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夜空黑暗吗？奥伯斯佯谬？算一算就知道了！: 热度 1 jmluo0922 2015-10-12 17:43; 晚夜的星空为什么黑暗？奥伯斯用他的逻辑推导出，如果宇宙是无穷的，恒星的数量就应该是无穷，由于星光的合成作用，夜晚的天空应该亮如白昼。但事实上，夜晚的天空除星星闪烁外，是黑暗的，当然是指没有月光的夜晚。显然事实与奥伯斯的推理产生了矛盾! 计算无穷宇宙地球的光辐射照度，的确是个难题！奥伯斯采用均匀化恒星的光辐射来近似计算，存在明显问题，我在前期博客提出了一些。 1、明暗是一个相对概念，依赖观测仪器和方法； 2、均匀化模型存在明显的逻辑漏洞；例如：除太阳以外，离我们最近的恒星的距离约为4.2光年，达到我们眼睛的照度与距离的平方成反比，亮度确定，我们感受到的光就是确定的。均匀化处理后，是难以保证这个确定关系的。夜晚太阳的光照被地球遮挡，虽然在地球附近的太空中有大量由它辐射的光子，但不能进入我们眼睛，对于夜晚照度的贡献应该接近零，没有贡献。如果均匀化处理太阳，结果肯定是有贡献的！这点大家要特别注意。 3、天体的遮挡效应，包括比恒星多得多的行星，陨石，星云等，以及近处恒星对远处恒星的遮挡。因此，恒星的光在太空中传播到地球是有衰减性的，并且可能出现完全遮挡的情况。此时，观测到的宇宙就有深度的限制。因此，我们在理解夜晚的天空受到的恒星光照的物理模型时，应该根据夜晚的实际情况来建立！事实上，虽然无穷的宇宙中有无穷多的恒星，但离我们的地球都十分遥远，除太阳以外，离我们最近的恒星的距离是4.2光年，距离第10位远的恒星就达到了10亿光年。因此，恒星在宇宙中的分布密度是十分小，而且距离遥远。达到我们眼睛几乎是平行光，光通量由瞳孔的大小决定。人眼、望远镜测量到的光照度由两部分组成，一部分星光（某个方向上的平行光）透过大气直接进入视野，在某个像点产生亮点，另外就是视野外恒星的光通过大气散射的影响。第一部分：平行星光选择距离最近4.2亿光年恒星作为例子，其光辐射到达地球的照度是与地球的距离R平方成反比的，恒星的亮度是有限的L，那么照度正比于L/R 2 ；假定在这个方向上每4.2亿光年出现同等恒星，第i个重复恒星的照度正比于L/(iR) 2 ，在不考虑遮挡的情况下，对于无限宇宙，该方向光照无限累积正比于： n趋近于∞时，无穷级和为π 2 /6 经过上面的估算，某方向光照，对于无限宇宙来讲是有限的，考虑遮挡会更小。第二部分，视野外恒星的散射贡献通过上面的结果可以发现，夜晚天空在某个方向的亮度取决于最近的恒星，可以近似将天空中星体发光看成半球面发光体，考虑大气散射进入眼睛的效应就可以计算出结果了。具体的算法我还没有考虑清楚，但我想平板电场强度计算模型是可以借鉴的，最终结果与光平均面亮度有关，并且是有限。如果您有什么想法，请留言哈！; 个人分类: 杂谈|3845 次阅读|4 个评论

格物笔记（10）：说不尽的“奥伯斯佯谬”: 热度 10 lev 2015-3-9 23:53; 格物笔记（10）：说不尽的“奥伯斯佯谬” 引子我已经很久没有写物理相关的博文了。近者耽于文史，颇有些“此间乐，不思蜀也”，案头放的是吕思勉和王桐龄，规划中待交账的“文债”大半还是关乎文史。这正是：入戏太深，自己当了真...... 所幸昨夜挑灯（准确的说是今天凌晨）读了张江敏老师的博文《奥伯斯佯谬之蓝天与黑夜》 http://blog.sciencenet.cn/blog-100379-873020.html ，盖“瑞利散射”与“奥伯斯佯谬”云云。