為什么夜空至少不像太陽表面那樣亮的均勻呢?如果宇宙有無數多的恒星,那么或許會這樣。畢竟,如果你把太陽移到離我們兩倍遠的地方,我們將截獲四分之一的光子,但是太陽與天空背景的角面積現在也將下降到原來的四分之一。所以它的面積強度保持不變。在恒星無限多的情況下,天空背景下的每一個點都應該有一顆恒星,整個天空至少應該像顆普通恒星,例如太陽一般亮。
我們用“至少同樣明亮”是因為如此明亮的宇宙中的恒星會開始從它們的鄰居那里吸收熱量,而當恒星被加熱時究竟會發生什么是熱力學和核理論的技術問題。我們不期望這樣的恒星能冷卻下來,但也不希望他們無限地升溫。奧爾伯斯悖論起源于物理學家發展恒星發光核理論之前;因此,它從不關心恒星可能有多老,以及它們的能量交換細節如何影響它們的亮度。
圖解 : 在宇宙為穩態且無窮大,恒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。
夜空至少沒有太陽同樣明亮這一事實被叫做奧爾伯斯悖論。這能追溯到1610年的開普勒,并且在18世紀被哈雷和切索(Cheseaux)重新討論了;但直到19世紀奧爾伯斯開始討論這個問題,它才作為一個悖論而被普及。
圖解:奧伯斯佯謬指出,穩態宇宙下的夜空理應是一片光亮的。
有許多可能的解釋已經被討論過了,這里有幾個:
有太多灰塵以至于看不到遠處的星。
宇宙只有有限數量的恒星。
恒星的分布不是均勻的,所以,比如說這里有無限多顆星,但是他們一個藏在一個后面,所以只有有限的角面積被它們所覆蓋。
宇宙在膨脹,因此,遙遠的恒星會被紅移成朦朧。
宇宙還很年輕,遠處的光還未到達我們這兒。
第一個解釋是完全錯誤的,在一個黑體里灰塵也會被加熱。它確實起到輻射屏蔽的作用,指數倍地減弱了遙遠的星光,但你不能把足夠多的塵埃放進宇宙里以除去足夠多的星光,同時又不遮住我們的太陽,座椅這個主意不好。
第二個解釋的前提在技術上可能是正確的,但即使恒星的數量可能有限,仍然足夠多來點亮整個天空。也就是說,宇宙中發光物質的總量太大,不允許這種逃逸。恒星的數量接近無窮大可以來點亮天空。第三種解釋可能是部分正確的,只是我們不知道。如果恒星是分形分布的,那么可能會有大片的空白空間,除了在很小的區域外,天空可能看起來很暗。
但是最后兩種解釋肯定都是正確的,并且是部分原因。有數據論證表明宇宙有限的年齡影響很大。我們生活在一個“可觀測宇宙”的球殼里,這個宇宙的半徑和壽命相等,超過1370萬年前(最新數據)的物體上的光離的太遠,將不會到達我們這里。
歷史上,在哈勃發現宇宙正在膨脹之后,大爆炸被宇宙背景輻射的發現牢固確立之前,奧爾伯斯悖論被提出作為狹義相對論的證明,你需要紅移才能擺脫星光。這種影響當然有用,但宇宙的有限年齡是最重要的影響。
參考資料
1.WJ百科全書
2.天文學名詞
3. 趙丁丁- math
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