歐伯斯佯謬 =奧伯斯弔詭 olbers-paradox
歐伯斯佯謬由德國天文學家歐伯斯於1823年提出,於1826年修訂,是指若宇宙是穩恆態而且無限的,則晚上應該是光亮而不是黑暗的。在此之前,類似的想法已由克卜勒於1610年提出,後來於18世紀愛德蒙·哈雷及夏西亞科斯(Jean-Philippe de Cheseaux)的作品逐漸成熟。黑暗的夜晚印證了宇宙乃非穏恆態的,是大爆炸理論的證據之一。歐伯斯佯謬又稱夜黑佯謬或光度佯謬。
假如宇宙是穏恆態而無限,而且有無數平均分布的發光星體,則無論望向天上哪一位置都應該見到一粒星體的表面,星與星之間便不應有黑暗的位置,黑夜時整個天都會是光亮的。
更確切的表述是,如果宇宙是穩恆,無限大,時空平直的,其中均勻分布著同樣的發光體,由於發光體的照度與距離的平方成反比,而一定距離上球殼內的發光體數目和距離的平方成正比,這樣就使得距地球距離──全部發光體的照度的積分不收斂,黑夜的天空應當是無限亮的。
http://sa.ylib.com/MagCont.aspx?Unit=featurearticles&id=2766為什麼夜晚的天空是昏暗的?畢竟,假如宇宙裡充滿了數十億個星系,每個星系又匯聚數十億個恆星,而這些恆星已經發出光子達數十億年之久,那宇宙豈不是早就充滿了光子?德國天文學家奧伯斯(Wilhelm Olbers)在1820年代曾經仔細思索這個問題,後人稱這個問題為「奧伯斯弔詭」。在那之前的幾個世紀,天文學家與哲學家非常納悶夜空為何是昏暗的,以及昏暗代表的宇宙本質。事實證明,這些學者確實觸及了某些深奧的道理。
其實我們無法輕易看見大部份的光。即使處在深邃的太空中,遠離了從地球反射、銀河系恆星發出的所有光,星系際空間的天幕也並不完全是黑的,而是散發著所謂的河外背景光(extragalactic background light, EBL,又稱銀河系外背景光)。EBL包含宇宙從古至今、曾經存在的恆星與星系輻射出的所有光子,波長範圍從紫外光到遠紅外光。相較於發光(或曾經發光)的星系數目,河外空間(extragalactic space)的幅員廣闊,因此遙遠星系發出的EBL非常微弱。由於宇宙仍在膨脹中,遙遠星系發射的光子會分散至整個太空中而大幅稀釋,從遙遠星系來的光會發生「紅移」現象:光的波長增長,頻率落在電磁波頻譜中偏向紅光那一端的波段。
天文學家早已預期EBL存在,但是無法精準測量。2012~2013年,許多研究人員,包括本文作者多明格斯與普里馬克在內,利用費米γ射線太空望遠鏡與地面上稱為大氣切侖科夫望遠鏡(atmospheric Cherenkov telescopes)的超高能量γ射線偵測器蒐集到的γ射線數據,終於能夠明確量化EBL。有趣的是,因為EBL大多是由恆星直接發出的光或塵埃受熱升溫而發出波長較長的輻射構成,EBL其實保存了宇宙各個時期內恆星形成的「記憶」。的確,那些在130億年前形成的第一代星系,因為太過黯淡而無法使用現有的望遠鏡直接觀測。但藉由測量EBL來探索從古至今的星系演化,最終或許能夠讓我們研究那些古早的原始星系。
難以觀測的宇宙背景
奧伯斯弔詭原本是一個哲學問題,直到1960年代,整個電磁波頻譜的許多觀測波段都獲致驚人的天文發現,才把宇宙學從純粹猜想轉變成堅實的觀測科學。當時,天文學家剛開始觀測到許多奇怪的星系與銀河系外天體,我們逐漸明瞭宇宙中充滿了從各個不同方向、穿越河外空間而來的稀薄光子「氣體」。這些光子的波長各異,分佈在許多不同的能量範圍內(較短的波長對應到較高的頻率與較高的能量;長波長則具有較低的頻率與較低的能量)。
那些「氣體」包括了EBL以及數個從各方向上看到的其他輻射場,其中最明亮的是源自大霹靂的宇宙微波背景(cosmic microwave background, CMB)。1965年,任職於美國貝爾實驗室的潘琪亞斯(Arno Penzias)與威爾遜(Robert W. Wilson)發現了CMB,因此獲得1978年的諾貝爾物理獎。科學家在1960年代發射了探空火箭而找到另一種輻射場──銀河系外的瀰散X射線背景;1960年代晚期,一架繞行太陽的衛星也觀測到一種更高能量的γ射線背景。
EBL是包含近紫外光、可見光與紅外光波長的宇宙背景,能量與強度僅次於CMB。但EBL並不像CMB那樣是全部一次產生,而是源自大霹靂後大約兩億年時形成的第一代星系裡的第一代恆星,並且歷經數十億年增加而成。的確,要是今天有新恆星誕生並且開始發光,就會增添EBL。
http://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/?p=3932為什麼晚上的天空是黑色的?奧伯斯詭論