窃以为此文甚好，不花哨，属直指人心，明心见性的科普小品，贵在“ 反思的呈露 ”，又有了哲学的味道。好比浅酌一杯，生了些兴致，终于忍不住啰嗦...... 一、数学是个终结者 All problems on metaphysics could be reduced as finding somewhere exact to cut off the chain of causality . 一切形而上难题都可以化约为寻求一个适当位置斩断因果链。 ——摘自《“二把刀”山寨Wittgenstein语录》形而上问题（在这里取metaphysics的字面意思，不用“形而上学”这个词，因为它在我们的语境中有时特指“机械自然观”或“机械唯物主义”）之所以困难，在于追溯起来循环往复，没完没了（比如“鸡生蛋or蛋生鸡”）。要斩断一条“又臭又长”的因果链，最好的武器是以数学符号为语言，以逻辑推理为结构的“快刀”——比所谓“奥卡姆剃刀”要精细些。 “奥伯斯佯谬”就是这样一个没完没了的形而上问题...... 先从牛顿老人家说起。“异教徒”布鲁诺之后，宇宙（在时间和空间上）的无限逐渐成为了大家的“常识”，我们的“祖师爷”牛顿也不例外。他敏锐地注意到一点：如果宇宙是无限的，宇宙中的物质分布一定是不均匀的。牛顿归谬的思路大致如下：假设物质在宇宙中分布均匀，那么宇宙整体上有不随时空变化的物质密度ρ，把宇宙视为一个半径为R、质量为M的球，那么这个球体边缘的引力势（取球心引力势为0,当然今天我们更喜欢取无穷远处为0）为显然在宇宙是无限的前提下，则 .牛顿认为这是相当荒谬的结果——我们今天也这么看：一个理论模型预言一个可观测的物理量趋于无穷意味着这个理论模型在这里失效了。 1826年，德国人奥伯斯（H.Olbers）提出了与牛顿“相似”（注意只是相似）的观点：如果宇宙是（时间上）静态、（空间上）无限、（质量分布）均匀的，那么星空应明如白昼，而黑夜根本不存在。奥伯斯本人及后世追随讨论者更多是在形而上的思辨层面来探讨这个问题，我们最好还是像牛顿那样把数学请出来：在宇宙静止、无限、均匀的前提下，设所有恒星的平均光度为L,恒星空间数密度为n，则在地球上接收到全天所有恒星星光的总照度为宇宙空间上的无限导致r趋于无穷，故E也趋于无穷——这还是相当荒谬！应当注意，无论是牛顿还是奥伯斯，他们的归谬都用到了两个假设作为推理的“前件”： 1.宇宙是（时间上）静态、（空间上）无限、（质量分布）均匀的。 2.宇宙是“各向同性”的。前者比较明显，而后者比较隐晦——它表现为辐射随空间的反比平方关系，也就是常说的“反比平方律”，即当然，这两个假设所描述的“事态”都无法直接在实际的物理观测中检验，这时需要物理学最基本的一个实验原则介入：把不能在实验观测中直接测量的物理量转化为可以直接测量的物理量，把不能在实验观测中直接检验的事件（作为逻辑前件）转化为可以直接检测的事件（作为逻辑后件）—— 也许极端的实证主义者（比如玻尔）会对此不满，在他们看来物理学只关心实验室里可以看到并真的看到的“事实”。也就是说：事件 , r= 宇宙是（时间上）静态、（空间上）无限、（质量分布）均匀的。 s= 宇宙是各向同性的 ,若p则q等价于“并非q则并非p”(原命题与其逆否命题等价) 观测到 ,则有即观测到总照度有限，或者假设1不成立，或者假设2不成立。