奥伯斯佯谬由19世纪德国天文学家奥伯斯提出,它的具体内容是“如果夜空的星星都有跟太阳一样的亮度,且均匀地分布在无限的宇宙中,那么夜空将被星星填满,甚至比白天还要亮”。

奥伯斯对此提出的解释是,来自更遥远恒星的光,被漂浮在太空中的尘埃或其他物质吸收了。但这一说法在后来遭到了英国天文学家约翰·威廉·赫歇尔(John Herschel,1792-1871)的反驳,赫歇尔指出,任何吸收了那么多光的东西,最终都应该会被加热到足以发光才对。

1964年,英国宇宙学家爱德华·哈里森(Edward Harrison)指出,决定夜空亮度的主要因素实际上是恒星有限的生命。后来,哈里森意识到,这个解决方案不仅爱伦·坡提出过,而且英国物理学家开尔文勋爵(1824-1907)在1901年也提出过。20世纪80年代的观测证实了爱伦·坡、开尔文和哈里森的结论,奥伯斯佯谬似乎也终于得到了平息。

2023年,奥尔伯佯谬已经发展成为一个丰富的研究领域。在这些研究工作中,科学家对夜空的亮度进行了越来越精确地测量,并用超级计算机模拟了宇宙中的恒星。现在,科学家已经可以非常准确地确定天空中的恒星数量。然而,谜题依然存在。去年,在冥王星轨道之外、远离内太阳系尘埃的位置,新视野号太空探测器发现,天空的亮度是预期的两倍。因此,天空黑暗的问题仍然存在,这是一个跨越了时代和文化的谜题。

理论

奥伯斯佯谬

Olbers 悖论 1826年,德国天文学家H.W.M.海因里希·奥伯斯指出,一个静止、均匀、无限的宇宙模型会导致如下结论:黑夜与白天一样亮。但实际上夜空却是黑的。理论同观测的这种矛盾称为奥伯斯佯谬。采用天体之间有吸光物质、天体寿命有限或天体有演化、引力常数随距离而变化等都难以解决奥伯斯佯谬。在现代的膨胀宇宙模型里,奥伯斯佯谬不存在。这个矛盾是从观测和理论相联系的角度考虑宇宙的大尺度性质时提出来的。它标志著科学的宇宙学的萌芽。

静态宇宙的观念是如此之强,以致于那些意识到引力理论导致宇宙不可能静态的科学家们并没有提出宇宙在膨胀,而是试图去修正他们的理论。甚至阿尔伯特·爱因斯坦于1915年发表其广义相对论时还非常肯定宇宙是静态的。因此他不得不在他的方程中引进一个所谓的宇宙常数来进行修正。他引入一个“反引力”,这个力是无源的,是空间时间结构所固有的。他宣称空间-时间内在膨胀的趋势,刚好可以平衡宇宙间各物质的相互吸引,结果形成了静态的宇宙。这个理论在以后被爱因斯坦称为是“一生中最不可原谅的错误”。

对于无限静止的宇宙首先发难的通常归功于德国哲学家亨利希·奥伯斯。1823年他提出了著名的“奥伯斯佯谬”。他指出,如果宇宙是无限静止的和均匀的,那么观察者每一道视线的终点必将会终结在一颗恒星上。那么不难想象,整个天空即使是在夜晚也会象太阳一样明亮。有人提出反驳:远处恒星的光线被它经过的物质所吸收而减弱。其实这看似有理的反驳是站不住脚的因为吸收光线的物质将最终被加热到发出和恒星一样强的光为止。无限静态宇宙只有一种情形能避免夜空象白天一样明亮,那就是:恒星不是在无限久远以前就开始发光。在这种情形下,光线所经过的物质尚未被加热,或者远处的恒星光线尚未到达地球。于是又面临着一个问题:是什么使恒星第一次发光?这就是人类探索了无数世纪的问题——宇宙起源

