Войти
По мере того как в этой анимации раскрываются более далекие звезды, изображающие бесконечную, однородную и статичную Вселенную, они заполняют промежутки между более близкими звездами. Парадокс Ольберса утверждает, что, поскольку ночное небо темное, по крайней мере, одно из этих трех предположений о природе Вселенной должно быть ложным. В астрофизике и физической космологии, парадокс Ольберс, названный в честь немецкого астронома Генриха Вильгельма Ольберса (1758-1840), также известный как „ темное ночное небо парадокс “, это аргумент, что темнота ночного неба конфликтов с допущением бесконечная и вечная статическая вселенная. В гипотетическом случае, когда Вселенная статична, однородна в больших масштабах и населена бесконечным количеством звезд, любой луч обзора с Земли должен заканчиваться на поверхности звезды, и, следовательно, ночное небо должно быть полностью освещено и очень хорошо освещено. яркий. Это противоречит наблюдаемой темноте и неравномерности ночи.
Темнота ночного неба - одно из свидетельств динамической Вселенной, такой как модель Большого взрыва. Эта модель объясняет наблюдаемую неоднородность яркости за счет расширения пространства-времени, которое удлиняет свет, исходящий от Большого взрыва, до микроволновых уровней посредством процесса, известного как красное смещение ; Этот фон микроволнового излучения имеет длины волн намного больше, чем у видимого света, и поэтому невооруженным глазом кажется темным. Предлагались и другие объяснения парадокса, но ни одно из них не получило широкого признания в космологии.
Первым, кто обратился к проблеме бесконечного числа звезд и возникающего тепла в Космосе, был Косма Индикоплевст, греческий монах из Александрии, который в своей Topographia Christiana утверждает: «Созданное из кристаллов небо поддерживает тепло Солнца, луна и бесконечное количество звезд; в противном случае он был бы полон огня, и он мог бы расплавиться или воспламениться ».
В книге Эдварда Роберта Харрисона « Ночная тьма: загадка Вселенной» (1987) описывается парадокс темного ночного неба, рассматриваемый как проблема в истории науки. По словам Харрисона, первым, кто придумал нечто подобное парадоксу, был Томас Диггес, который также был первым, кто изложил систему Коперника на английском языке, а также постулировал бесконечную вселенную с бесконечным множеством звезд. Кеплер также поставил проблему в 1610 году, и парадокс обрел зрелую форму в работах Галлея и Шезо XIX века. Этот парадокс обычно приписывают немецкому астроному- любителю Генриху Вильгельму Ольберсу, который описал его в 1823 году, но Харрисон убедительно показывает, что Ольберс был далеко не первым, кто поставил эту проблему, и его размышления об этом не были особенно ценными. Харрисон утверждает, что первым, кто предложил удовлетворительное разрешение парадокса, был лорд Кельвин в малоизвестной статье 1901 года, и что эссе Эдгара Аллана По « Эврика» (1848) любопытно предвосхитило некоторые качественные аспекты аргумента Кельвина:
Если бы чередование звезд было бесконечным, то фон неба представил бы нам однородную светимость, подобную той, что показывает Галактика, - поскольку на всем этом фоне не может быть абсолютно никакой точки, на которой не существовало бы звезды. Следовательно, единственный способ, в котором при таком положении дел мы могли бы постичь пустоты, которые наши телескопы находят в бесчисленных направлениях, - это предположить, что расстояние до невидимого фона настолько велико, что ни один луч от него еще не мог чтобы добраться до нас вообще.
Парадокс в том, что статическая бесконечно старая Вселенная с бесконечным количеством звезд, распределенных в бесконечно большом пространстве, будет скорее яркой, чем темной.
Вид на квадратное сечение четырех концентрических оболочек Чтобы показать это, мы разделим Вселенную на серию концентрических оболочек толщиной 1 световой год. Определенное количество звезд будет находиться в оболочке от 1 000 000 000 до 1 000 000 001 световой год от нас. Если Вселенная однородна в больших масштабах, то во второй оболочке, находящейся на расстоянии от 2 000 000 000 до 2 000 000 001 световой год, будет в четыре раза больше звезд. Однако вторая оболочка находится вдвое дальше, поэтому каждая звезда в ней будет на четверть ярче звезд в первой оболочке. Таким образом, общий свет, полученный от второй оболочки, равен общему свету, полученному от первой оболочки.
