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发表于 2022-6-17 22:50 | 查看: 114| 回复: 0
            


物理学界四大神兽:芝诺的乌龟、拉普拉斯妖、麦克斯韦的精灵与薛定谔的猫齐登场。

这是【十大悖论】第 03 篇文章
问你一个问题,为什么到了晚上天就变黑了呢?
可能你会疑惑,怀疑我是不是脑子出问题了,亦或是转念一想,这不会是一个脑筋急转弯吧?因为这个问题的答案,连小孩子都知道,他可能会告诉你,太阳落山了,夜幕便降临了。而且,地球附近的夜空也没有像太阳这么明亮的天体,足以压过月亮的微弱光芒以及来自遥远星体更微弱的光芒。
这个问题还用想吗?
事实上,在天文学家找到答案之前,这个问题困扰了人类数百年。
我们有足够的理由相信,即使宇宙不是无穷大,它也大到超出我们的想象。当我们从每个方向遥望星空时,都应该会看到一颗星星,它让白天的天空变得更明亮,事实上,它应该一直都很亮,不管白天与黑夜。

举个例子,请你想象一下,你现在身处于一个一望无际的森林里面,森林大到往任何方向都延伸到无穷远。接着,你手中拿了一把弓箭,你在水平方向上,射出任何一箭。假设这支箭在碰到树干之前不会落地。即使这支箭在一开始与一些树干擦肩而过,你也不必担心,因为它总会射中一个树干。为什么?因为这个森林无穷大,大到超乎你的想象。

现在,假设我们的宇宙一直往外延伸,有无限多颗星星均匀分布在其中。这些星星发出的光线正如上例中的箭,但是行进方向相反。不论我们朝天空的哪个方向看去,视线里总会有一颗星星,也就是每个缝隙里都看得到星星,所以整个天空不论在任何时刻都会跟太阳表面一样明亮。
可是,这与我们的现实完全不符啊,只要我们等到太阳落山之后,抬头看一眼星空就会发现,上面的结论是错的。但是,上面结论的逻辑却没错啊,那么这里面究竟是哪里出了问题呢?
要解释这个悖论,我们首先要回顾一下它的发展史。
1952年,著名的澳洲裔英国宇宙学家赫曼·邦迪出了一本极具影响力的教科书,书中首次用了“奥伯斯佯谬”一词。实际上,奥伯斯并非第一个提出这个悖论的人,比他早一百年的哈雷已经谈论过这个问题,甚至,更早一点的开普勒也在1610年提过。
在中世纪,人们对于宇宙的了解还停留在以教会为主的“地心说”,1570年左右,哥白尼发表了《天体运行论》,算是拉开了天文学不断进步的序幕。尽管哥白尼的这项工作具有划时代的意义,但他依旧搞错了,因为他认为太阳系就是整个宇宙。

下一个做出贡献的人是来自英国的天文学家托马斯·迪格斯,他修改了哥白尼著名的太阳系示意图,将原图中位于最外层的众多恒星从固定的单一圆形轨道上解放出来,散布到太阳系外广大无垠的太空中。他因此成为史上第一位提出无限大的宇宙包含无穷多星星的天文学家——不过古希腊哲学家德谟克利特曾经暗示过同一概念。
迪格斯看着无垠太空中数不尽的星星思索时,无可避免地想到以下的重大问题:为什么夜晚的天空是暗的?对他来说,这算不上什么悖论。他直接假设由于遥远的星星过于昏暗,对于夜空的亮度并没有任何贡献。