论证

1781年,哲学家伊曼努尔·康德在他的里程碑式的著作《纯粹理性批判》中深入的辨析了宇宙在时间上有无开端、空间上有无极限的问题,他称这个问题是纯粹的二律背反(即矛盾)。他论证道:如果宇宙没有开端,则任何事件前都必有无限的时间,这是荒谬的;而如果宇宙有一个开端,那么宇宙开端前是什么时间呢?康德认为正反两方面都存在令人信服的论据。事实上他的论证基于了一个隐含的假设,即不管宇宙是否存在了无限久,时间都可以无限地倒溯回去。但即将谈到的大爆炸学说将让人们理解:在宇宙开端之前的时间概念是没有意义的。

假设

奥伯斯佯谬的运动

假如宇宙是恒态而无限,而且有无数平均分布的发光星体,则无论望向天上哪一位置都应该见到一粒星体的表面,星与星之间便不应有黑暗的位置,黑夜时整个天都会是光亮的。

更确切的表述是,如果宇宙是稳恒,无限大,时空平直的,其中均匀分布着同样的发光体,由于发光体的照度与距离的平方成反比,而一定距离上球壳内的发光体数目和距离的平方成正比,这样就使得对全部发光体的照度的积分不收敛,黑夜的天空应当是无限亮的。

解释

被接受的解释

两种作用能对奥伯斯佯谬给予解释:宇宙的年龄是有限的和红移,而后者是最重要的效应。(即使在稳态宇宙理论的模型中,也推论出宇宙是无限老和空间是无边际的,但夜空依然是黑暗的。)

宇宙的年龄是有限的

这个解释指出有限速度的光要游遍宇宙的空间本身就是矛盾的,当我们遥望远处的空间,其实就是在回顾历史。最后,我们仍只能观察到有限年龄的宇宙。讽刺的是,相同的解释却是出自诗人爱伦·坡在1848年的我得之矣(一首散文诗),在其中他写道:

"星星是连续不尽的,然后背景的天空将呈现一致的光亮,就像银河系所显示的-–因为不会有绝对的点,在那所有的背景中,星星将不复存在。因此,在那些,在这样的事态下,唯一的模式,我们可以体会到我们的望远镜在无数的方向上发现空隙,将假设无形的背景,因为距离的遥远,光芒从未能到达我们。"

红移

以有限的宇宙年龄所提供的星光来照耀天空时,导出了另一个问题:为什么看不见任何一点大霹雳的贡献?这原因是大霹雳本身的辐射因为宇宙膨胀的缘故,已经红移到微波的波长,成为宇宙的微波背景辐射。宇宙的膨胀也限制了可观测宇宙的大小,这意味着在此之外的光线到不了我们所在之处,这在光学效应下创造了有限的宇宙。(参考有限年龄的论据。)

其它解释

也有人提出另一种解释(海因里希·奥伯斯本人就曾这样解释),指宇宙并非透明,远处星光会被宇宙间黑暗的星体,尘埃和气体阻隔,令极远处的光线只可以传播一段有限的距离而不能到达地球。然而这并不能解决问题,因为根据热力学第一定律,能量必定守恒,故此中间的阻隔物会变热而开始放出辐射,结果导致天上有均匀的辐射,温度应当等于发光体表面的温度,也即天空和星体一样亮,然而事实上没有观察到这种现象。

约翰尼斯·开普勒认为奥伯斯佯谬论证说明宇宙是有限的,或最少是只有有限数量的星体。

分形学权威本华·曼德博提出了另一种不需基于大爆炸理论的解释。他指出若星体是以分形方式在宇宙间分布 (例如类似康特尘埃), 不用大爆炸理论也能解释奥伯斯佯谬。但他的理论是用于展示碎形理论多于解释夜黑问题,从天文学观测亦没有证据显示星体以分形模式分布。

参考资料

存在200年的佯谬,至今仍然迷人.澎湃新闻.2024-04-01