O paradoksie Olbersa.
Poniżej artykuł z internetu.
Paradoks Olbersa, czyli dlaczego niebo jest ciemne?
Autor
Redakcja AstroNETu
Artykuł przygotowała Marta Dziwer.
Aby dojść do ważnych, naukowych wniosków w dziedzinie astronomii nie trzeba wcale być wykwalifikowanym astronomem. Nie trzeba posiadać zaawansowanego sprzętu w postaci ogromnych, nowoczesnych teleskopów, ani nie trzeba angażować szeregu naukowców do opracowywania zebranych danych. I co istotne, nie trzeba też poświęcać na to zbyt wiele swojego, zapewne bardzo cennego czasu. Aby tego dokonać wystarczy wyjść w nocy na zewnątrz, spojrzeć w niebo, chwilę się zastanowić i zadać sobie proste pytanie: dlaczego niebo jest ciemne?
Artykuł przygotowała Marta Dziwer.
Odpowiedź na to pytanie może wydawać nam się teraz oczywista, jednak sformułowanie jej zajęło kolejnym pokoleniom uczonych ponad 400 lat. Nad ciemnością nocnego nieba zastanawiało się wielu czołowych astronomów jak Halley, fizyków – Kepler, Kelvin, kosmologów, a nawet poetów – np. Edgar Allan Poe. Jednak największą sławę temu problemowi zapewnił Wilhelm Heinrich Olbers, niemiecki lekarz i astronom, od którego nazwiska nazwano ów problem paradoksem Olbersa. Uczony ten w 1823 roku napisał jeden z rozdziałów Rocznika Obserwatorium Berlińskiego. Sformułował on wątpliwości swoich poprzedników, którymi byli: Digges, Kepler, Guericke, Halley i de Cheseaux w jednym pytaniu: „Dlaczego w nocy niebo jest ciemne, skoro patrząc w każdym kierunku patrzę na jakąś gwiazdę?”
To tak, jak wtedy, gdy stoimy w środku gęstego lasu: Między każdymi dwoma pniami, znajdzie się kolejny, także ostatecznie gdzie się nie popatrzymy, nasz wzrok zatrzymuje się na drzewie, bo ich liczba jest bardzo duża.
Gdziekolwiek nie spojrzymy, nasz wzrok w lesie zatrzymuje się na jakimś drzewie.
Według Olbersa tak samo powinno być z gwiazdami, skoro ich liczba jest nieskończona.
Ale czy liczba gwiazd na pewno jest nieskończona? Przecież niebo jest ciemne.
Cofnijmy się do czasów, w których panował model Wszechświata opisany przez Isaaca Newtona, czyli czasów, w których narodził się paradoks Olbersa. Bazując na oddziaływaniach grawitacyjnych, które sam opisał, Newton wywnioskował, że Wszechświat musi być nieskończony, inaczej cała materia znajdująca się w nim na wskutek ciążenia ku sobie, zbiłaby się w jednym miejscu. A więc mamy niepodważalny na miarę tamtych czasów fakt, że Wszechświat jest nieskończony.
Powtórzmy zatem rozumowanie Olbersa, które umieścił w swoim artykule ponad półtora wieku temu:
Po pierwsze: Wszechświat jest jednorodny w całej swej rozciągłości.
Po drugie: Wszechświat jest niezmienny w czasie.
Po trzecie: W przestrzeni kosmicznej nie występują ruchy o dużej skali.
I po czwarte: Prawa fizyki obowiązują w każdym miejscu.
Według modelu Newtona, Wszechświat jest nieskończony, jednorodny i statyczny. W takim modelu każdy punkt Wszechświata może być uważany za jego środek, zatem żaden nie jest w nim wyróżniony. Weźmy zatem punkt, w którym znajdujemy się my, nasza planeta, Ziemia. Przyjmijmy odpowiednio dużą skalę tak, żeby w jednostce objętości zaburzenia w rozmieszczeniu gwiazd przestały odgrywać jakiekolwiek znaczenie. Wokół tego punktu zatoczmy teraz dwie przestrzenie kuliste, mniejszą o promieniu r i większą o promieniu r + t. Dobierzmy je tak, żeby wartość r była znacząco większa od wartości t. Przyjmijmy dodatkowo M, jako średnią moc pojedynczej gwiazdy oraz N, jako liczbę gwiazd znajdujących się w przyjętej jednostce objętości.
Wokół wybranego punktu zatoczmy dwie przestrzenie kuliste, mniejszą o promieniu r i większą o promieniu r + t. Dobierzmy je tak, żeby wartość r była znacząco większa od wartości t.