开普勒在1610年再度思考这个问题,他认为,夜晚之所以是暗的,是因为宇宙的大小有限。一百年后,哈雷也思考了这个问题,并认为,宇宙是无穷大的,但是遥远星系的光芒太暗,以至于我们看不到。
数年之后,一位名叫让·菲利普·罗伊·德谢梭的瑞士天文学家通过几何计算证明,假设以我们的地球为圆心,而后向外扩散出去,离我们越近的星星的亮度越亮,但数量较少,而离我们越远的星星虽然亮度较暗,但数量庞大。换句话说,为数较多但较远较暗的星星所贡献的亮度,与为数较少但较近较亮的星星一样。
1823年,奥伯斯在发表的一篇论文里又再次提到了这个问题,他认为,太空中可能充满星际尘与气体,挡住了来自遥远星体的光芒。
这看上去好像有一定的解释力度,然而,这还是错的。
我们假设真空不是真空,而是有东西,类似气体,那么若是有东西挡住了星体的光芒,假如时间足够长,这些物质会不断吸收来自远处的光芒,它们会慢慢被加热,到最后也会发亮,而且亮度会与它们所遮住的星体相同。
1915年,爱因斯坦发表了他的重要研究成果《广义相对论》,他指出,引力并不是一种力,他用时空弯曲取代了牛顿的万有引力,而且经过这么多年的实验验证与预测,他比牛顿的更靠谱。然而,爱因斯坦却碰到了一个棘手的问题,假如宇宙在某一时刻相对而言是静止的,那么它最终会走向坍缩,而不是像我们今天见到的这样子。
当时的普遍想法是,宇宙的大小是不变的。

爱因斯坦为此想出了一个“宇宙斥力”来使得这个宇宙保持在一个稳定态中。
几年之后,埃德温·哈勃看到了银河系外其他星系的存在,他也是第一个证明银河系外还有其他星系存在的天文学家。他的观测还表明,这些银河系外星系正在“远离”我们,这也就是说,这个宇宙在膨胀。

哈勃更进一步准确地指出,既然宇宙在扩张,那么过去的宇宙必然比现在要小。如果将时间回溯到很久很久以前,我们将会回到某个所有星系彼此重迭的时刻,当时的宇宙拥挤不堪。继续回溯到更早的时间,所有物质将会愈靠愈近,直到我们回到宇宙创生的那一刻,也就是现今称为“大爆炸”的宇宙大爆发。

这里补充一下,很多人认为宇宙在膨胀,在扩张是指所有其他星系正在远离我们而去,实际上,真正扩张的是星系之间虚无的空间。就比如你拿一个气球,上面画了很多小点,每个小点代表一个星系,然后你鼓足了腮帮子吹气球,气球在膨胀,指的是点与点之间的空间在膨胀,而不是点与点之间在位移。
而且,宇宙膨胀的速度在增加。
其实,说到这,奥伯斯悖论也就有了解释,为什么入夜之后,天空会变暗,因为宇宙在膨胀,或者说,宇宙有起源。
现在的科学家相信,我们的宇宙诞生于140亿年前的一场大爆炸(准确来说是137亿年前),前70亿年间扩张速率是逐渐减慢的。后70亿年之中,由于星系分布过于稀疏,使得引力的效应转弱。此时暗能量开始取得优势,导致空间扩张愈来愈快。
光以每小时超过10亿公里的速率传播,相当于每秒钟绕着地球走7圈半。这个速率同时也是宇宙的速限,没有任何东西可以传递得比光速还快。这并非由于光本身有任何特殊之处,而是因为这个速限其实是时空结构的一部分。光本身不具质量,使它得以用宇宙所容许的极速传播。
举个例子,距离我们100亿光年的星系所发出的光,如果宇宙是静止的,那么它需要用100亿年才能抵达地球。而我们的宇宙是在不断膨胀的,也就是说,这100亿光年的距离会随着时间的流逝而增大,真正的距离可能已经远远超过了100亿年,甚至超过了宇宙的年龄。
或者换句话说,100亿年前,A星系距离我们100亿光年,今天,它可能距离我们200亿光年甚至更多。这也就意味着,无论我们如何努力,它都已经超出了我们的观测范围,因为宇宙的年龄也就只有140亿年。
多么的可悲啊,在140亿光年以外的东西,对我们来讲,可能永远也不可知,我们哪怕是用最顶尖的仪器,也探测不到。站在哲学的角度去看,140亿光年以外的东东,哪怕是有其他外星人,的确,他们是客观存在的,但是,他们的存在,与不存在,于我们而言又有什么区别呢?客观上,他们存在,主观上,他们存在=不存在。借用莎士比亚的口吻说一句话:“To be or not to be,that’s no question!”
好了,回到奥伯斯悖论,为什么入夜之后,天空会变暗呢?
因为我们的宇宙起源于一场大爆炸,这才是真正的原因。(或者说,宇宙有一个起点)

         

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