天文學的五大悖論有哪些

1、天文學的五大悖論有哪些通常，當一個問題被提出來的時候，最簡單的答案就是“不知道”。但有些時候，我們會遇到矛盾，即一套證據(jù)和 理論推理所得出的結論與另一套證據(jù)互相矛盾。這些矛盾常 常很快就被解決了，但有的時候也會演變成悖論。悖論最有 強大的地方在于，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 論的是天文學上的五大悖論?！緹o限的悖論】如果宇宙是無限存在的，就會產(chǎn)生許多的悖論。當我們仰望天空時，無論 是朝哪個方向，夜空看起來基本上都是一樣的。我們說宇宙 是均勻和各項同性的。當然，有一些地方會比另一些地方聚 集更多的星系，但是恒星的分布在大尺度上還是相當

2、均勻 的?；诖?，我們不禁會想，宇宙是不是永恒存在并且無限 大，而且到處都是一致的。（穩(wěn)恒態(tài)宇宙是由邦迪、戈爾德 和霍伊爾提出的。）如果情況真是如此，那么我們就會遇到 一些棘手的悖論。關于宇宙無限最著名的一個悖論是奧伯斯 佯謬：如果宇宙是無限并且永恒的，那么為何夜空是黑暗 的？乍聽之下，這個問題的答案似乎顯而易見。越遠的恒星 就越暗，因此遙遠的恒星因為太過昏暗而無法看見。但是， 在引力的作用范圍有多遠？中我們已經(jīng)提到過，恒星的 亮度遵從了一個非常特別的關系：平方反比定律。一顆一定 距離的恒星亮度與距離兩倍遠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，但越遠就代表數(shù)量越多。因此一個無限永恒的宇宙的天 空應當是太陽一樣明亮。奧伯斯認為夜空應當與白天的太陽 一樣明亮。（？ Wikepedia）有意思的是，另一個基于熱力學 的悖論則認為天空應該是完全黑暗的，即克勞修斯佯謬。熱 力學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，直至達到溫度的平衡。這在日常生活中很常見，比如一 杯熱咖啡會慢慢冷卻到室溫。我們不可能看到它會通過降低 周圍的溫度來自發(fā)加熱。根據(jù)熱力學，恒星也最終會冷卻。 在一個永恒的宇宙中，恒星應當早就消失在宇宙之中，而留 下一個處處溫度一致而毫無生機的宇宙。那么，為何現(xiàn)在的 宇

4、宙并不寒冷，也不黑暗呢？當然，你可以說這是因為氣體 和塵埃在自身引力的作用下塌縮，因此新的恒星會不斷生 成，所以宇宙就自然不會完全黑暗。但是，這又引發(fā)了另一 個悖論：為什么引力會起作用？我們知道，引力也遵守平方 反比定律。在特定距離的物體對你施加的引力是距離兩倍質 量相同物體的四倍。隨著距離的增加，引力變得越來越弱， 但它從未完全消失。在一個無限的宇宙中，特定距離的質量 也遵守平方反比定律。任意一個方向對你施加的引力，在另 一個方向總會有足夠的質量來相互抵消。這便是西利格佯謬，這意味著引力不會作用在任何東西上。引力總會相互抵 消，因此恒星就不會形成。但事實卻并非如此。只要我們假 設宇宙不是永恒

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，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， 可觀測宇宙并不延伸到無窮，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效 了。這個解決方法現(xiàn)在我們看來很顯而易見，但卻是一個很 好的例子證明錯誤的假設很難被克服。在哈勃觀測到宇宙膨 脹之前，多數(shù)人都愿意相信宇宙是永恒且靜止的，就連愛因 斯坦也因此犯了他“一生中最大的錯誤” 。而宇宙的起源于 一個原始火球的理論剛被提出的時候聽起來像是異端邪說。 但最終，所有的觀測證據(jù)都指向宇宙有一個開端，無限宇宙 的悖論也得到了完

6、美的解決。 【超越絕對零度】白矮星隨著 時間流逝不斷地冷卻，它的溫度會最終低于絕對零度嗎？白 矮星的大小與地球相當。在 1900 年代早期，白矮星的發(fā)現(xiàn) 曾令天文學家深感困惑。對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。通過雙星系統(tǒng)，即白矮星 圍繞其他恒星的運動， 我們又可以知道它們跟太陽的質量 差不多。問題是，如此大質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？當時最流行的看法是，在巨大壓 力之下，電子會從原子中逃離并產(chǎn)生一種由自由電子和原子 核構成的致密等離子體。由于電子非常小，它們的行為會像 理想氣體一樣遵從一般的溫度和壓力的關系。白矮星的“電 子氣體”會有足

7、夠的壓力來抵御恒星的繼續(xù)坍縮。這個解釋 聽起來很合理，但是鼎鼎大名的愛丁頓卻認為這會牽涉到一 個熱力學的悖論。熱力學基本定律指出，任何物體都不能冷 卻至低于絕對零度。這對電子氣體也適用。由于白矮星輻射 熱和光，因此它們會隨著時間推移慢慢冷卻。但愛丁頓注意 到，白矮星的物質只有在強大的壓力下才能存在。如果把壓 力去除掉，那么其物質就會膨脹回普通的原子物質。所以假 設你現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)了一個溫度特別低的白矮星，其電子氣體和原 子核的溫度會高于絕對零度，但其單位質量的能量會比普通 物質在絕對零度時所擁有的低。如果你舀起一點白矮星上的 物質，去除壓力后會發(fā)生什么？理論上，這勺物質的溫度會 比絕對零度還低，但這

