其中他寫道:「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。」

紅移

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,已經紅移到微波的波長,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。)

其它解釋

也有人提出另一種解釋(奧伯斯本人就曾這樣解釋),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,溫度應當等於發光體表面的溫度,也即天空和星體一樣亮,然而事實上沒有觀察到這種現象。

開普勒認為奧伯斯佯謬論證說明宇宙是有限的,或最少是只有有限數量的星體。

分形學權威曼德勃羅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。

4 奧伯斯佯謬 -參考資料

[1] 維北有斗 http://samuel.lamost.org/basic/dict/baike/twdbk27580.html

[2] 中國礦業網 http://app.chinamining.com.cn/Newspaper/E_Mining_News/2008-03-12/1205306415d14157.html

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