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奧伯斯佯謬:夜裏爲什麽這麽黑?

2020 年 2 月 10 日 芝麻思维

視頻加載中…

1823年,德國天文學家奧伯斯,提出了這樣一個問題:黑漆漆的夜空,爲什麽這麽黑?

看到這個問題,相信很多人的第一反應是:黑夜給了我黑色的眼睛,我卻用它來翻白眼……夜裏不黑,那叫白夜!

奧伯斯佯謬:夜裏爲什麽這麽黑?

奧伯斯可不是這麽想的,他認爲:如果宇宙是無限的,那麽恒星也是無限的。它們均勻地布滿了整個天空,這些“星光”彙聚起來,足以讓黑夜猶如白晝一般明亮。

奧伯斯佯謬:夜裏爲什麽這麽黑?

這……好像有那麽點道理?!問題突然複雜起來了。

有著同樣困惑的科學家,其實不止奧伯斯一人。早在1610年,開普勒就在寫給伽利略的信中,舉了一個非常精妙的比喻:如果宇宙和恒星數量是無限的,地球就好比處在茂密森林的中心,無論從哪個角度望去,都只能看到一棵棵的樹幹連成了一片,沒有任何空隙;只有身處稀稀拉拉的小樹林的時候,才能透過空隙看到外面。

所以,問題又回到了原點:夜裏爲什麽那麽黑?難道宇宙竟然不是無限的?不是說宇宙大爆炸麽?那還炸不炸了?

奧伯斯佯謬:夜裏爲什麽這麽黑?

回答這個問題之前,咱們先來了解一下奧伯斯的光輝人生。

海因裏希•威廉•馬特烏斯•奧伯斯,1758年出生在德國不萊梅附近的一個小村莊,哥廷根大學醫學系畢業後一直從醫,並利用晚上的時間進行天文觀測,每天睡覺不超過四個小時,同時他還是一名優秀的物理學家。

由此可見:不想當醫生的物理學家不是好天文學家。

奧伯斯佯謬:夜裏爲什麽這麽黑?

1802年,奧伯斯發現並命名了智神星。5年後他又發現了竈神星,這次他發揚風格,將命名權讓給“數學王子”高斯。

奧伯斯佯謬:夜裏爲什麽這麽黑?

智神星

奧伯斯佯謬:夜裏爲什麽這麽黑?

竈神星

1815年,奧伯斯又又發現了一顆周期彗星,老奧糾結了半天,最後一拍大腿:幹脆就叫它“奧伯斯彗星”吧。

奧伯斯佯謬:夜裏爲什麽這麽黑?

發現奧伯斯彗星的11年後,也就是1826年,不甘寂寞的奧伯斯終于問出了那個驚世駭俗的問題:夜裏爲什麽那麽黑?

英國天文學家哈雷(就是發現哈雷彗星的那位大佬),提出了一個容易想到的答案,那就是遠處恒星發出的光線,在抵達地球時已經變得十分微弱,無法被人們看到。

這個解釋是站不住腳的,因爲宇宙是無限的,恒星數量也是無限的。雖然光線的強度按距離的平方而減少,但恒星的數量也按距離的平方而增加,二者相互抵消,總的光強度與距離遠近無關。

翻譯一下就是:雖然距離遠,但架不住咱人多呀!

奧伯斯佯謬:夜裏爲什麽這麽黑?

奧伯斯自己提出的問題,自然不能幹看著,他給出的答案是:太空不是“透明”的,遙遠恒星發出的光芒,被行進路徑上的稀薄星雲、塵埃給遮擋和吸收了。

奧伯斯佯謬:夜裏爲什麽這麽黑?

問題看似解決了,但熱力學第一定律被發現後,這個解釋也被推翻了。能量既不會憑空産生,也不會憑空消失,它只能從一種形式轉化爲另一種形式,或者是從一個物體轉移到別的物體,在轉化或轉移的過程中,能量的總量保持不變。

由此可知,假如有太空物質遮擋了星光,光能會轉變成熱能。這些熱量會重新輻射出來,發出其他波長的、均勻的光,但能量總量是不會變的,從而天空仍將是一片明亮。

大家司空見慣的夜空,反倒成了一個不解的謎題,久久萦繞在科學家們的心頭。

奧伯斯佯謬:夜裏爲什麽這麽黑?

後來,經過了一百多年,無數天文學家前仆後繼的探討、研究,目前被普遍接受的解釋是兩種:宇宙的年齡是有限的,以及紅移,而後者又是最重要的效應。

宇宙的年齡是有限的很好理解,因爲宇宙的起源來自一次驚天動地的大爆炸。

根據大爆炸理論,宇宙是由一個極其緊密、極其熾熱的奇點,bang地一下,漸漸膨脹到了現在的狀態。

奧伯斯佯謬:夜裏爲什麽這麽黑?

這次創世的大爆炸,大概發生在137億年前。大爆炸後約四億年,第一顆恒星誕生,隨後演化出星系和各種天體。隨著時間的流逝,暗能量使膨脹不斷加速。

宇宙膨脹就好比烤箱中的面包,而星系就好比面包中的葡萄幹。隨著烤箱溫度的上升,面包在不斷地膨脹。從任意一個葡萄幹來看,周圍的葡萄幹都在遠離它而去。

回到奧伯斯佯謬問題本身,雖然宇宙空間無限,恒星數量無限,但宇宙的年齡是有限的,也就是137億年。遠處的星光在這段時間內,還來不及照到地球上。通過計算表明,遠處的星光要花上億億億年的時間,才能全部抵達地球,把夜空全部照亮。宇宙區區137億年,顯然還是太年輕呀!

奧伯斯佯謬:夜裏爲什麽這麽黑?

紅移也是奧伯斯佯謬的一個廣被認可的解釋。距離的增加,導致光線的波長變長、頻率降低,在可見光波段,表現爲光譜的譜線朝紅端移動了一段距離。

奧伯斯佯謬:夜裏爲什麽這麽黑?

上圖右側爲遙遠的星系在可見光波段的光譜,與左側太陽的光譜比較,可以看到譜線朝紅色的方向移動,即波長增加(頻率降低)。

由于紅移現象的存在,導致遙遠的星光向能量較低的紅光轉變,進而還會向能量更低的紅外線、微波轉變。大爆炸本身的巨量輻射,就已經紅移到了微波的波長,成爲宇宙的微波背景輻射。

奧伯斯佯謬:夜裏爲什麽這麽黑?

人的眼睛是看不到微波的,微波背景輻射,也不會爲你而“閃爍”。

綜上所述,因爲宇宙太“年輕”,所以夜空是黑漆漆的,而紅移現象的影響,又使得夜空黑上加黑,這就是奧伯斯佯謬的解釋了。

最後給大家展示一下,奧伯斯當年使用的天文望遠鏡,現存于不萊梅福克紀念館。

奧伯斯佯謬:夜裏爲什麽這麽黑?

是不是看起來很簡陋的樣子?但奧伯斯就是依靠它,發現了智神星、竈神星以及奧伯斯彗星。再想一想物質極其充裕的我們,又有多久沒仰望過星空了?!

我們的征途,應當是星辰大海。

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