8、是熱力學定律所不允許的。 1926 年， 富勒首先解決了該悖論。他認為這個問題的根源在于錯誤的 把電子視為如原子一樣的經(jīng)典物體。電子服從量子力學。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低于絕對零度，這是 量子力學所不允許的。短短的幾年后，錢德拉塞卡在此基礎 上算出了白矮星的質量上限為 1.4 倍的太陽質量。該上限被 稱為錢德拉塞卡極限。 【黯淡太陽悖論】太陽在年輕的時候 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， 就跟其他的恒星一樣， 似乎是永恒不變的。 但事實上，它的年齡只比地球大一點。隨著我們對恒星演化 有著逐步

9、加深的理解，我們知道恒星隨著時間推移會逐漸變 暖。數(shù)十億年前，太陽的光度是今天的 70% 。這意味著早期 的地球接受到來自太陽的熱度要比今天的少。由于熱量太過 于少，以至于不能夠維持液態(tài)水的存在。但從地質學的證據(jù) 明確地表明，在地球年前的時候海洋是存在的。這便是黯淡 太陽悖論，至今仍然未解。我們現(xiàn)在知道，一個行星的大氣 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液態(tài)水。雖然地球在過去確實擁 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的熱量。然而，對取自被困在巖石 中的年輕地球大氣的檢測表明，當時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。太陽的光度隨著時間（單 位為十億年）的增加。一個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 下也會更容易的逃脫。由于年輕的太陽溫度較低，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。還有其他的理論認為來自年 輕太陽的耀斑能夠

11、加熱大氣層，又或者在早期時距離比現(xiàn)在 更近的月亮的潮汐力導致地球更加溫度。未有定論。 【宇宙 射線的能量極限】宇宙射線的能量有一個上限，但為什么觀 測到的宇宙射線的能量要比這個上限高出許多？地球每天 都沐浴在宇宙射線之中。來自外太空的質子、電子和原子核 以接近光的速度不斷地轟擊我們的大氣層。當粒子的速度接 近光速時，它的能量也呈指數(shù)增長，因此宇宙射線的能量似 乎沒有上限。但是在理論上是存在上限的。這個極限由宇宙 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)相對論，以接近光速傳 播的宇宙射線將會觀測到這些輻射極大地藍移（藍移代表觀 測到的光子的

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 些宇宙射線偶爾會撞上光子，產(chǎn)生n介子，這些n介子會帶走宇宙射線的一部分能量。這個過程會持續(xù)到宇宙射線的能 量不足以產(chǎn)生n介子對撞。因此，在星際空間經(jīng)歷過如此的 膨脹之后，任何高能的宇宙射線都會低于這個截止能量。高 能質子會撞上CMB的光子產(chǎn)生n介子，并把一部分能量傳 給n介子。（？ Wolfgang Bietenholz ）這個截止能量被稱為 GZK 極限， 大約 8 焦耳的能量 （質子以光速的 99.999998%傳播），也就是說比 1.6 億光年更遠的宇宙射線傳播到地球的時候能 量都將低于

13、這個極限。但是，我們觀測過最高能量的宇宙射 線大約有 50 焦耳。這怎么可能？由于高能宇宙射線比加速 器中的粒子更強大，因此我們不可能在地球上的實驗室重現(xiàn) 它們。有一個可能是我們對高能宇宙射線的測量出錯了。我 們并不是直接觀測宇宙射線，而是通過它們撞擊大氣層產(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，我們的觀測應該還是比較靠譜的。另一 種解決方法也是比較容易的，我們認為大多數(shù)宇宙射線都是 經(jīng)歷了數(shù)十億才到達我們，但如果宇宙射線是在1.6 億光年內產(chǎn)生并傳播到我們的，這就完全有可能超越 GZK 極限。 但問題在于，在這個距離范圍到，還沒有發(fā)現(xiàn)任何產(chǎn)生高能 宇宙射

14、線的來源。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 線比實驗室中所能產(chǎn)生的粒子能量都高，因此它們非常適合 用來檢驗高能粒子物理學。 GZK 極限是建立在我們對粒子物 理學標準模型的正確理解上，如果標準模型是錯誤的，那么 GZK 極限也可能是無效的。因此 GZK 悖論的答案或許隱藏在新物理學當中?！驹竭^邊界】黑洞的事件視界

15、是一個有去 無回的邊界，但如果沒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，它都將成為一個黑洞。黑洞的一個定 義特征就是它的事件視界（簡稱視界），一旦越過這個視界，連光都無法逃逸。但是視界也標志著基礎物理定律的崩潰。 這或許是現(xiàn)代天體物理學最大的悖論了。物理的最基本原則 之一是：現(xiàn)象是可以預測的。意思是說，當你朝一個特定方 向，以一個特定的速度投出一個棒球時，你就能計算棒球會 在什么地點落地。只要知道球的初始速度和方向，物理定律 就可以預測它所有的運動。當然，我們也可以反向推導，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去 和未來。但是，黑洞的視界卻打破了這個規(guī)則。一旦有任何 東西越過視界，你所能知道的所有信息只有：質量、電荷和 自旋。這便是黑洞的無毛定律。其它的信息我們一概不得而 知。我們對一個掉進黑洞的物體所應該知道的信息（比如是 飛船還是車，它的運動路徑等），都消失了。這便是黑洞信 息悖論。或許你已經(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，量子理論確 實會使信息守恒，它使特定結果的概率守恒。知道了一個物 體的狀態(tài)，我們仍然能預測它未來會怎樣，以及它在過去是 怎樣的。但量子理論可能提供了一個避免信息悖論的方法。 畢竟，霍金他老人家指出物質可以通過霍金輻射來逃脫黑 洞。如果物質能從黑洞中輻射出，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?輻射是完全隨機的，因此物質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，但如果這么做