今天对“奥伯斯佯谬”的种种解释都是把矛头指向假设1，或者认为宇宙质量分布不均（牛顿观点），或者认为天体寿命有限（宇宙在局部的动态演化），甚至也有以引力常量随距离递减的观点。假设2的地位则非常稳固，因为否定“各向同性”就会否定掉“反比平方律”，而后者在足够大时空尺度上（宏观低速）与观测吻合得很好。其实，今天我们对宇宙整体的认识还是基于“奥伯斯佯谬”的两个假设，只是对假设1做了必要的扬弃，在现代宇宙学中这两个假设被重新表述为：在足够大的时空尺度上，宇宙整体质量分布均匀且时空各向同性，即所谓“宇宙学原理”（ cosmological principle ）——之所以要强调“足够大的时空尺度”，是无法避免宇宙在局部的各向异性与质量不均（比如太阳系、银河系）。宇宙学原理是基于爱因斯坦广义相对论的宇宙学之基础，根据老爱本人的解释，之所以要保留些假设是因为要用它来代替整个宇宙的边界条件——宇宙是没有边界条件的。但在对宇宙学原理的具体把握上，爱因斯坦犯了一生中“最大的错误”（这可是他自己是说的），因为他还固执地坚持宇宙在时间上是静态的——此中涉及著名的“宇宙常数”，按下不表。一般教科书上的说法，基于广义相对论的现代宇宙学确立后（尤其在动态演化的宇宙模型中），“奥伯斯佯谬”好像就自然而然地消失了。问题是：它真的被数学武装起来的物理学给终结了吗？ ——God knows! 最好问霍金...... 二、能被数学终结的哲学问题不是一个好的物理学问题！南方无穷而有穷。今日适越而昔来。 ...... 我知天之中央，燕之北、越之南是也。 ——摘自《庄子·杂篇·天下》形而上难题往往都是没完没了的，因为它们几乎都同构一个问题：有限还是无限或有穷还是无穷的问题——按徐利治先生的标准（手头没书，可能记得不清了，欢迎指正），infinite这个词儿，如果是针对离散的对象可用“无穷”，如果是连续的对象可用“无限”。关于这个问题嘛，数学家在牛顿、莱布尼兹时代认为自己弄清楚了......在柯西、魏尔斯特拉斯时代也认为自己弄清楚了......在希尔伯特、弗雷格时代又认为自己弄清楚了...... 今天到底怎么样？——反正我不知道也看不懂了。哲学家也总有些另类：康德在前面指引，尼采操一把铁锤向“苏格拉底”的圣像砸去，海德格尔在后面跟进，恩格斯和维特根斯坦沿着不同的路径宣布“哲学的终结 ”——这样斩断因果链，太暴力了！物理学得回到自己的历史中去：宇宙有限还是无限的问题其实一直和“上帝”的位置纠缠不休...... 今天一说物理学史一定得上溯到古希腊去，亚里士多德已经为我们准备好了“物理学”（physics）这个词，却和我们今天广泛使用的涵义完全不同——我们今天离开物理学史谈的物理学是从牛顿开始的，它的“道统”（如果存在的话）是以“反亚里士多德”(准确的说是反天主教塑造的亚里士多德)为基础的。这个转折可以牛顿的名著《自然哲学的数学原理》为标志，一如这个响亮的名字（它蕴含了物理学的全部核心），之前是“自然哲学”（natural philosophy）的时代，之后才是“物理学”的王朝。套用克劳塞维茨的名言，我们可以说：物理学是数学化的自然哲学，自然哲学是无数学的物理学 ——贯穿其中的是实验的精神（谁说亚里士多德不做实验？！），而数学或者说逻辑全面的介入恰恰是亚里士多德与牛顿之间的中世界所谓“经院哲学”（ scholasticism ）传统。亚里士多德时代还处于自然哲学阶段的物理学与高度数学化的天文学（以托勒密为集大成者）本来是两条知识路径，中世纪天主教的“大一统”为二者提供了合流的平台。