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奧爾貝斯悖論

牛頓知道在任何無限的宇宙中有著更深層次的矛盾，叫做奧爾貝斯 (Olbers）悖論，這個(gè)悖論是從夜晚天空的背景為什么是黑色產(chǎn)生的。早至約翰尼斯_開普勒（Uohamies Kepler）時(shí)代的天文學(xué)家就認(rèn)識(shí)到：如果宇宙是均勻的和無限的，那么不管你向哪看，你都會(huì)看到從無數(shù)個(gè)星星發(fā)出的光。凝視夜晚天空的任一點(diǎn)，我們的視線將最終穿過不計(jì)其數(shù)的星星，接收到無限數(shù)量的光線。因此，夜晚的天空應(yīng)該是一片火海！但事實(shí)是，夜晚的天空是黑的，不是白的，幾個(gè)世紀(jì)以來這成了一個(gè)微妙的，但是意義深遠(yuǎn)的宇宙矛盾。

這個(gè)悖論像本特利（Bentley）悖論一樣，看上去簡(jiǎn)單，卻使很多代的哲學(xué)家和天文學(xué)家苦惱。本特利（Bemley）悖論和奧爾貝斯（Olbers）悖論都與觀察有關(guān)，在一個(gè)無限的宇宙中，重力和光線可以產(chǎn)生無限多個(gè)沒有意義的結(jié)果。幾個(gè)世紀(jì)以來，人們提出了很多不正確的冋答。開普勒（Kepler）被這個(gè)悖論閑惑得走投無路，只得推測(cè)宇宙是有限的，被一個(gè)外殼所包圍，因此只有有限數(shù)量的光線能夠到達(dá)我們的眼球。

對(duì)這個(gè)悖論的回答是如此混亂，以至1987年的一項(xiàng)研究表明：70%的天文學(xué)教科書都給出不正確的回答。

起初，人們說光線被塵云吸收了，想由此解答奧爾貝斯（Olbers）悖論。1823 年海因里希•威廉•奧爾貝斯（Heinrich Wilhelm Olbers）第一次清楚地?cái)⑹鲞@個(gè)悖論時(shí)，他本人就是這樣回答的。奧爾貝斯（Olbers）寫道：“地球是多么幸運(yùn)啊，不是天穹每一點(diǎn)的光線都能到達(dá)地球！要不然亮度和熱度將不可想象，比我們經(jīng)受的要高90000倍，只有全能的上帝才能設(shè)計(jì)出能在這種極端環(huán)境條件下生存的生物體。”奧爾貝斯（Olbers）提出：為了地球不沐浴在像太陽光盤那樣明亮的背景中，塵云必須吸收大量的熱，地球上的生命才能夠生存。例如，我們所在的銀河星系的火焰中心，在夜晚的天空中本應(yīng)特別耀眼，但實(shí)際上它藏在了塵云的背后。因此當(dāng)我們遙望銀河系中心所在的人馬星座（Sagittarius）的方向時(shí)，我 們看到的不是閃爍的火球，而是一片黑暗。

但是塵云不能真正解釋奧爾貝斯（Olbers）悖論。經(jīng)過一個(gè)無限長(zhǎng)的時(shí)間周 期，塵云吸收來自無數(shù)星球的光線，最終將和星星表面一樣發(fā)光。因此,塵云在夜晚的天空應(yīng)發(fā)光。

同樣，人們可以假定：星星離得越遠(yuǎn)就越暗淡。這是對(duì)的，但也不能回答這個(gè)悖論。如果我們觀察夜晚天空的一部分，非常遙遠(yuǎn)的星星的確很暗，但是你看得越遠(yuǎn)，你看到的星星就越多。在均勻的宇宙中這兩者的效果互相抵消，夜晚的天空仍然應(yīng)該是白的。（這是由于光線的強(qiáng)度隨距離的平方減小，星星的數(shù)量隨 距離的平方增加，兩者抵消。）

非常奇怪的是，歷史上第一個(gè)解決這個(gè)悖論的人是一位美國(guó)的神秘作家埃德加_愛倫•坡（Edgar Allen Poe），他是一位天文學(xué)的長(zhǎng)期的業(yè)余愛好者。就在他臨死之前，他在一篇叫做《歐雷卡》的充滿哲理的散文詩中發(fā)表了他的很多觀察。其中有非常精彩的一段話：

如果星星的系列是沒有止境的，展現(xiàn)在我們面前的天空的背景應(yīng)是均勻照明的，像銀河系所顯示的那樣。因?yàn)樵谡麄€(gè)背景中絕不可能找到一個(gè)地方?jīng)]有星星。因此，在這種情況下為什么我們的望遠(yuǎn)鏡在數(shù)不清的方向什么也看不見的原因是：不可見的背景距離是如此遙遠(yuǎn)，以至根本沒有光線能到達(dá)我們。

