Парадокс Ольберса
Парадокс Ольберса — это разгаданная загадка космологии. Ее ключевой вопрос звучал так — почему ночное небо не такое же яркое, как поверхность Солнца? Ведь именно так должно быть, если Вселенная бесконечно велика и равномерно заполнена звездами?
Парадокс Ольберса
Впервые этот вопрос был поднят еще в 1610 году, когда Иоганн Кеплер обсуждал его с Эдмундом Галлеем и Жаном Филиппом Луи де Шезо. В восемнадцатом веке про парадокс подзабыли. Но в девятнадцатом астроном и врач Генрих Ольберс вновь поднял этот вопрос…
Сегодня проблема полностью разрешена в рамках стандартной космологии и теории Большого взрыва. Согласно им Вселенная имеет конечный возраст (что предполагает некий горизонт пространства, за которым мы не можем ничего видеть), и содержит конечное количество звезд.
Детальный взгляд на парадокс
Является ли Вселенная бесконечной, или где-то начинается совершенно пустое пространство? И ничего больше нет за ее пределами? Ольберс утверждал, что Вселенная не может содержать бесконечно большое количество звезд и галактик. Ведь каждая звезда излучает свет. И независимо от того, как далеко находится от нее Земля, часть ее света достигнет нашей планеты. Но если бы Земля получала свет со всех сторон от бесконечного числа звезд, то ночное небо казалось бы ослепительно ярким. В каждом направлении, в каждой точке неба должна быть звезда. Небо должно в этом случае быть непрерывным источником света.
Но, как мы видим, на самом деле звезды вносят очень малый вклад в освещение Земли из космоса. Таким образом, согласно Ольберсу, звезд не может быть бесконечное множество. И Вселенная должна быть конечна.
Чем дальше звезда, тем меньшая доля ее света в конечном итоге достигает Земли. Количество этого света уменьшается пропорционально квадрату расстояния до звезды. Если бы Солнце было вдвое дальше от нас, света от него стало бы в четыре раза меньше. В три раза больше нынешнего расстояния — и света станет меньше в 9 раз. В четыре раза дальше — в 16. И так далее…
Сферы Ольберса
На больших расстояниях количество звезд в единице объема считалось тогда достаточно постоянным. Ольберс рассмотрел вклад в освещение на Земле воображаемой тонкой сферической оболочки из звезд, в центре которой располагалась Земля. Таким образом, вся Вселенная была разделена на последовательность тонких сферических оболочек, каждая из которых охватывала все более крупные сферы. Ольберс рассчитал вклад типичной сферической оболочки, а затем суммировал вклады всех оболочек — от ближайших, непосредственно окружающих Землю, до самых далеких. Если бы Вселенная была бесконечной, самая внешняя оболочка была бы в бесконечности.
Парадокс заключался в том, что при уменьшении освещенности в соответствии с законом квадрата расстояния эти сферы становились больше. И содержали бы больше звезд. То есть количество звезд в каждой оболочке увеличивалось с увеличением квадрата расстояния. И если бы расстояние до самой отдаленной сферической оболочки было бесконечностью, результатом суммирования также была бы бесконечность. Ночное небо должно казаться равномерно ярким. Но ночью на Земле темно. И поэтому Ольберс пришел к выводу, что Вселенная конечна.
Два недостатка
Однако в его аргументации есть два недостатка, которые делают этот вывод неверным. Большая часть вещества в космосе имеет низкую температуру. И ничего не излучает. В частности, межзвездная пыль не излучает видимый свет. Но при этом поглощает его, и блокирует свет от более отдаленных звезд. Если бы межзвездной пыли не было, Земля получала бы гораздо больше света.
Другой недостаток теории Ольберса был обнаружен позже. Астрономы установили, что все отдаленные галактики удаляются от нашей. Этот факт доказывается красным смещением в их спектрах. И чем эти галактики дальше, тем быстрее их скорость. Некоторые наблюдаемые галактики отдаляются от нас со скоростью, близкой к скорости света.
Поэтому галактики могут простираться от нас до бесконечности. Скорость их удаления от нас вполне может превышать скорость света. Ведь удаляются они за счет расширения самого пространства. И испускаемые ими излучения никогда не достигнут нашей планеты.