然而无论是古希腊的亚里士多德、欧多克斯、阿里斯塔克、托勒密，还是中世末期的哥白尼、第谷、开普勒，甚至到伽利略，他们都很自然地把自己所描绘的宇宙圈定在有限的范围，他们需要予上帝以空间。只有一个毫不专业的“异教徒”布鲁诺选择在神学意义上狂热地宣扬无限宇宙进而将上帝排挤出去，最后他被烧死了。而牛顿的高明之处正如他在《原理》（为回应自己不信神的攻讦）中消解掉了中世纪的上帝，从而构造了物理学时代的上帝（就是爱因斯坦口中“斯宾诺莎的上帝”）—— 他把上帝对宇宙的占有权转化为上帝对宇宙规律的支配权。从此物理学家不必在宇宙中预留“奥林匹斯山”，宇宙规律存在，上帝就存在，宇宙无限意味着上帝的荣耀永恒 ——“宇宙无限”终于可以作为一个羞答答的常识得以宣扬....... 广义相对论刻画的一个“有限而无界”的宇宙，以及衍生出的the Big Bang,激发了沉默已久的教廷新的热情——终于可以不带任何负担地为伽利略平反。保罗二世不无欣慰地告诫霍金（1981）：够了，请到奇点为止，其它的（时间之前、空间之外）留给上帝。故事还没有结束—— 2011年霍金又带着他的《大设计》（ The Grand Design ）登场了，单从这个名字，我们就知道，他的野心远胜牛顿，这一次他要“代上帝立言”......; 个人分类: 格物笔记|5937 次阅读|24 个评论

宇宙为什么是黑色的？: harmonism 2010-5-20 00:14; 宇宙为什么是黑色的？曾纪晴晚餐时，儿子问我：爸爸，为什么宇宙是黑色的呢？儿子从两三岁开始就特别喜欢看有关宇宙的图书和视频资料。通过电脑网络，看完了中央电视台的《斗转星移》。他还特别喜欢看教科文行动《探索宇宙》的 VCD 。不仅是关于宇宙的图书，还是各种影视资料，我们看见的宇宙本底都是黑色的。每当夜晚，我们仰望星空时，看见浩瀚的宇宙也是黑色的。只有在偏远的乡村，没有月亮的夜晚，我们才可以看到灿烂的银河。为什么宇宙是黑色的呢？我还没有想过这个问题呢。还好，现在有网络，似乎什么问题都能找到答案。原来这是一个著名的宇宙学问题呢！这个问题早在 400 年前就由德国天体物理学家开普勒提出来啦。 18 世纪的时候一个叫夏西亚科斯的人也提出过类似问题。 1823 年，德国天文学家奥伯斯提出了著名的奥伯斯佯谬，认为假如宇宙是恒稳态而且是无限的，那么晚上就应该是光亮而不是黑暗的。也就是说，天上的星星是无限多的，虽然光照强度与距离的平方成反比，但随着距离的增大星星的数量也成倍地增多，抵消掉了光强随距离而减弱的趋势，因此天空应该是光亮的才对。但事实上，夜晚的天空却是黑暗的。目前被接受的解释是：宇宙的年龄是有限的以及红移效应。我想，跟孩子没法讲清楚这些东西。况且，我自己也不觉得天文学家的这些解释就一定完全正确。我给孩子的解释依然遵循距离效应。宇宙中虽然有许多恒星，但是它们都距离我们太远了。我们可以假设，你拿一个手电筒远远地照向我，当你离开我很远很远的时候，我几乎看不见你的手电筒发出的光亮。那些遥远的星星之所以发出微弱的亮光，就是因为他们离我们地球太远太远啦！离太阳最近的恒星发出的光都要走 4 年多才能到达地球！光的速度是很快的，一秒钟就能走 30 万公里，这么快的光都要走 4 年多，你说远不远？我试图给儿子深入浅出地解释。很远啊！儿子说道。是啊，那么遥远的星星，它发出的光到达地球的时候就像是萤火虫那么一点亮了。那么，离它更遥远的星星呢？它们发出的光达到地球的时候可能就更加微弱了。离地球最远的星星大约是 130 亿光年，也就是说光都要走 130 亿年。