他最后說：“到目前為止這個(gè)想法太美妙了，還無法證實(shí)。”

這是正確回答問題的關(guān)鍵。宇宙不是無限的老，它有起源。到達(dá)我們眼球的光線有一個(gè)有限的分離點(diǎn)。從最遙遠(yuǎn)星星來的光線還來不及到達(dá)我們。宇宙學(xué)家愛德華•哈里斯（Edwad Harrison）首先發(fā)現(xiàn)愛倫•坡解決了奧爾貝斯（Olbers）悖論。他寫道當(dāng)我第一次讀到愛倫•坡的詩時(shí)，我驚呆了。一個(gè)詩人，最多是一位業(yè)余科學(xué)家，怎么能在140年前就認(rèn)識(shí)到正確的答案，而在我們的學(xué)院里卻一直講解著錯(cuò)誤的結(jié)論？”

1901年，蘇格蘭的物理學(xué)家洛德•開爾文（Lord Kelvin）也發(fā)現(xiàn)了正確的答案。他認(rèn)識(shí)到：當(dāng)你遙望夜晚的天空時(shí)，你看到的是它過去的樣子，而不是現(xiàn)在的情況。因?yàn)楣獾乃俣缺M管按照地球的標(biāo)準(zhǔn)是非常之快（每秒186 282英里〔每 秒300 000千米〕），但仍然是有限的，光從遙遠(yuǎn)的星球到達(dá)地球需要時(shí)間。洛德• 開爾文（Lord Kelvin）計(jì)算得出：要想夜晚天空是白的，宇宙的范圍必須擴(kuò)大到幾百萬億光年。但是因?yàn)橛钪娴哪挲g沒有萬億年，所以夜晚天空一定是黑的。（還有第二個(gè)夜晚天空為什么是黑的理由，星星的壽命是有限的，以幾十億年計(jì)。）

近來，利用哈勃空間望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)有可能實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證愛倫•坡解答的正確性。這些強(qiáng)大的望遠(yuǎn)鏡又使我們能夠回答甚至是孩子也能提出的問題。最遠(yuǎn)的星在哪里？在最遠(yuǎn)的星之外有什么？為了回答這些問題，天文學(xué)家為哈勃空間望遠(yuǎn)鏡編制了程序以執(zhí)行一項(xiàng)歷史性的任務(wù)：拍攝宇宙最遠(yuǎn)之處的快照。為了捕捉最深層空間角落的極其微弱的輻射，該望遠(yuǎn)鏡必須完成一項(xiàng)前所未有的任務(wù)：在總共幾百小時(shí)的時(shí)間內(nèi)精確地瞄準(zhǔn)獵戶星座（Orion）附近天空的同一點(diǎn)，這要求該望遠(yuǎn)鏡在圍繞地球運(yùn)轉(zhuǎn)400圈的時(shí)間內(nèi)要完全對(duì)準(zhǔn)。此項(xiàng)目是如此之困難，不得不花費(fèi)4個(gè)月的時(shí)間才完成。

2004年，全世界的報(bào)紙以頭版頭條新聞發(fā)布了一張極有吸引力的照片。這張照片展示從大爆炸之初的混沌中凝縮出來的10000個(gè)幼稚的星系。空間望遠(yuǎn)鏡科學(xué)研究所的安東•柯克莫爾（Anton Kodcemoer）宣稱：“我們可能已經(jīng)看到創(chuàng)世的終結(jié)。”此照片顯示離開地球130億光年的一團(tuán)暗淡的星系，也就是說光要花費(fèi)130億年的時(shí)間才能到達(dá)地球。因?yàn)橛钪姹旧淼哪挲g只有137億年， 這意味著這些星系是在創(chuàng)世后大約5億年的時(shí)間形成的，這時(shí)第一批星星和星系正從大爆炸留下的氣體中凝縮出來。該研究所的天文學(xué)家馬西莫•斯蒂瓦韋 里（Massimo Stivavelli）說：“哈勃把我們帶到離開大爆炸本身只有一箭之遙。” 但是又有問題產(chǎn)生了：在最遠(yuǎn)的星系外面有什么呢？當(dāng)你凝視這張非凡的 照片時(shí)，很明顯在這些星系之間只有黑色。它是一個(gè)來自遙遠(yuǎn)星球光線的一個(gè)最終的分離點(diǎn)。然而，這些“黑色”實(shí)際上又是微波背景輻射。因此，對(duì)夜晚天空為什么是黑色的最終回答是：夜晚天空實(shí)際上根本不是黑的。（如果我們的眼睛能夠或多或少看到微波輻射，不只是可見光，我們就會(huì)看到來自大爆炸的輻射充滿夜空。在某種意義上，來自大爆炸的輻射出現(xiàn)在每晚的夜空。如果我們的眼睛能夠看到微波，我們就會(huì)看到位于最遠(yuǎn)的星星之外的創(chuàng)世主。