天文學(xué)的五大悖論有哪些

1、天文學(xué)的五大悖論有哪些通常，當(dāng)一個(gè)問(wèn)題被提出來(lái)的時(shí)候，最簡(jiǎn)單的答案就是“不知道”。但有些時(shí)候，我們會(huì)遇到矛盾，即一套證據(jù)和 理論推理所得出的結(jié)論與另一套證據(jù)互相矛盾。這些矛盾常 常很快就被解決了，但有的時(shí)候也會(huì)演變成悖論。悖論最有 強(qiáng)大的地方在于，它迫使我們重新思考證據(jù)和推理。如果宇 宙是自洽的，那么悖論就必定有解決的方法。下面我們要討 論的是天文學(xué)上的五大悖論?！緹o(wú)限的悖論】如果宇宙是無(wú)限存在的，就會(huì)產(chǎn)生許多的悖論。當(dāng)我們仰望天空時(shí)，無(wú)論 是朝哪個(gè)方向，夜空看起來(lái)基本上都是一樣的。我們說(shuō)宇宙 是均勻和各項(xiàng)同性的。當(dāng)然，有一些地方會(huì)比另一些地方聚 集更多的星系，但是恒星的分布在大尺度上還是相當(dāng)

2、均勻 的?；诖?，我們不禁會(huì)想，宇宙是不是永恒存在并且無(wú)限 大，而且到處都是一致的。（穩(wěn)恒態(tài)宇宙是由邦迪、戈?duì)柕?和霍伊爾提出的。）如果情況真是如此，那么我們就會(huì)遇到 一些棘手的悖論。關(guān)于宇宙無(wú)限最著名的一個(gè)悖論是奧伯斯 佯謬：如果宇宙是無(wú)限并且永恒的，那么為何夜空是黑暗 的？乍聽(tīng)之下，這個(gè)問(wèn)題的答案似乎顯而易見(jiàn)。越遠(yuǎn)的恒星 就越暗，因此遙遠(yuǎn)的恒星因?yàn)樘^(guò)昏暗而無(wú)法看見(jiàn)。但是， 在引力的作用范圍有多遠(yuǎn)？中我們已經(jīng)提到過(guò)，恒星的 亮度遵從了一個(gè)非常特別的關(guān)系：平方反比定律。一顆一定 距離的恒星亮度與距離兩倍遠(yuǎn)的四顆類似恒星的亮度一致， 以此類推。但是如果恒星的分布相當(dāng)均勻，那么距離增加兩 倍恒星

3、的數(shù)量就增加四倍。所以雖然恒星隨著距離的增加變 暗，但越遠(yuǎn)就代表數(shù)量越多。因此一個(gè)無(wú)限永恒的宇宙的天 空應(yīng)當(dāng)是太陽(yáng)一樣明亮。奧伯斯認(rèn)為夜空應(yīng)當(dāng)與白天的太陽(yáng) 一樣明亮。（？ Wikepedia）有意思的是，另一個(gè)基于熱力學(xué) 的悖論則認(rèn)為天空應(yīng)該是完全黑暗的，即克勞修斯佯謬。熱 力學(xué)最基本的定律之一指出，熱量從熱的區(qū)域傳至冷的區(qū) 域，直至達(dá)到溫度的平衡。這在日常生活中很常見(jiàn)，比如一 杯熱咖啡會(huì)慢慢冷卻到室溫。我們不可能看到它會(huì)通過(guò)降低 周圍的溫度來(lái)自發(fā)加熱。根據(jù)熱力學(xué)，恒星也最終會(huì)冷卻。 在一個(gè)永恒的宇宙中，恒星應(yīng)當(dāng)早就消失在宇宙之中，而留 下一個(gè)處處溫度一致而毫無(wú)生機(jī)的宇宙。那么，為何現(xiàn)在的 宇

4、宙并不寒冷，也不黑暗呢？當(dāng)然，你可以說(shuō)這是因?yàn)闅怏w 和塵埃在自身引力的作用下塌縮，因此新的恒星會(huì)不斷生 成，所以宇宙就自然不會(huì)完全黑暗。但是，這又引發(fā)了另一 個(gè)悖論：為什么引力會(huì)起作用？我們知道，引力也遵守平方 反比定律。在特定距離的物體對(duì)你施加的引力是距離兩倍質(zhì) 量相同物體的四倍。隨著距離的增加，引力變得越來(lái)越弱， 但它從未完全消失。在一個(gè)無(wú)限的宇宙中，特定距離的質(zhì)量 也遵守平方反比定律。任意一個(gè)方向?qū)δ闶┘拥囊?，在?一個(gè)方向總會(huì)有足夠的質(zhì)量來(lái)相互抵消。這便是西利格佯謬，這意味著引力不會(huì)作用在任何東西上。引力總會(huì)相互抵 消，因此恒星就不會(huì)形成。但事實(shí)卻并非如此。只要我們假 設(shè)宇宙不是永恒