那里恒星的光到达地球，我们肉眼根本无法看到。就像你拿个手电筒远远地照射我，我已经几乎看不见任何光亮了，假如有一个人站在你后面，离我更加遥远的地方向我打手电筒，我就完全看不到手电筒的光亮了。假如有很多很多人一个接着一个地站在后面，距离都不断加大，即使他们有无数的人，拿着无数多的手电筒向我照射过来，我同样还是看不见他们手电筒的亮光。这就是为什么尽管天上的星星非常多，我们晚上依然是黑暗的原因。我觉得我这个解释似乎行得通啊。不过，我不知道儿子是否认同我的解释。只见他若有所思，问道：爸爸，假如在月亮上建造一个比房子还大的手电筒，需要八千个人才能拿得动，会怎么样？哈哈，小家伙大约是嫌手电筒太小，不够亮啊，所以我才看不见亮光。其实啊，这不是光亮不够的问题，而是距离实在太遥远的问题。当距离无穷大的时候，即使光再强，最后都将减弱为无穷小。无限多个无穷小加起来如何？能够使得夜空明亮起来吗？ 2010-5-19; 个人分类: 天和之路：一个父亲的育儿日记|9124 次阅读|3 个评论

黑夜中的畅想——夜空为什么是黑暗的？: eloa 2008-12-13 10:46; Shea 发表于2008-12-10 星期三 14:10 Ken Croswell 文 Shea 编译版本信息：本文最初于2002年5月首次刊载于火流星网站，此版本为译者再编辑版。有时，天文学中最简单的问题却是最难回答的太阳又下山了。玫瑰色的云在头顶上浮动，朱红与金黄又一次出现在地平线上。家里都点上了灯，餐桌上蜡烛隐隐作亮，在晚霞的映衬下，街边的路灯就像是项链上的珍珠闪闪发光。黄昏越来越暗，星星出现了，它们一如既往地出现在这墨黑的穹顶之上。但是为什么夜空是黑的呢？这是一个简单的也许只有孩子才会问的问题，父母对此也许会不屑一顾，但是宇宙学家爱德华哈里森（Edward Harrison）却花了几十年的时间来研究这个看似简单的问题。许多年前我开始对夜空的黑暗之谜产生了兴趣，在《夜的黑》（Darkness at Night）这本书中他写道，我常常思考宇宙为什么没有充满光，即使在我解决了这一问题之后也是如此。这个古老的谜题仍旧萦绕在我周围。有时几个小时，有时几天，我会重新思考这个问题，为大自然的力量和精妙所深深打动。图片版权：Wojciech Gaczek。夜空为什么是黑的，乍一看很明显，因为太阳下山了。但是还有恒星在闪耀啊。如果宇宙是无限的，充满着无数颗恒星，那么夜晚将和白天一样的明亮。这种理论和观测之间的矛盾被称为奥伯斯佯谬，奥伯斯是19世纪的医生和天文学家。从彗星到宇宙学海因里奥伯斯（Heinrich Wilhelm Olbers）每晚只睡4个小时。白天医治德国北部城市布莱梅（Bremen）的病人，为此他赢得了治愈霍乱的荣誉。晚上他观测天空寻找彗星，发现了前4颗小行星中的2颗。：海因里奥伯斯。 1823年，奥伯斯写了一篇宇宙学论文。他说，想象一下，如果恒星均匀的分布在宇宙空间里。离地球近的恒星，自然看起来就大，但远处的恒星数量多，因为在一个固定的视角下，距离越远空间就越大。奥伯斯证明数量巨大的远距离恒星弥补了它们较小的视尺寸，在给定半径的球壳中也能覆盖整个天空。如果宇宙是无限的，这样的球壳也将有无限多个，就意味着天空中将充满星星，夜空将会和白天一样明亮。奥伯斯写道：多幸运，大自然并没有这样安排事物。多幸运，地球并没有沉浸在耀眼的星光之中。否则，天文学仍将处于蒙昧的阶段。我们将无法看到星星，只有通过观测黑子来推断太阳的行踪，而月亮和行星仅仅是明亮背景上移动着的暗斑。