奥伯斯佯谬:
“宇宙中那么多的恒星,为什么没了太阳照射天就黑了?”这个问题,其实在200多年前就有人这么思考过了,这个人叫做奥伯斯。
他曾提出过一个理论,大意是,如果宇宙是无限大的,那意味着就有无限多的恒星,无限多的恒星意味着有无限多的光源,那就意味着有无限多的光照射到地球,那么地球的天空就应该是一直都是亮。
可我们地球的天空明明不是这样,非但不是一直亮着的,反倒是只要太阳不照了,就会黑天。那究竟是咋回事呢?
其实要了解这个问题,我们要先补充背景。实际上,这个问题有个前提和牛顿有关。牛顿在300多年前提出了万有引力定律,揭示了物质直接是有彼此吸引的作用,我们称之为引力。
那这就引发了一个巨大的危机,如果物质之间是存在引力的,那么宇宙中的物质就应该在引力的作用下相互吸引,因此最终的结果就是聚在一起,但我们平时观测也没有发现各个天体在靠近我们,这就和事实不符合。那难道是牛顿的理论出错了?但是这个理论在解释各种天体现象时又是无比精确,不太可能出错。于是,在纠结之下,牛顿提出宇宙应该是无限大地,处处的引力都相等,于是,就不会出现上文出现的情况了。
而奥伯斯提出上述观点实际上是用来反驳牛顿的观点的,他认为宇宙是有限大的,而不是无限大的。那他们到底谁对谁错呢?
宇宙并非永恒
关于这个问题,其实涉及到了一个观念上的问题,那就是宇宙并不是永恒不变的。在上世纪30年代之前,大多数人都认为宇宙是永恒不变的,连爱因斯坦也不例外,更不要说牛顿和奥伯斯了。所以,奥伯斯的问题(我们暂且叫做奥伯斯佯谬)忽略了两个关键因素,
宇宙在膨胀光速相对于宇宙空间而言还是太小首先,我们想说膨胀,这是哈勃在上世纪20年代观测星系时发现的,他当时就发现星系出现了开普勒现象。
也就是光谱发生了红移,如果翻译直白一点,就是星系都在离我们远去。
后来,进一步的研究发现,并不是星系自己在跑,而是宇宙的空间在膨胀,这种膨胀是等比例的,处处都在动,所以才会让我们觉得,在大尺度上,所有的星系都在远离我们。(大尺度指的是一光年)
所以,宇宙并不是永恒不变的,而是一直在变。那这种变化又和奥伯斯佯谬有什么关系呢?
这时候,如果我们再带入光速就会发现问题,实际上奥伯斯佯谬假设了所有的光都会到底地球,真的可以么?并不可以!
而光速虽然相对于地球的尺度来说是巨大的一个数:3*10^8m/s,但对于宇宙而言,它又是极小的,当空间膨胀时,光也会受到影响,从宇宙中的一点到另外一点所需要的时间变长了。
我们现在知道宇宙的年龄是138亿岁,我们能看到的范围是138亿光年半径的世界,但实际上,由于空间膨胀,我们可以看到的是465亿光年的宇宙空间(这里还考虑的引力波贡献的4亿光年,否则仅仅只有461亿光年。)我们曾这个范围叫做可观测宇宙。
宇宙要远远大于可观测宇宙,这就意味着宇宙中的恒星和星系的光并不能都跑到地球上来。只有可观测宇宙内的光理论上才有可能来到地球上。
而可观测宇宙的恒星数量绝非是是无限多的,相反,我们会发现宇宙是相对空旷的,目前测到的宇宙平均密度要小于一立方米一个氢原子的水平,这个密度要比我们在地球上所能做到的真空的水平都还要空。如果再算上一些光线在传播途中的损耗,最终能到达地球的就微乎其微了,因此,地球的夜空才会是黑的。