И поэтому ни один из этих далеких источников света никогда не мог бы внести вклад в яркость ночного неба Земли…
Источник
Парадокс Ольберса и все же почему небо черное?
Парадокс Ольберса , или парадокс Шезо — Ольберса ) — или по другому ф отометрический парадокс является одним из космологических парадоксов и заключается в том, что в стационарной Вселенной, равномерно заполненной звёздами, яркость неба — что дневного, что ночного — должна быть примерно равна яркости солнечного диска.
Справка. Парадо́кс ( παράδοξος — неожиданный , странный, кажущийся) — ситуация , которая может существовать в реальности , но не имеет логического объяснения.
Физический парадокс представляет собой очевидное противоречие в физических описаниях реальности. Хотя многие физические парадоксы разрешаются, другие не поддаются разрешению и могут указывать на теоретические недостатки . В физике, как и во всей науке, обычно предполагается , что противоречия и парадоксы являются артефактами ошибок и неполноты наших знаний и пониманий, потому что реальность считается полностью согласованной. Но бывает и наоборот.
Парадокс – это «двигатель» познания.
Действительно, пусть поток световой энергии, принимаемой от звезды, уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния до неё. Это является доказанным фактом. А
1) угловая площадь , занимаемая каждой звездой на небе, также уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния. Из этого следует, что поверхностная яркость звезды не зависит от расстояния.
2) Разделим все пространство вокруг себя на сферы примерно одной толщины. Из того, что плотность звезд везде одинакова, мы должны сделать вывод о том, что внутри каждого слоя должно находиться количество звезд, пропорциональное квадрату расстояния. Умножив квадрат расстояния на плотность звезд в слое и поделив на квадрат расстояния, получим постоянное значение средней яркости неба от каждого отдельного слоя, пропорциональное плотности.
3) А т.к. таких слоев бесконечно много , должны получить бесконечную, а не конечную, яркость неба. Это, конечно, абсурд.
С другой стороны, яркость единицы угловой площади Солнца конечна, и яркость любых звезд также конечна и равна солнечному.
4) Если предположить, что Солнце и другие звезды «затеняют» излучение от находящихся за ними по световому лучу других звезд , то мы должны получить яркость неба, равную солнечному. Но здесь опять получаем противоречие — ночное небо черное! А у нас получилось — должно быть таким же ярким, как поверхность Солнца! Парадокс.
Впервые этот парадокс сформулировал во всей его полноте швейцарский астроном Жан-Филипп Луи де Шезо (1718—1751) в 1744 году, хотя аналогичные мысли высказывали ранее и другие учёные, в частности, Томас Диггес, Иоганн Кеплер, Отто фон Герике и Эдмунд Галлей. Иногда фотометрический парадокс называется парадоксом Ольберса в честь астронома, который привлёк к нему внимание в XIX веке.
Высказывались три причины разрешения этого парадокса.
1) Шезо и Ольберс предлагали разрешить этот парадокс предположением, что облака космической пыли экранируют свет далёких звёзд . Однако (как впервые отметил Джон Гершель в 1848 году) это объяснение неправильно: в однородной изотропной Вселенной в силу закона сохранения энергии пыль сама должна нагреваться и светиться так же ярко, как звёзды.
2) Другое объяснение заключалось в том, что бесконечная Вселенная устроена подобно матрёшке : каждая материальная система входит в состав системы более высокого уровня, так что средняя плотность излучателей света по мере роста масштабов стремится к нулю. Такое мнение впервые высказал Джон Гершель в 1848 году и математически обосновал Карл Шарлье в 1908 и 1922 годах.
3) Правильное объяснение фотометрического парадокса, как считается большинством ученых, основано на конечности возраста Вселенной и конечности скорости света . Поскольку свет от самых далёких звёзд, которые мы в принципе можем наблюдать, идёт около 13 млрд лет и мы не можем увидеть свет от более далеких звезд — по причине расширения Вселенной и существования «светового» горизонта — то это устраняет основную причину фотометрического парадокса. Даже если звёзды расположены на любых, сколь угодно больших расстояниях от нас, мы не сможем увидеть свет от звезд, находящихся за «световым» горизонтом.