那时，奥伯斯的工作并没有引起注意，同样夜晚的黑暗之谜也无人问津。英国人托马斯迪格斯（Thomas Digges）赢得了这一荣誉。1576年，在其父所写的一本书（Prognostication Euerlastinge）的附录中，迪格斯提到了这个问题。这本书采用了以地球为中心的宇宙体系，但在附录中迪格斯却是哥白尼的支持者。而且他比哥白尼更进一步，他认为恒星散布于宇宙空间中。之后，他尝试解释为什么夜晚没有被星光照亮：无穷天球上的恒星发出无限的光芒。但是它们互相遮挡，而且距离相当遥远，于是星光就越来越弱。所以我们就看到了现在的景象。因此，迪格斯认为夜晚是黑的原因是遥远的恒星太暗弱以致于看不见了。尽管这个解释看起来是合理的，但它是错的。把所有看不见的恒星的光结合起来，可以达到能被看见的程度。事实上，肉眼可以看到仙女座星系，但是仙女星系中没有一颗恒星亮到足以能让肉眼看到。：肉眼可以看到仙女座星系，但是仙女中没有一颗恒星亮到足以能让肉眼看到。图片版权：Jerry Lodriguss。迪格斯认为宇宙是无限的，但是伟大的德国天文学家约翰内斯开普勒（Johannes Kepler）却对此表示不满。开普勒认为无限的宇宙会使太阳迷失在茫茫的星海之中。他说，夜空之所以是黑的，是因为在我们居住的星际空间周围有一堵暗墙。一百多年后，爱德华哈雷（Edward Halley）也思考了这一问题。1721年，在皇家科学院的一次演讲中，他提出了两个方法来调和无限而又充满恒星的宇宙，使它有一个黑暗的夜晚。第一，由于数学上的错误，他错误的认为远处大量恒星的光无法等效为近处少量恒星的光。第二，他重复了迪格斯的观点，看不见的恒星对于光没有贡献，它们的光线太弱，无法使我们感觉到。所以，哈雷也没有给出夜晚为什么是黑暗的的答案。另一个思考这一问题的人是瑞士天文学家让-菲利普卢瓦斯德谢诺（Jean-Phillippe Loys de Cheseaux）。1744年，在有关当年一颗有着6条彗尾的彗星的书的附录里，他也讨论了这个问题。与迪格斯和哈雷不同，谢诺认识到远处看不见的恒星对于整个天空中的光是有贡献的。他说，夜空之所以是黑的，原因是宇宙空间并不是透明的。相反，它充满着物质，它们会吸收光线，产生一个黑暗的夜空。奥伯斯在1823年的论文中也提到了相同的观点。但是奇怪的是，奥伯斯有谢诺写的这本书，但是他却没有引用它，可是却提到了哈雷。然而，谢诺和奥伯斯也都错了。空间中的消光物质无法使夜空变暗。不久，天文学家认识到，消光物质在遮挡光线的同时，也会被光线所加热，进而发光，它们将会和恒星一样的明亮。这就像大雨中的树。起先叶子还能保护地面不受雨淋，可是不久雨水便会从叶子上滴落下来，最终地面还是会湿透。渡鸦的述说令人惊讶的是，第一个给出奥伯斯佯谬正确解释的人不是来自欧洲装备齐全天文台的天文学家，而是一个美国诗人。在他短暂的一生中，爱伦坡（Edgar Allan Poe）以其带有恐怖和超自然色彩的小说、诗歌享誉世界。黑暗笼罩着爱伦坡的一生。在他两岁时，他的母亲死了。在大学时，因为赌博和酗酒而生活拮据，之后他便生活在贫困之中。他妻子二十几岁时便离开了人世。他40岁时，在一阵狂饮之后，结束了自己的生命。：爱伦坡。黑暗也同样萦绕着爱伦坡的作品。