存在200年的佯謬，至今仍然迷人
時間：2023-06-23 18:52:32
圖片來源：ESA/Webb, NASA & CSA, A. Martel
(資料圖片)
撰文 | Jonathan Biteau et al.
1823年5月7日，當黎明降臨德國城市不來梅時，海因里希·奧伯斯（Heinrich Olbers，1758-1840）完成了一篇讓他名垂青史的文章。他曾是一名眼科醫生，但是在妻子和女兒去世之后，他便放棄原來的工作，全身心地投入到對夜空的探索中。
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雖然奧伯斯是自學天文學，但他在學術界享有很高的聲譽。他經常在家樓上的天文觀測點，通宵達旦地仰望星空。在那個特殊的清晨，奧伯斯得出了一個奇怪的結論：基于當時對宇宙的所有認知，夜空不應該是黑暗的，整個天空都應該像太陽一樣明亮。
這一結論，后來被成為奧伯斯佯謬。
無限宇宙中有限的光
和許多同時代的人一樣，奧伯斯也追隨牛頓和笛卡爾的思想，相信宇宙是無限的。因為如果宇宙是有限的、靜止的，那么引力應該會把所有的恒星拉到一個中心點上；但如果宇宙是無限延伸下去的，那么平均來說，引力在各個方向上都是平衡的。
但奧伯斯意識到，這個宇宙模型與觀測結果不一致。在一個布滿了無數恒星的無限宇宙中，無論我們在夜晚看向何處，我們的目光都應該落在恒星的表面，就像身處森林時，目光所及應該都以樹為終點一樣。
在無邊無際的森林里，視線都以樹為終點。（圖/PXhere）
因此，在1823年5月7日的文章中，奧伯斯就提出：當時的宇宙學模型表明，天空中的每一點都應該和太陽表面一樣明亮，不應該有黑夜。
奧伯斯對此提出的解釋是，來自更遙遠恒星的光，被漂浮在太空中的塵埃或其他物質吸收了。但這一說法在后來遭到了英國天文學家約翰·赫歇爾（John Herschel，1792-1871）的反駁，赫歇爾指出，任何吸收了那么多光的東西，最終都應該會被加熱到足以發光才對。
詩人的直覺
在大西洋的另一邊，美國詩人兼作家和詩人埃德加·愛倫·坡（Edgar Allan Poe，1809-1849）認為他找到了答案。1848年2月3日，他在紐約社會圖書館向60名聽眾公開發表了他的想法。
愛倫·坡游走在形而上學和科學之間，他認為宇宙是從物質的一種單一狀態（“合一性”）中出現的，這種狀態在斥力的作用下破碎和分散。這種觀點意味著，宇宙是一個有限的物質球。如果在有限的宇宙中只有少量的恒星，那么我們就不會在每個方向都看到恒星，夜晚就可以是黑的。
即使假設宇宙是無限的，如果它起源于過去的某個點，那么光到達我們眼中所花費的時間會限制我們所能看到的宇宙的大小。這種旅行時間將創造一個視界，在這個視界之外，遙遠的恒星將無法企及。
然而，愛倫·坡的演講并沒有獲得他所希望的熱烈反響。同年晚些時候，他在散文詩《我發現了》中發表了他的理論，但這首詩流傳度很低。次年，愛倫坡去世，年僅40歲。直到一個多世紀后，科學家才證實了，這位詩人對夜空之謎的直覺是對的。
兩個半事實
在20世紀上半葉，在愛因斯坦廣義相對論的推動下，許多關于宇宙的新理論得以發展。廣義相對論以新的方式解釋了引力、空間和時間。在20世紀下半葉，這些宇宙學理論開始通過觀測得到驗證。
1963年，英國天文學家彼得·舒爾（Peter Scheuer）認為，宇宙學是僅僅建立在“兩個半事實”的基礎之上的理論:
事實1：夜空是黑的；事實2：哈勃在1929年發表的觀測結果顯示，星系正在遠離彼此；事實2.5：宇宙中的一切可能隨著宇宙時間的展開而演化。
在20世紀五六十年代，科學界對事實2和2.5的解讀存在強烈爭議。宇宙本質上是靜止的，還是起源于一次大爆炸？然而，這兩種觀點的支持者都認同，他們需要解釋夜空的黑暗。
恒星的一生
1964年，英國宇宙學家愛德華·哈里森（Edward Harrison）解決了這個矛盾。他指出，決定夜空亮度的主要因素實際上是恒星有限的生命。
在可觀測的宇宙中，恒星的數量是非常龐大的，但也是有限的。這些有限的恒星燃燒的時間也有限，它們分布在巨大的體積上，讓黑暗在恒星之間顯現出來。
后來，哈里森意識到，這個解決方案不僅愛倫·坡提出過，而且英國物理學家開爾文勛爵（1824-1907）在1901年也提出過。
20世紀80年代的觀測證實了愛倫·坡、開爾文和哈里森的結論。奧伯斯佯謬似乎也終于得到了平息。
古老的光
事實真的如此嗎？從另一個角度來看，這個佯謬還有另一種解釋：夜空實際上并沒有那么黑。
在20世紀20年代末發現宇宙膨脹之后，科學家開始意識到，宇宙在最初的時候可能是非常緊湊、致密和高溫的。這就是我們今天的熱大爆炸模型。
該模型的一個核心預測就是存在來自宇宙之初的古老光芒?，F在，我們已經成功地觀測到這些古老的光，只不過不是通過肉眼，因為膨脹的宇宙會把這些光的波長拉長。
宇宙微波背景輻射。（圖/ESA and the Planck Collaboration）
這種輻射，就是宇宙微波背景輻射，它于1964年被探測到。現在，在精確儀器的測量下，這種背景輻射是宇宙中最常見的光。
現在我們知道，宇宙還被第二種更微弱的背景光照亮，這種背景光是由星系在形成和演化時產生的。這種光被稱為宇宙紫外、光學和紅外背景。
因此，奧伯斯佯謬也可以被解讀為：天空并不黑，而是微弱地閃爍著在宇宙的有限生命中的所有事物的暗淡遺跡的輻射。
新的答案，新的問題
2023年，奧爾伯佯謬已經發展成為一個豐富的研究領域。在這些研究工作中，科學家對夜空的亮度進行了越來越精確的測量，并用超級計算機模擬了宇宙中的恒星?，F在，科學家已經可以非常準確地確定天空中的恒星數量。
然而，謎題依然存在。去年，在冥王星軌道之外、遠離內太陽系塵埃的位置，新視野號太空探測器發現，天空的亮度是預期的兩倍。因此，天空黑暗的問題仍然存在，這是一個跨越了時代和文化的謎題。
本文轉載自微信公眾號“原理”。
原文鏈接：
https://theconversation.com/why-is-the-sky-dark-at-night-the-200-year-history-of-a-question-that-transformed-our-understanding-of-the-universe-206575
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