Еще одной причиной темного ночного неба может быть ограниченность размеров нашей Вселенной . В соответствии с общей теорией относительности А.Эйнштейна Вселенная может иметь ограниченные размеры, но при этом быть бескрайней. Тогда вопрос о сверхярком небе само собой снимается. Не может конечное число звезд засветить ярким светом все ночное небо, и только ближайшая к нам звезда — Солнце — должна доминировать в «освещении» Земли своим светом и давать энергию для жизни.
PS. О применении закона обратных квадратов. Мой ответ на один ииз комментариев.
[Имя], Ну вот сами подумайте. Пусть звезды точечные. На расстоянии 7 св. лет условно одна звезд. Освещенность равна 1 ( без учета статистики светимости и размера звезд на небе). На 14 св.лет их уже 2*2*2 = 8- если плотность распределения звезд одна и та же — а объем в 8 раз больше. На 21 св.лет их уже 3*3*3=27 — причина та же — объем в три в кубе раза больше. Подсчитайте для каждого следующего случая среднюю освещенность и продолжите на бесконечность:
первый слой приблизительно (без учета некоторого коэффициента, соответствующего «мощности» звезды)
1/3 (3 — некоторый коэффициент приведения звезд к среднему расстоянию в пределах слоя звезд),
второй слой (2*2*2-1)/2*2/3=0,6 ,
третий (3*3*3-8)/(3*3)/3
0,7,
4-й слой (64 -27)/(4*4)/3= 0,8, 5-й слой (125-64)/(5*5)/3=0,81 и т.д. .
Д ля 100-го слоя (100*100*100-99*99*99)/(100*100)/3=0.99 (В ПРЕДЕЛЕ 3.00 — тот самый выделенный коэффициент — см.выше) и т.д.
Вывод — освещенность от каждого слоя примерно одинакова, и чем дальше, тем ближе к единице (условно). Сложите все вместе — и получите освещенность, равную количеству слоев, на которые разделены все звезды на небе. И подумайте.
Но это — парадокс. А оно есть не соответствие теории действительности. На них развивается наука. Правда, парадоксом может быть и другое — не соответствие «здравому смыслу», но соответствующее действительности.
Ставьте лайки, делитесь в соцсетях!
И не забывайте — Новый год на носу. И всем здоровья!
Носите маски — уважайте других. Они не знают, что Вы здоровы. Не болейте.
Несколько других ранних моих статей: (ИСТОРИЯ )
Источник
Фотометрический парадокс Ольберса-почему небо темное?
Никто в здравом уме не будет сомневаться в том, что ночное небо темное. Такой вывод очевиден, просто взгляните в небо. Но многие не знают, что ученые прошлого много думали над этим вопросом.
Первым, кто беспокоился о происхождении ночного неба, был неутомимый Йоханнес Кеплер.Вопрос беспокоил английского математика и астронома Эдмонда Галлея, но был освящен врачом и астрономом Генрихом Вильгельмом Маттаусом Ольберсом в 1823 году. Он стал известен как парадокс Ольберса или как парадокс темной ночи.
Парадокс Ольберса гласит: если вселенная заполнена звездами независимо от направления в которое мы смотрим, то почему ночное небо не ясно, как Солнце?
На протяжении веков было предложено несколько объяснений. Одно из них , что во вселенной слишком много пыли, и она заслонила свет отдаленных звезд. Это объяснение имеет недостатки,никакой обьект не сможет вводить достаточную пыль во вселенную, чтобы заслонить свет от звезд и галактик.
Другие объяснения говорят о том, что могут быть конечные числа звезд и что они распределены неравномерно во вселенной. Да, но даже конечного числа звезд достаточно, чтобы осветить все небо. Поскольку вопрос равномерного распределения не может быть известен, но по этим соображениям все небо будет темным, за исключением некоторых небольших областей.
Лучшие объяснения используют расширяющуюся, конечно-возрастную вселенную. С вопросом о расширении Вселенной свет отдаленных объектов страдает от отклонения от ближайших к краю волн в электромагнитном спектре и, следовательно, очень слабых, чтобы их можно было увидеть. Вселенная, как мы ее знаем, составляет около 13,7 миллиардов лет, поэтому мы находимся внутри сферы с радиусом, равным нынешнему возрасту Вселенной, который мы называем наблюдаемой вселенной. Это подразумевает, что все, что более отдалено от нас, никогда не будет наблюдаться нами.