在《渡鸦》（Raven）中他写道： Deep into that darkness peering, long I stood there wondering, fearing, Doubting, dreaming dreams no mortal ever dared to dream before; But the silence was unbroken, and the darkness gave no token 哈里森发现，爱伦坡在其死前一年所写的《我发现了》（Eureka）中正确揭示了奥伯斯佯谬。哈里森说：当我第一次读爱伦坡的作品时，我大吃一惊。一个诗人，不，一个最了不起的业余科学家在140年前就领悟到了问题的本质，而在我们的学校中仍旧在宣扬错误的观点。 1848年，爱伦坡出版了《我发现了》。他写道，当我写完〈我发现了〉之后，我便丧失了对生的渴望。我已无法再写作了。爱伦坡本希望他的出版商能出版5万本，结果只有5百本。评价也是各不相同，有人说它新颖、骇俗；另一些人则对此不屑一顾。在近代，当哈里森欢呼，认为它是人类思想的杰作时，英国天文学家爱丁顿（Eddington）爵士则认为它是怪人的理论。对爱伦坡来说，上帝就是一个诗人，宇宙就是最卓越的诗。他这样解释奥伯斯佯谬：星星无穷无尽，天空的背景就会呈现出明亮，就象是银河它们不会呈现点状，在背景中也不会出现一颗星星。因此，只有一种可能，由于恒星的距离实在是太远了，它们发出的光还没来得及到达地球。简要地说，爱伦坡认为，之所以遥远恒星的光没有照亮星空是因为它们还没来得及到达地球；我们无法看到比宇宙更远的地方。用现在的话来讲，我们无法看到137亿光年之外的东西。所以，黑暗的夜空是宇宙诞生的证据。但是，立刻爱伦坡又开始怀疑自己的解释。也许是这样的吧，有谁会冒险来质疑它呢？他写道，我相信它是正确的。：宇宙诞生和演化的时间线。图片版权：NASA。在《我发现了》中，爱伦坡数次提到了德国天文学家约翰马德勒（Johann Madler），由于在他十几岁时出现的大彗星使他对天文学产生了兴趣。马德勒绘制月面图，并且出版了一本书《大众天文学》，这本书再版了6次。在早期的版本中，马德勒和奥伯斯一样，认为是星际物质吸收星光而使夜空变得黑暗。但在1858年的另一本书（《我发现了》出版后10年）以及畅销的1861年版的《大众天文学》中，他则给出了和爱伦坡相似的解释：光速是有限的；它传播需要时间，因此，我们看到的光是经过有限的时间才到这我们这儿的。这样夜空黑暗之谜就可以得到合理而充分的解释，星际消光的限制就可以被排除了。更确切的讲，远处的星光还没有到达我们这里。 1901年，苏格兰数学家、物理学家开尔文（Kelvin）对这一解释进行了量化。开尔文的计算表明，若要夜空变得明亮，我们至少要能看到数百万亿光年远的范围。由于宇宙的年龄现在远小于1万亿年，所以夜空是黑的。爱伦坡、马德勒和开尔文都认识到了天文学家所能看到的宇宙是过去的样子而不是现在的样子。看得越远，就越深入过去哈里森认为宗教的信条延缓了奥伯斯佯谬的解决。我们回顾历史，为什么人们对整件事无动于衷，这个问题有着文化背景，哈里森说，从一个层面上讲，人们已认识到了光速的重要性，但是真正的矛盾来自根深蒂固的宇宙观。这涉及到宇宙的年龄。如果你意识到这将与《圣经》相悖，你最好保持沉默。《圣经》是这样说的，宇宙将近有6000年的历史，也就是说天文学家仅能看到6000光年远的范围。深入奥伯斯佯谬尽管奥伯斯佯谬已有几个世纪的历史，但是直到20世纪50年代它才开始引人注目。的确，如果你在奥伯斯的年代，提起奥伯斯佯谬，人们根本不知道你在谈论什么。 1952年，亨曼邦迪（Hermann Bondi）的《宇宙学》（Cosmology）一书首次提到了奥伯斯佯谬。