5、的，也不是靜態(tài)的，那么這些悖論就迎刃而 解了?，F(xiàn)在我們知道，宇宙至大爆炸以來(lái)，才經(jīng)歷了138 億年，并且不斷地在膨脹。由于宇宙在膨脹，并且年齡有限， 可觀測(cè)宇宙并不延伸到無(wú)窮，因此奧伯斯和西利格的論證并 不適用。而由于宇宙的年齡有限，克勞修斯的論證也就無(wú)效 了。這個(gè)解決方法現(xiàn)在我們看來(lái)很顯而易見(jiàn)，但卻是一個(gè)很 好的例子證明錯(cuò)誤的假設(shè)很難被克服。在哈勃觀測(cè)到宇宙膨 脹之前，多數(shù)人都愿意相信宇宙是永恒且靜止的，就連愛(ài)因 斯坦也因此犯了他“一生中最大的錯(cuò)誤” 。而宇宙的起源于 一個(gè)原始火球的理論剛被提出的時(shí)候聽(tīng)起來(lái)像是異端邪說(shuō)。 但最終，所有的觀測(cè)證據(jù)都指向宇宙有一個(gè)開(kāi)端，無(wú)限宇宙 的悖論也得到了完

6、美的解決。 【超越絕對(duì)零度】白矮星隨著 時(shí)間流逝不斷地冷卻，它的溫度會(huì)最終低于絕對(duì)零度嗎？白 矮星的大小與地球相當(dāng)。在 1900 年代早期，白矮星的發(fā)現(xiàn) 曾令天文學(xué)家深感困惑。對(duì)它們的溫度和亮度分析，我們可 以推斷出它們只有地球般的大小。通過(guò)雙星系統(tǒng)，即白矮星 圍繞其他恒星的運(yùn)動(dòng)， 我們又可以知道它們跟太陽(yáng)的質(zhì)量 差不多。問(wèn)題是，如此大質(zhì)量的物體被壓縮至如此小的體積 重怎么可能不自我坍縮呢？當(dāng)時(shí)最流行的看法是，在巨大壓 力之下，電子會(huì)從原子中逃離并產(chǎn)生一種由自由電子和原子 核構(gòu)成的致密等離子體。由于電子非常小，它們的行為會(huì)像 理想氣體一樣遵從一般的溫度和壓力的關(guān)系。白矮星的“電 子氣體”會(huì)有足

7、夠的壓力來(lái)抵御恒星的繼續(xù)坍縮。這個(gè)解釋 聽(tīng)起來(lái)很合理，但是鼎鼎大名的愛(ài)丁頓卻認(rèn)為這會(huì)牽涉到一 個(gè)熱力學(xué)的悖論。熱力學(xué)基本定律指出，任何物體都不能冷 卻至低于絕對(duì)零度。這對(duì)電子氣體也適用。由于白矮星輻射 熱和光，因此它們會(huì)隨著時(shí)間推移慢慢冷卻。但愛(ài)丁頓注意 到，白矮星的物質(zhì)只有在強(qiáng)大的壓力下才能存在。如果把壓 力去除掉，那么其物質(zhì)就會(huì)膨脹回普通的原子物質(zhì)。所以假 設(shè)你現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)了一個(gè)溫度特別低的白矮星，其電子氣體和原 子核的溫度會(huì)高于絕對(duì)零度，但其單位質(zhì)量的能量會(huì)比普通 物質(zhì)在絕對(duì)零度時(shí)所擁有的低。如果你舀起一點(diǎn)白矮星上的 物質(zhì)，去除壓力后會(huì)發(fā)生什么？理論上，這勺物質(zhì)的溫度會(huì) 比絕對(duì)零度還低，但這

8、是熱力學(xué)定律所不允許的。 1926 年， 富勒首先解決了該悖論。他認(rèn)為這個(gè)問(wèn)題的根源在于錯(cuò)誤的 把電子視為如原子一樣的經(jīng)典物體。電子服從量子力學(xué)。由 于泡利不相容原理，電子被擠壓在一起的緊密程度是有限制 的。所以，白矮星中的電子氣體并不會(huì)低于絕對(duì)零度，這是 量子力學(xué)所不允許的。短短的幾年后，錢德拉塞卡在此基礎(chǔ) 上算出了白矮星的質(zhì)量上限為 1.4 倍的太陽(yáng)質(zhì)量。該上限被 稱為錢德拉塞卡極限。 【黯淡太陽(yáng)悖論】太陽(yáng)在年輕的時(shí)候 要比現(xiàn)在冷，那么為什么年輕的地球可以維持液態(tài)水的存在？我們的太陽(yáng)， 就跟其他的恒星一樣， 似乎是永恒不變的。 但事實(shí)上，它的年齡只比地球大一點(diǎn)。隨著我們對(duì)恒星演化 有著逐步