Таким образом, каждая оболочка заданной толщины будет производить одинаковое чистое количество света независимо от того, как далеко она находится. То есть свет каждой оболочки добавляет к общей сумме. Таким образом, чем больше снарядов, тем больше света; и с бесконечным множеством снарядов было бы яркое ночное небо.
Хотя темные облака могут препятствовать прохождению света, эти облака будут нагреваться, пока не станут такими же горячими, как звезды, а затем будут излучать такое же количество света.
Кеплер видел в этом аргумент в пользу конечной наблюдаемой Вселенной или, по крайней мере, конечного числа звезд. В общей теории относительности парадокс все еще может иметь место в конечной Вселенной: хотя небо не было бы бесконечно ярким, каждая точка в небе по-прежнему была бы подобна поверхности звезды.
Поэт Эдгар Аллан По предположил, что конечный размер наблюдаемой Вселенной разрешает очевидный парадокс. В частности, поскольку Вселенная бесконечно стара и скорость света конечна, с Земли можно наблюдать только конечное число звезд (хотя вся Вселенная может быть бесконечной в космосе). Плотность звезд в этом конечном объеме достаточно мала, так что любой луч зрения с Земли вряд ли достигнет звезды.
Однако теория Большого взрыва, похоже, представляет новую проблему: она утверждает, что в прошлом небо было намного ярче, особенно в конце эры рекомбинации, когда оно впервые стало прозрачным. Все точки местного неба в ту эпоху были сопоставимы по яркости с поверхностью Солнца из-за высокой температуры Вселенной в ту эпоху ; и большинство световых лучей будет исходить не от звезды, а от пережитка Большого взрыва.
Эта проблема решается тем фактом, что теория Большого взрыва также включает расширение пространства, которое может привести к уменьшению энергии излучаемого света за счет красного смещения. В частности, чрезвычайно мощное излучение Большого взрыва было преобразовано в красное смещение до микроволнового диапазона (в 1100 раз больше его исходной длины волны) в результате космического расширения и, таким образом, сформировало космическое микроволновое фоновое излучение. Это объясняет относительно низкие плотности света и уровни энергии, присутствующие в большей части нашего неба сегодня, несмотря на предполагаемую яркую природу Большого взрыва. Красное смещение также влияет на свет далеких звезд и квазаров, но это уменьшение незначительно, так как самые далекие галактики и квазары имеют красное смещение только от 5 до 8,6.
Красное смещение, предполагаемое в модели Большого взрыва, само по себе объяснило бы темноту ночного неба, даже если бы Вселенная была бесконечно старой. В теории устойчивого состояния Вселенная бесконечно стара и однородна как во времени, так и в пространстве. В этой модели нет Большого взрыва, но есть звезды и квазары на сколь угодно больших расстояниях. Расширение Вселенной вызывает свет от этих далеких звезд и квазаров до красного смещения, так что суммарный световой поток от неба остается конечным. Таким образом, наблюдаемая плотность излучения (яркость неба внегалактического фонового света ) может не зависеть от конечности Вселенной. Математически, общая плотность электромагнитной энергии (плотность энергии излучения) в термодинамическом равновесии с законом Планка является
например, для температуры 2,7 K это 40 фДж / м 3 ... 4,5 × 10 −31 кг / м 3, а для видимой температуры 6000 K мы получаем 1 Дж / м 3 ... 1,1 × 10 −17 кг / м 3. Но полное излучение, испускаемое звездой (или другим космическим объектом), самое большее, равно полной ядерной энергии связи изотопов в звезде. Для плотности наблюдаемой Вселенной около 4,6 10 −28 кг / м 3 и с учетом известного содержания химических элементов соответствующая максимальная плотность энергии излучения 9,2 10 −31 кг / м 3, то есть температура 3,2 K ( соответствует значению, наблюдаемому для температуры оптического излучения Артуром Эддингтоном ). Это близко к суммарной плотности энергии космического микроволнового фона (CMB) и космического нейтринного фона. Гипотеза Большого взрыва предсказывает, что CBR должен иметь ту же плотность энергии, что и плотность энергии связи первичного гелия, которая намного превышает плотность энергии связи примордиальных элементов; так что дает почти такой же результат. Однако стационарная модель не позволяет точно предсказать угловое распределение температуры микроволнового фона (как это делает стандартная парадигма ΛCDM). Тем не менее, модифицированные теории гравитации (без метрического расширения Вселенной) не могут быть исключены с 2017 года по наблюдениям CMB и BAO.