Парадокс Ольберса может показаться не таким уж большим, но он помогает обосновать аргумент о том, что Вселенная не является ни статикой, ни бесконечностью, которая оказывается отличной для таких моделей, как Большой взрыв, а также является юридическим доказательством специальной теории относительности. В статичной вселенной и с бесконечными звездами ночное небо должно быть ярким, а не таким как мы наблюдаем каждую ночь.
Самые банальные вопросы могут принести нам величайшие открытия, как показывает парадокс Ольберса, что чрезвычайно важно для астрофизики и космологии, и заставляет нас заглядывать в секреты космоса.
Источник
Парадокс Ольберса
Почему ночное небо кажется нам черным?
Самый большой парадокс, с точки зрения истории науки, здесь состоит, пожалуй, в том, почему именно фамилия немецкого астронома Вильгельма Ольберса оказалась закрепленной в названии этого загадочного явления. На самом деле, это один из редких случаев, когда в названии феномена или закона фигурирует отнюдь не имя того, кто его впервые сформулировал. Историки науки скажут вам, что впервые проблема была упомянута в 1720 году английским астрономом Эдмундом Галлеем (Edmund Halley, 1656–1742), затем, независимо от него, в 1742 году ее сформулировал швейцарец Жан Филипп де Шезо (Jean Philippe de Chéseaux, 1718–1751) — и дал на нее ответ, в принципе не отличающийся от предложенного в 1823 году Ольберсом.
Так называемый фотометрический парадокс Ольберса формулируется достаточно просто: если Вселенная бесконечна, однородна и стационарна (а в XVIII-XIX веках астрономы в этом не сомневались), то в небе — в каком направлении ни посмотри — рано или поздно окажется звезда. То есть, всё небо должно быть сплошным образом заполнено яркими светящимися точками звезд. То есть, в ночи небо должно ярко светиться. А мы почему-то наблюдаем сплошное черное небо лишь с отдельными звездами.
Ольберс объяснил это явление поглощением света в межзвездном пространстве в силу того, что оно частично заполнено поглощающим свет веществом, например, межзвездными пылевыми облаками. Однако, с появлением первого начала термодинамики, это объяснение стало отнюдь не бесспорным, поскольку, поглощая свет, межзвездное вещество неизбежно разогрелось бы и само начало испускать свет.
Окончательно парадокс Ольберса удалось разрешить лишь в ХХ столетии. Теперь мы знаем (см. Закон Хаббла), что Вселенная имеет конечный возраст. Если, как предполагается, Большой взрыв случился 15 миллиардов лет тому назад, астрономы способны наблюдать лишь светящиеся объекты, удаленные от нас на расстояние не более 15 млрд. световых лет. Поэтому число звезд в ночном небе конечно, хотя и огромно, и поэтому не по каждому направлению наблюдения мы видим звезду. Кроме того, мы знаем, что звезды не вечны — со временем они умирают и перестают излучать свет (см. Эволюция звезд). Поэтому, даже если в направлении наблюдения имеется звезда, это вовсе не означает, что она обязана светиться, поскольку это может оказаться древняя звезда, ядерное горючее внутри которой давно израсходовано. Любого из приведенных выше объяснений достаточно для того, чтобы считать вопрос с парадоксом Ольберса исчерпанным, хотя во времена самого Ольберса и его предшественников явления, объясняющие его, естественно, известны не были (кроме гипотезы о поглощении света в межзвездном пространстве).
Немецкий астроном, родился в Арбегене (Arbegen). Получил медицинское образование и успешно практиковал офтальмологию в северогерманском городе Бремен (Bremen). В свободное время увлекался астрономией. За долгие годы скопил одно из лучших библиотечных собраний трудов по астрономии в Европе — впоследствии это собрание было приобретено Пулковской обсерваторией и легло в основу ее богатейшей библиотеки. Ольберс открыл астероиды Паллада и Веста, а также предложил новые методы расчета орбит комет.
Источник