9、加深的理解，我們知道恒星隨著時(shí)間推移會(huì)逐漸變 暖。數(shù)十億年前，太陽(yáng)的光度是今天的 70% 。這意味著早期 的地球接受到來(lái)自太陽(yáng)的熱度要比今天的少。由于熱量太過(guò) 于少，以至于不能夠維持液態(tài)水的存在。但從地質(zhì)學(xué)的證據(jù) 明確地表明，在地球年前的時(shí)候海洋是存在的。這便是黯淡 太陽(yáng)悖論，至今仍然未解。我們現(xiàn)在知道，一個(gè)行星的大氣 成分可以影響其表面溫度。例如，金星厚重的大氣層使其比 離太陽(yáng)更近的水星還熱。又比如，由于火星曾經(jīng)有更厚的大 氣層，因此它的表面存在過(guò)液態(tài)水。雖然地球在過(guò)去確實(shí)擁 有更厚的大氣層，但不足以完全解釋為何年輕的地球就存在 過(guò)海洋。我們要知道，行星的表面溫度不僅僅取決于大氣的 量，更重

10、要的是構(gòu)成大氣的成分。甲烷和二氧化碳比其它化 合物能更有效地困住太陽(yáng)的熱量。然而，對(duì)取自被困在巖石 中的年輕地球大氣的檢測(cè)表明，當(dāng)時(shí)二氧化碳和甲烷的水平 不足以維持地球上存在的液態(tài)水。太陽(yáng)的光度隨著時(shí)間（單 位為十億年）的增加。一個(gè)可能的解釋是在早期的地球大氣 中含有大量的氫分子，而如今大氣層的氫含量則很少。氫很 輕，因此可以輕易的就逃離地球的大氣層，在紫外線的幫助 下也會(huì)更容易的逃脫。由于年輕的太陽(yáng)溫度較低，因此輻射 出的紫外線也比較少，這使年輕地球上的氫更難以逃脫。雖然氫不是很強(qiáng)的溫室氣體，但它也可以困住熱量。因此這或 許足夠維持早期地球上的海洋。還有其他的理論認(rèn)為來(lái)自年 輕太陽(yáng)的耀斑能夠

11、加熱大氣層，又或者在早期時(shí)距離比現(xiàn)在 更近的月亮的潮汐力導(dǎo)致地球更加溫度。未有定論。 【宇宙 射線的能量極限】宇宙射線的能量有一個(gè)上限，但為什么觀 測(cè)到的宇宙射線的能量要比這個(gè)上限高出許多？地球每天 都沐浴在宇宙射線之中。來(lái)自外太空的質(zhì)子、電子和原子核 以接近光的速度不斷地轟擊我們的大氣層。當(dāng)粒子的速度接 近光速時(shí)，它的能量也呈指數(shù)增長(zhǎng)，因此宇宙射線的能量似 乎沒(méi)有上限。但是在理論上是存在上限的。這個(gè)極限由宇宙 微波背景輻射（ CMB ）限制。 CMB 是宇宙大爆炸的余暉， 是遍布在宇宙各處的微波光子。根據(jù)相對(duì)論，以接近光速傳 播的宇宙射線將會(huì)觀測(cè)到這些輻射極大地藍(lán)移（藍(lán)移代表觀 測(cè)到的光子的

12、能量越高，紅移則代表低能量） 。因此宇宙射 線觀測(cè)到的 CMB 光子是高能的伽瑪射線，而不是微波。這 些宇宙射線偶爾會(huì)撞上光子，產(chǎn)生n介子，這些n介子會(huì)帶走宇宙射線的一部分能量。這個(gè)過(guò)程會(huì)持續(xù)到宇宙射線的能 量不足以產(chǎn)生n介子對(duì)撞。因此，在星際空間經(jīng)歷過(guò)如此的 膨脹之后，任何高能的宇宙射線都會(huì)低于這個(gè)截止能量。高 能質(zhì)子會(huì)撞上CMB的光子產(chǎn)生n介子，并把一部分能量傳 給n介子。（？ Wolfgang Bietenholz ）這個(gè)截止能量被稱為 GZK 極限， 大約 8 焦耳的能量 （質(zhì)子以光速的 99.999998%傳播），也就是說(shuō)比 1.6 億光年更遠(yuǎn)的宇宙射線傳播到地球的時(shí)候能 量都將低于