Звезды имеют конечный возраст и конечную мощность, что означает, что каждая звезда оказывает конечное влияние на плотность светового поля неба. Эдгар Аллан По предположил, что эта идея может разрешить парадокс Ольберса; родственная теория была также предложена Жан-Филиппом де Шезо. Однако звезды постоянно рождаются и умирают. Пока плотность звезд по всей Вселенной остается постоянной, независимо от того, имеет ли сама Вселенная конечный или бесконечный возраст, будет бесконечно много других звезд в том же угловом направлении с бесконечным полным воздействием. Таким образом, конечный возраст звезд не объясняет парадокса.
Предположим, что Вселенная не расширяется и всегда имеет одну и ту же звездную плотность; тогда температура Вселенной будет постоянно увеличиваться, поскольку звезды испускают больше излучения. В конце концов, она достигнет 3000 К (что соответствует типичной энергии фотона 0,3 эВ и, следовательно, частоте 7,5 × 10 13 Гц ), и фотоны начнут поглощаться водородной плазмой, заполняющей большую часть Вселенной, что сделает космическое пространство непрозрачный. Эта максимальная плотность излучения соответствует примерно1,2 × 10 17 эВ / м 3 =2,1 × 10 −19 кг / м 3, что намного больше наблюдаемого значения4,7 × 10 −31 кг / м 3. Таким образом, небо примерно в пятьсот миллиардов раз темнее, чем было бы, если бы Вселенная не расширялась и не была слишком молодой, чтобы достичь равновесия. Однако недавние наблюдения, увеличивающие нижнюю границу числа галактик, предполагают, что УФ-поглощение водородом и переизлучение в ближнем ИК (невидимом) диапазоне длин волн также играет роль.
Другое решение, не основанное на теории Большого взрыва, было впервые предложено Карлом Шарлье в 1908 году, а затем вновь открыто Бенуа Мандельбротом в 1974 году. Они оба постулировали, что если бы звезды во Вселенной были распределены в иерархической фрактальной космологии (например,, аналогично канторовской пыли ) - средняя плотность любой области уменьшается по мере увеличения рассматриваемой области - нет необходимости полагаться на теорию Большого взрыва для объяснения парадокса Ольберса. Эта модель не исключает Большого взрыва, но допускает темное небо, даже если Большой взрыв не произошел.
Математически свет, получаемый от звезд, как функция расстояния между звездами в гипотетическом фрактальном космосе, равен
куда:
Функция яркости на заданном расстоянии L ( r) N ( r) определяет, является ли принимаемый свет конечным или бесконечным. Для любой светимости на заданном расстоянии L ( r) N ( r), пропорциональное r a, бесконечно при a ≥ −1, но конечно при a lt;−1. Таким образом, если L ( r) пропорционально r −2, то для того, чтобы быть конечным, N ( r) должно быть пропорционально r b, где b lt;1. При b = 1 количество звезд на данном радиусе пропорционально до этого радиуса. При интегрировании по радиусу это означает, что для b = 1 общее количество звезд пропорционально r 2. Это будет соответствовать фрактальной размерности 2. Таким образом, фрактальная размерность Вселенной должна быть меньше 2, чтобы это объяснение работало.
Это объяснение не пользуется широким признанием среди космологов, поскольку данные свидетельствуют о том, что фрактальная размерность Вселенной составляет не менее 2. Более того, большинство космологов принимают космологический принцип, который предполагает, что материя в масштабе миллиардов световых лет распределена изотропно. Напротив, фрактальная космология требует распределения анизотропной материи в самых больших масштабах.
| Ресурсы библиотеки о парадоксе Ольберса |
