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奥伯斯佯谬:夜里为什么这么黑?

1823年,德国天文学家奥伯斯,提出了这样一个问题:黑漆漆的夜空,为什么这么黑?

看到这个问题,相信很多人的第一反应是:黑夜给了我黑色的眼睛,我却用它来翻白眼……夜里不黑,那叫白夜!

奥伯斯佯谬:夜里为什么这么黑?

奥伯斯可不是这么想的,他认为:如果宇宙是无限的,那么恒星也是无限的。它们均匀地布满了整个天空,这些“星光”汇聚起来,足以让黑夜犹如白昼一般明亮。

奥伯斯佯谬:夜里为什么这么黑?

这……好像有那么点道理?!问题突然复杂起来了。

有着同样困惑的科学家,其实不止奥伯斯一人。早在1610年,开普勒就在写给伽利略的信中,举了一个非常精妙的比喻:如果宇宙和恒星数量是无限的,地球就好比处在茂密森林的中心,无论从哪个角度望去,都只能看到一棵棵的树干连成了一片,没有任何空隙;只有身处稀稀拉拉的小树林的时候,才能透过空隙看到外面。

所以,问题又回到了原点:夜里为什么那么黑?难道宇宙竟然不是无限的?不是说宇宙大爆炸么?那还炸不炸了?

奥伯斯佯谬:夜里为什么这么黑?

回答这个问题之前,咱们先来了解一下奥伯斯的光辉人生。

海因里希•威廉•马特乌斯•奥伯斯,1758年出生在德国不莱梅附近的一个小村庄,哥廷根大学医学系毕业后一直从医,并利用晚上的时间进行天文观测,每天睡觉不超过四个小时,同时他还是一名优秀的物理学家。

由此可见:不想当医生的物理学家不是好天文学家。

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1802年,奥伯斯发现并命名了智神星。5年后他又发现了灶神星,这次他发扬风格,将命名权让给“数学王子”高斯。

奥伯斯佯谬:夜里为什么这么黑?

智神星

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灶神星

1815年,奥伯斯又又发现了一颗周期彗星,老奥纠结了半天,最后一拍大腿:干脆就叫它“奥伯斯彗星”吧。

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发现奥伯斯彗星的11年后,也就是1826年,不甘寂寞的奥伯斯终于问出了那个惊世骇俗的问题:夜里为什么那么黑?

英国天文学家哈雷(就是发现哈雷彗星的那位大佬),提出了一个容易想到的答案,那就是远处恒星发出的光线,在抵达地球时已经变得十分微弱,无法被人们看到。

这个解释是站不住脚的,因为宇宙是无限的,恒星数量也是无限的。虽然光线的强度按距离的平方而减少,但恒星的数量也按距离的平方而增加,二者相互抵消,总的光强度与距离远近无关。

翻译一下就是:虽然距离远,但架不住咱人多呀!

奥伯斯佯谬:夜里为什么这么黑?

奥伯斯自己提出的问题,自然不能干看着,他给出的答案是:太空不是“透明”的,遥远恒星发出的光芒,被行进路径上的稀薄星云、尘埃给遮挡和吸收了。

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问题看似解决了,但热力学第一定律被发现后,这个解释也被推翻了。能量既不会凭空产生,也不会凭空消失,它只能从一种形式转化为另一种形式,或者是从一个物体转移到别的物体,在转化或转移的过程中,能量的总量保持不变。

由此可知,假如有太空物质遮挡了星光,光能会转变成热能。这些热量会重新辐射出来,发出其他波长的、均匀的光,但能量总量是不会变的,从而天空仍将是一片明亮。

大家司空见惯的夜空,反倒成了一个不解的谜题,久久萦绕在科学家们的心头。

奥伯斯佯谬:夜里为什么这么黑?

后来,经过了一百多年,无数天文学家前仆后继的探讨、研究,目前被普遍接受的解释是两种:宇宙的年龄是有限的,以及红移,而后者又是最重要的效应。

宇宙的年龄是有限的很好理解,因为宇宙的起源来自一次惊天动地的大爆炸。

根据大爆炸理论,宇宙是由一个极其紧密、极其炽热的奇点,bang地一下,渐渐膨胀到了现在的状态。

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这次创世的大爆炸,大概发生在137亿年前。大爆炸后约四亿年,第一颗恒星诞生,随后演化出星系和各种天体。随着时间的流逝,暗能量使膨胀不断加速。

宇宙膨胀就好比烤箱中的面包,而星系就好比面包中的葡萄干。随着烤箱温度的上升,面包在不断地膨胀。从任意一个葡萄干来看,周围的葡萄干都在远离它而去。

回到奥伯斯佯谬问题本身,虽然宇宙空间无限,恒星数量无限,但宇宙的年龄是有限的,也就是137亿年。远处的星光在这段时间内,还来不及照到地球上。通过计算表明,远处的星光要花上亿亿亿年的时间,才能全部抵达地球,把夜空全部照亮。宇宙区区137亿年,显然还是太年轻呀!

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红移也是奥伯斯佯谬的一个广被认可的解释。距离的增加,导致光线的波长变长、频率降低,在可见光波段,表现为光谱的谱线朝红端移动了一段距离。

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上图右侧为遥远的星系在可见光波段的光谱,与左侧太阳的光谱比较,可以看到谱线朝红色的方向移动,即波长增加(频率降低)。

由于红移现象的存在,导致遥远的星光向能量较低的红光转变,进而还会向能量更低的红外线、微波转变。大爆炸本身的巨量辐射,就已经红移到了微波的波长,成为宇宙的微波背景辐射。

奥伯斯佯谬:夜里为什么这么黑?

人的眼睛是看不到微波的,微波背景辐射,也不会为你而“闪烁”。

综上所述,因为宇宙太“年轻”,所以夜空是黑漆漆的,而红移现象的影响,又使得夜空黑上加黑,这就是奥伯斯佯谬的解释了。

最后给大家展示一下,奥伯斯当年使用的天文望远镜,现存于不莱梅福克纪念馆。

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是不是看起来很简陋的样子?但奥伯斯就是依靠它,发现了智神星、灶神星以及奥伯斯彗星。再想一想物质极其充裕的我们,又有多久没仰望过星空了?!

我们的征途,应当是星辰大海。

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