邦迪是稳恒态宇宙学的支持者。与大爆炸宇宙学不同，稳恒态宇宙学认为宇宙不是创生于150亿年前的大爆炸，相反宇宙永远存在着。在一个永存的宇宙中，爱伦坡对奥伯斯佯谬的解释遥远的星光还没有抵达地球就行不通了。如果宇宙的年龄是无限的，则天文学家能看到无限远处。为此，稳恒态理论用宇宙膨胀来解决这个问题。膨胀的空间会使穿行其中光的波长变长，或者红化，因此光传播的越远，红移就越大。红光的光子能量比黄光或是蓝光来得低，红移会减弱来自遥远星系星光的能量，进而夜空是暗的。1955年，稳恒态宇宙学家福雷德霍伊尔（Fred Hoyle）在他的《天文学前沿》（Frontiers of Astronomy）一书中写道，因为宇宙膨胀，所以夜晚是黑的。这是一个意料之外的解释以致于19世纪的天文学从来没有想到过。：膨胀的宇宙就好像是不断往里吹气的气球，随着气球变大，波长也在增大。图片版权：Addison Wesley。虽然，这是一种进步，但是红移无法解释奥伯斯佯谬。它仅仅在稳恒态宇宙学中适用，而这一宇宙学模型并没有被天文学家广为接受。在大爆炸宇宙学中，膨胀的空间对夜晚的黑暗不起什么作用，即使宇宙停止膨胀夜晚仍将是黑的。然而大多数的书中却不是这么写的。1987年的调查显示，只有30%的天文学书籍正确解释了为什么夜晚是黑的。哈里森认为夜晚的黑暗和膨胀的宇宙之间的联系很清楚第一，微不足道；第二，过于深奥这得归咎于50年代的宇宙学普及。晚上走到户外，天文学家这样吸引他们的听众，抬头仰望繁星点点的夜空，他的《夜的黑》一书中写道，黑暗的夜空证明宇宙在膨胀。这就象是一本书的主题，扉页上则写着多普勒效应，以此来吸引大量的听众。宇宙的能量危机从爱伦坡开始，天文学家已对黑暗的夜空有了一个正确的解释：宇宙还太年轻。1964年，哈里森发现了另一个正确的解释：宇宙拥有的能量太少。在邦迪的宇宙学书中，哈里森首次知道了奥伯斯佯谬。哈里森决定计算，若是夜空要被无数的星星照亮要多少能量。起先，我的计算结果简直我法令人相信，他写道，但之后，事情就清楚了，我们一直沿用错误的角度来看待整个问题。：射电波段的天空。：近红外波段的天空。：可见光波段的天空。：X射线波段的天空。：射线波段的天空。在可观测的宇宙中，所有恒星所产生的能量是非常小的。哈里森的计算表明，若要照亮夜空，可观测宇宙需要的能量为现今的10万亿倍每颗恒星的发光度要上升10万亿倍，或者恒星的数目要增加10万亿倍。另外，恒星不可能永生，就算宇宙无限老，夜空仍旧是黑暗的，原因是恒星总是会死亡的。就像太阳，恒星通过核反应将质量转化成能量。哈里森证明，就算宇宙中的所有质量都转化成能量，夜晚也不会比一个有月亮的晚上亮。因此，现在有了双保险宇宙还太年轻而且能量不足。点亮整个宇宙就像是用一根蜡烛花上一个小时来加热一幢房子：一个小时太短了，即使你能等更长的时间，可是在完成这项任务前，蜡烛也已燃尽了。所以，天文学家终于能回答为什么夜空是黑暗的了。一百多年前科学家解释了为什么天空是蓝的，但是看起来更简单的问题夜空为什么是黑暗的，却直到20世纪才有了完整的答案。它印证了，被黑暗迷住的人才是第一个揭开它神秘面纱的人。转载原创文章请注明，转载自：科学松鼠会本文链接: http://songshuhui.net/archives/5711.html; 个人分类: 天文|1837 次阅读|0 个评论

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