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太空為何黑漆漆?

太空中閃爍著數不清的星星,與繁星相伴的是黑漆漆的背景,那些星星就好像掛在黑幕的上面。

太空應該如太陽般光亮?

這個司空見慣的現象在1826年引發了一位天文學家的思考。1826年,智神星的發現者之一、德國天文學家亨利希?奧爾勃斯關於宇宙作了一系列的假定。他假設宇宙是靜止的,並由亮度相仿的恆星構成,如果取相當大的空間範圍看時,恆星可以看成近似均勻分布的。這些觀點就是當時人們頭腦中的宇宙。

但是奧爾勃斯卻指出,這些看上去沒錯的觀點卻含有一個驚人的矛盾。

讓我們以地球為中心,取一定長度為半徑,在三維空間中得到一個圓球,在這個圓球內,恆星發出的光是一定量的。然後,將圓球的半徑加大一倍,仍以地球為球心,取另一個圓球。如果恆星近似均勻分布在其中,那麼在第二個圓球中,恆星的數目是原來圓球內的4倍(因為體積是原來球的4倍)。考慮到離地球遠的恆星,其視亮度小於近處的恆星,因此每當圓球的半徑增加一倍時,地球上收到的光基本上就增加一倍。

讓我們繼續這個半徑倍增的過程,我們會驚奇地發現,隨著所考察的圓球半徑的增大,太空的亮度也必然會持續地增加,而且在任何方向上都在增加。當然了,遠處的恆星會被近處的恆星遮住,但即使是這樣,從地球表面向宇宙的任何方向看去,我們的目光總會與一顆恆星的光輝邂逅相遇。於是,在太空中的每一個方向的亮度,都應該與恆星的亮度一樣,也就是說,太空應該同耀眼的太陽一樣的明亮!

真實情況怎樣呢?我們眼中的太空是非常暗的,上面點綴著一些小亮點——恆星,這顯然是一個明顯的矛盾。

宇宙在膨脹,所以……

這一矛盾被命名為「奧爾勃斯佯謬」。在奧爾勃斯佯謬提出後,另一位德國天文學家西利格又提出了個「引力佯謬」。他推理認為,如果萬有引力定律適用在宇宙的各個地方,那麼一顆恆星會受到宇宙中所有其它恆星的引力,或強烈、或微弱,但最終的合力將無比巨大,從而將這顆恆星撕成碎片。當然了,我們在觀測中沒有看到大量恆星被「五馬分屍」的現象。

奧爾勃斯本人試圖解決自己提出悖論。他猜想,在宇宙中充滿著稀薄的氣體,氣體會吸收恆星發出的輻射光,從而使地球上的人們看不到遠處的恆星。但是氣體在吸收了輻射後,溫度將升高,最終導致氣體本身也會發出輻射,並達到吸收和釋放的平衡。因此奧爾勃斯的解釋其實站不住腳。

奧爾勃斯佯謬產生的原因,其實是後來天文學家發現的宇宙膨脹和恆星的紅移現象。

我們現在知道,宇宙在膨脹,所以不考慮恆星自己的運動方向,各個恆星之間的距離在拉大。而且,距離我們越遠的恆星,遠離我們的速度越快,反映到恆星的光譜上,光譜線就往紅色部分移動。因此,來自遙遠星系的光線往往是高度紅移的。光的譜線越向紅端移動,它的能量就越低,因此亮度就越低。於是奧爾勃斯佯謬的產生就解釋為,遠處的恆星發出的光到達地球時,光線的亮度由於紅移而變得微不足道了,在太空中熠熠生輝的,只能是那些距離地球非常近的恆星。

佯謬激發了新宇宙觀

但僅僅用紅移來解釋奧爾勃斯佯謬是不夠的,還需要有一個補充條件,那就是宇宙是有一個時間開端的,宇宙到今天的年齡是有限的。因為假如宇宙是無始無終的,而且廣闊無邊界,那麼就算遠方的恆星因為紅移而變得非常暗淡,但無數大量的恆星的暗淡星光累積,然後都到達了地球這個位置,我們的太空依然會是燦爛無比!

正是由於宇宙的年齡有限,而光要穿過廣袤的宇宙到達地球,也需要漫長的時間,不是多遠的恆星之光都已經到達了地球的;正是由於宇宙不是廣闊無邊界的,宇宙中的恆星數量雖然多的難以想像,但畢竟是有限的,所以我們目前的地球上不會被無數的恆星照耀著。再加上紅移現象,我們看到太空黑漆漆也就不奇怪了。

有趣的是,奧爾勃斯佯謬曾經一度讓宇宙有中心的錯誤觀點「死灰復燃」。支持宇宙有中心的人稱,正是由於紅移的存在,地球上的人們只能看到宇宙中有限區域的恆星,因此宇宙完全可能是有中心的,只是我們的視野不夠開闊,還沒有目睹宇宙中心的風采。好在後來天文望遠鏡越來越先進,天文學家看到了越來越遠處的星體,沒有發現大量星系聚集在某個中心的現象,人們才逐漸放棄了宇宙有個中心的觀點,開始支持宇宙是個彎曲的四維時空,這個彎曲的宇宙結構里並無中心的觀點。

奧爾勃斯佯謬的提出,動搖了過去人們頭腦中對宇宙的許多錯誤觀念,比如宇宙是靜止不變的,宇宙在時間上是無始無終,在空間上是無邊無際的,等等。這個佯謬在一定程度上激發了近現代的天文學家勇敢地挑戰過去的宇宙學理論,最終他們發現了宇宙的膨脹,並建立了大爆炸宇宙學說。


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