奥伯斯佯谬
“宇宙到底是不是永恒的”这个问题很早就有人思考的,而且最早人们认为宇宙就是永恒的。近代物理学的奠基人牛顿就曾经被这个问题折磨得要疯。这是因为牛顿提出了万有引力定律,他认为物质之间只存在彼此吸引的力。
那这和宇宙是有永恒的有什么关系呢?
我们可以来想象一下,如果宇宙是一个以物质为主的世界,那当中的物质都是存在引力作用的,也就是说,最终所有的物体都会朝着质心聚拢。那么问题来了,为什么我们观测不到这个现象?而且这个问题本身也和宇宙是永恒的相违背。
基于这个矛盾,牛顿纠结了很久,最终不得不提出一个观点:宇宙是无限大的。这样宇宙就处处是中心,也就不会出现往一个点聚拢的情况。
但没有多久,就有一个人对牛顿的观点提出了质疑,这个人叫做奥伯斯。他说,如果宇宙是永恒的,并且是无限大的,那就意味着宇宙中无限多的恒星,那就有无限多的发光源,它们会照亮宇宙,所以,夜晚不应该是黑的,而应该和白天一样。
这个想法也被称为奥伯斯佯谬。他的这个想法其实一直都没有办法得到解决。直到人类对于光和宇宙有个更为深入的了解才搞明白。
光速问题
关于奥伯斯佯谬有个基本问题是他的时代意识不到的,这问题就是:光的传递是瞬间的还是光也是有速度。对于光速的测量很早就有,著名的伽利略就曾经尝试去测光速,结果他失败了。
后来到了20世纪初,也就是几乎到了爱因斯坦的时代(准确说是麦克斯韦以及赫兹的时代),科学家终于确立了光速。光速的确立,至少让我们明白一点,那就是光从其他天体传播过来也需要时间。当然,如果宇宙是永恒的,那恒星的光总是会传到地球上来,所以夜空当然还是全亮的。所以,光速的确立并不能完全解决这个问题。
宇宙大爆炸
后来,又过了20多年,哈勃就发现,很多星系正在红移。具体来说,就是这些星系正在远离我们。进一步的研究就发现。并不是它们在运动,而是宇宙空间在膨胀。
勒梅特基于哈勃的观测以及爱因斯坦的广义相对论方程理论,提出了宇宙有个起点,起源于一次大爆炸,并且从那之后宇宙就开始膨胀。
起初,这个想法并没有受到很多科研人员的关注,它也就成了一个非主流的理论。后来,经过伽莫夫等人深化了这个理论,这个理论后来就被称为大爆炸理论。
在这次深化理论的过程中,他们提出了两个可以证明宇宙大爆炸真实存在的证据,一个叫做宇宙微波背景辐射。它其实是大爆炸的余热,在宇宙38万岁时,开始在宇宙中传播。
后来,被两位无线电工程师彭齐亚斯和威尔逊所发现,两人还因此获得了1978年的诺贝尔物理学奖。
另一个证明宇宙大爆炸的真实证据是氦元素丰度。这是说,在宇宙形成早期不仅仅形成了大量的氢元素原子,实际上还会有一些氦元素原子的产生。而科学家对宇宙中氦元素的丰度进行了测量,和理论事项符合的。
因此,宇宙大爆炸理论才开始被科学家广泛接受,并成为了如今关于宇宙起源的主流理论。
而哈勃的观测,宇宙大爆炸都指向了一个结果:宇宙并不是永恒的宇宙有个炙热的开端,宇宙起源于在138亿年的一次大爆炸,随后宇宙空间在持续的膨胀。
根据最新的宇宙微波背景辐射的数据,我们还得出宇宙是平坦的,并且有加速膨胀的趋势(当然早在1998年就发现了这一点。)同时,宇宙还是无限大的。这也就解释了奥伯斯佯谬。整个过程是这样的,由于宇宙正在膨胀,宇宙的年龄是138亿岁。这就使得引力波或者中微子从宇宙诞生之初一直跑到现在,也只能跑465亿光年的距离。而光是从宇宙38万岁时才开始在宇宙中传播的,它能跑得最远距离是461亿光年。(这里其实不是138亿光年,是因为需要把膨胀效应考虑进去。而引力波和中微子比光多跑38万年,所以传播的距离更长一些。)
但我们上文也提到了,根据目前的观测结果:宇宙是无限大的。因此,并不是整个宇宙的光都能到达地球然后被观测到,而只有半径为461亿光年球面内的恒星的光可以到达地球,只有半径为465亿光年内的球面内的引力波和中微子可以传播到地球。再加上无论是光、中微子、引力波都不可能超过光速,因此跑到地球还需要一定的时间。这才使得夜晚的天并不是亮的,而只有少量的星光。
(多说一句,可观测宇宙的半径其实就是465亿光年,这是理论上人类能观测到最远的范围。)