13、這個(gè)極限。但是，我們觀測(cè)過(guò)最高能量的宇宙射 線大約有 50 焦耳。這怎么可能？由于高能宇宙射線比加速 器中的粒子更強(qiáng)大，因此我們不可能在地球上的實(shí)驗(yàn)室重現(xiàn) 它們。有一個(gè)可能是我們對(duì)高能宇宙射線的測(cè)量出錯(cuò)了。我 們并不是直接觀測(cè)宇宙射線，而是通過(guò)它們撞擊大氣層產(chǎn)生 的粒子流。從從，我們推斷出它的能量和成分。雖然這有可 能，但就目前所知，我們的觀測(cè)應(yīng)該還是比較靠譜的。另一 種解決方法也是比較容易的，我們認(rèn)為大多數(shù)宇宙射線都是 經(jīng)歷了數(shù)十億才到達(dá)我們，但如果宇宙射線是在1.6 億光年內(nèi)產(chǎn)生并傳播到我們的，這就完全有可能超越 GZK 極限。 但問(wèn)題在于，在這個(gè)距離范圍到，還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何產(chǎn)生高能 宇宙射

14、線的來(lái)源。還有一種可能是最高能的宇宙射線可能是 較重的原子核。大約 90%的宇宙射線是質(zhì)子，另外 9%是阿 爾法粒子（氦原子核） ，剩下的大部分都是電子。有可能一 小部分的宇宙射線是更重的元素，比如碳、氮、甚至鐵。這 樣的重核可以維持它們的能量跨越更大的宇宙空間，從而克 服 GZK 極限。還有一種可能性最吸引人。由于這些宇宙射 線比實(shí)驗(yàn)室中所能產(chǎn)生的粒子能量都高，因此它們非常適合 用來(lái)檢驗(yàn)高能粒子物理學(xué)。 GZK 極限是建立在我們對(duì)粒子物 理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型的正確理解上，如果標(biāo)準(zhǔn)模型是錯(cuò)誤的，那么 GZK 極限也可能是無(wú)效的。因此 GZK 悖論的答案或許隱藏在新物理學(xué)當(dāng)中?！驹竭^(guò)邊界】黑洞的事件視界

15、是一個(gè)有去 無(wú)回的邊界，但如果沒(méi)有任何東西可以逃出黑洞的魔抓，難 道這不意味著基本物理定律的崩潰嗎？只要把任何東西壓 縮到足夠小的體積重，它都將成為一個(gè)黑洞。黑洞的一個(gè)定 義特征就是它的事件視界（簡(jiǎn)稱視界），一旦越過(guò)這個(gè)視界，連光都無(wú)法逃逸。但是視界也標(biāo)志著基礎(chǔ)物理定律的崩潰。 這或許是現(xiàn)代天體物理學(xué)最大的悖論了。物理的最基本原則 之一是：現(xiàn)象是可以預(yù)測(cè)的。意思是說(shuō)，當(dāng)你朝一個(gè)特定方 向，以一個(gè)特定的速度投出一個(gè)棒球時(shí)，你就能計(jì)算棒球會(huì) 在什么地點(diǎn)落地。只要知道球的初始速度和方向，物理定律 就可以預(yù)測(cè)它所有的運(yùn)動(dòng)。當(dāng)然，我們也可以反向推導(dǎo)，知 道了球的速度和方向我們也可以知道它之前的位置。如果

16、這 是正確的，那么了解宇宙的現(xiàn)在就能使我們探究宇宙的過(guò)去 和未來(lái)。但是，黑洞的視界卻打破了這個(gè)規(guī)則。一旦有任何 東西越過(guò)視界，你所能知道的所有信息只有：質(zhì)量、電荷和 自旋。這便是黑洞的無(wú)毛定律。其它的信息我們一概不得而 知。我們對(duì)一個(gè)掉進(jìn)黑洞的物體所應(yīng)該知道的信息（比如是 飛船還是車，它的運(yùn)動(dòng)路徑等），都消失了。這便是黑洞信 息悖論?；蛟S你已經(jīng)想到，量子世界的情況就不像棒球那樣 具有確定性，所以也許信息并不守恒。但其實(shí)，量子理論確 實(shí)會(huì)使信息守恒，它使特定結(jié)果的概率守恒。知道了一個(gè)物 體的狀態(tài)，我們?nèi)匀荒茴A(yù)測(cè)它未來(lái)會(huì)怎樣，以及它在過(guò)去是 怎樣的。但量子理論可能提供了一個(gè)避免信息悖論的方法。 畢竟，霍金他老人家指出物質(zhì)可以通過(guò)霍金輻射來(lái)逃脫黑 洞。如果物質(zhì)能從黑洞中輻射出，或許信息也就可以逃離黑 洞。不幸的是，量子理論并不是一種容易的解決方法?；艚?輻射是完全隨機(jī)的，因此物質(zhì)和能量可能逃離黑洞，但是信 息不能。理論上，你可以使霍金輻射非隨機(jī)，但如果這么做