奥伯斯佯谬与现代宇宙学

奥伯斯佯谬由德国天文学家奥伯斯于19世纪20年代提出，他提出：如果宇宙是静止、均匀和无限的，那么夜晚的天空应该和白天一样“光鲜亮丽”。

奥伯斯佯谬示意图 | 图源：网络

什么是奥伯斯佯谬？

图中的1、 2、3、4区域，都分布着一些发光的天体。这些天体离我们很远，发出的光需要很长时间才能到达地球。如果宇宙在时间上向前、向后都是无限的，那么这些天体发出的光一定会传播到地球上来。当然4区域的天体因为离得远，看起来会更加暗淡一些。但是4区域的光源数目比1区域多，数量上的增加刚好能抵消因距离增加所带来光亮度的衰减，所以4区域和1区域能发射同样多的光照到地球上来。又因为宇宙是无限大的，宇宙所有地方发出的光最终都会照到地球上。于是地球上也就没有了白天与黑夜，永远都是“亮堂堂”的。

谬在何处？

但是我们实际看到的黑夜“伸手不见五指”，这说明“宇宙是静止、均匀和无限的”三个基本假设是有问题的，至少有一个是不对的。到底哪几个出了问题呢？

物理学上有一个现象叫多普勒效应：运动物体发出的波的频率和观测者的位置有关。如果观测者和波源相对运动，那么波长会变短，频率变大；如果观测者和波源相互远离，那么波长变长，频率变小。以电磁波中的可见光为例，因为红光的波长较长，蓝光波长较短；由多普勒效应造成光线波长变长、光线的颜色往红光一端靠近的现象叫做多普勒红移；造成波长变短、光线颜色往蓝光一端移动的现象叫做多普勒蓝移。20世纪20年代美国天文学家哈勃发现除了少数几个临近的星系，所有的星系发出的光都向红端移动。这说明这些星系都在远离我们，而且离我们越远，远离的速度越大。这个现象叫“哈勃–勒梅特定律”。

宇宙有边吗？

哈勃的发现说明宇宙是膨胀的，而且通过对膨胀速度的进一步测量，科学家们发现宇宙是在加速膨胀的。那么逆着时间的方向向回看，宇宙在越早期，就越小。也就是说宇宙是由小到大，不断“成长”起来的。宇宙有一个时间上的起点，光的传播速度又是一定的，那么我们可观测的宇宙的范围就是有限的。

所以出问题的是“宇宙是静止、无限的”这两个假设。“哈勃–勒梅特定律”的发现，证实了宇宙是在膨胀的。第三个假设“宇宙是无限的”，有两层含义，一个是时间上是无限的，一个是空间上是无限的。空间上的无限是没问题的，问题出在时间的无限上。

可观测宇宙的范围 | 图源：网络

如果宇宙有一个寿命，那么奥伯斯佯谬就好理解了。因为光的速度是有限的，为每秒钟30万公里。遥远宇宙的天体，因为距离太过遥远，它发出的光还未到达地球。也就是说我们可见的宇宙是有边际的，存在一个所谓“宇宙视界”。地球上的黑夜，也就可以不那么亮了。当然事情还要更复杂一点。我们现在看到的遥远的天体，其实是这个天体很早以前发的光。我们可见宇宙的边际，其实就是宇宙起点的遗迹。

人类对静态宇宙学的坚持是非常顽固的。爱因斯坦为了消除广义相对论的膨胀宇宙解，在理论中人为引入了宇宙学常数。宇宙学常数的问题非常具有戏剧性，我们将在以后的文章中详细讨论。在大爆炸宇宙学发展的初期，还有一个称为“稳恒态宇宙学”模型和它竞争。这种对抗持续了多年，最终惨败。人类对静态宇宙的坚持，原因之一肯定是和日常的感受一致，另一种原因可能是静态宇宙学模型能给我们带来安全感。

宇宙的归宿如何？

事实上大爆炸宇宙学模型给出的宇宙未来前景确实是令人悲观和沮丧的。如果宇宙无限加速膨胀，膨胀速度越来越快的话，将会撕裂星系，恒星，甚至是原子。这种大撕裂宇宙学模型下，宇宙中的物质都将解体，最终只剩下非常“冷”的基本粒子像幽灵一样在宇宙中游荡。当然这样的图像不是必然要发生的，至于宇宙的归宿如何，还需要进一步的研究。

宇宙的演化历史| 图源：NASA

现代宇宙学的研究始于广义相对论和哈勃定律的发现，经过人类近百年的努力，已经成为一门严谨而成熟的学科。我们已经基本搞清楚了宇宙从起源到尽头的演化历史，也基本搞清楚了宇宙的物质构成。我们对宇宙的认识和一百年前相比，已经有了翻天覆地变化。

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作者简介

冯磊：紫金山天文台副研究员，中科院青年创新促进会会员。主要从事粒子宇宙学和暗物质间接探测的研究。

主编：毛瑞青

编辑：王科超、高娜