Objętość pomiędzy obiema zatoczonymi powierzchniami, pamiętając o tym, że r jest dużo większe niż t, wynosi 4πr2t. W niej znajduje się łącznie 4πr2tN gwiazd, a ich łączna moc promieniowania wynosi 4πr2tNM. Wiedząc, że natężenie promieniowania spada z kwadratem odległości, dochodzimy do tego, że z obszaru pomiędzy obiema zaznaczonymi powierzchniami do obserwatora na Ziemi w jednostce czasu dociera 4πtNM światła. Jak widać, ta liczba wcale nie zależy od promienia tej sfery. Jeśli więc tylko grubości dalszych warstw t, byłyby takie same, to z każdej z nich do obserwatora na Ziemi docierałaby taka sama ilość światła. To, co tracimy na natężeniu światła z pojedynczej gwiazdy, przez spadek natężenia z kwadratem odległości, rekompensuje nam wzrost (znów z kwadratem odległości) średniej liczby gwiazd w danej warstwie. Jeśli więc zakreślimy nieskończenie wiele warstw i dodamy natężenia promieniowania z nich, to, rozpatrując tę sytuację w nieskończonym Wszechświecie, otrzymamy sumę nieskończenie wielu identycznych wyrazów, różnych od zera. A więc będzie to wielkość nieskończona.
Zatem całe nasze niebo powinno być rozświetlone do jasności równej jasności poszczególnej gwiazdy, w każdym kierunku nasz wzrok powinien zatrzymywać się na jakiejś gwieździe.
A jednak, czego nie da się ukryć, tak nie jest. Dlaczego?
Część druga.
Jak to poetycko ujęła w dziewiętnastym wieku Agnes Mary Clerke, „od niezliczonych gwiazd powinna przybywać w sumie nieograniczona ilość promieniowania, przezwyciężając ciemność nocnego nieba i oszałamiając nasze delikatne zmysły blaskiem jaśniejącej pustki, jarzącej się połączonymi promieniami nieodróżnialnych od siebie słońc.” Odpowiedzi na pytanie, dlaczego niebo jest ciemne, szukano już od drugiej połowy szesnastego wieku. W drugiej części naszej opowieści o paradoksie Olbersa postaramy się znaleźć odpowiedź na to pytanie.
Artykuł przygotowała Marta Dziwer.
Pierwszą propozycję rozwiązania tego problemu przedstawił w 1576 roku Anglik Thomas Digges. Twierdził on, że światło odległych gwiazd (których liczba i tak jest nieskończona) może być zbyt słabe, żeby rozświetlić niebo aż tak mocno. Argument ten jest oczywiście nieprawdziwy, bo średnie natężenie światła, którym promieniowałyby te bardzo odległe gwiazdy i tak sprawiałoby, że są widzialne.
Kolejne rozwiązanie zaproponował wielki uczony Niemiec, Johannes Kepler w roku 1610. Rozważał on możliwość, że Wszechświat urywa się nagle na ciemnej ścianie, która całkowicie zasłania pozostałą, bardzo gwieździstą przestrzeń. Jak wiadomo, nie miał on racji.
Następne rozumowanie zostało przedstawione przez Otta von Guericka w 1672, przez Agnes Mary Clerke w 1890, i nawet przez sławnego amerykańskiego astronoma Harlowa Shapleya już dosyć późno, bo w 1917. Przypuszczali oni, że kosmos, w którym znajduje się wszelka materia jest skończonych rozmiarów, a pozostałą część nieskończonego Wszechświata wypełnia próżnia. Ten argument jest nieco podobny do poprzedniego i oczywiście również nieprawdziwy.
Kolejny pomysł, jak rozwiązać paradoks Olbersa zaproponował angielski naukowiec, Edmund Halley w 1720 roku. Rozważał, że być może gwiazdy we Wszechświecie są rozłożone w szczególny sposób, tak, że te powierzchnia części gwiazd znajdujących się bliżej nas, przysłania te gwiazdy, które znajdują się dalej. To rozumowanie nie znalazło jednak ani potwierdzenia naukowego, ani nie tłumaczy paradoksu.
Jeszcze inne rozwiązanie zaproponowali szwajcarski astronom Jean-Philippe de Cheseaux w roku 1744 i sam Olbers w roku 1823. Rozumowali oni, że jeżeli nawet najdalsze gwiazdy tak czy siak wnoszą na nasze nocne niebo jakieś światło, to ciemność mogłaby tłumaczyć nieprzezroczystość naszego Wszechświata. Wyobrażali oni sobie ogromne obłoki ciemnego pyłu lub gazu znajdujące się między gwiazdami, które pochłaniałyby oddawane przez gwiazdy promieniowanie. Argument ten został jednak obalony przez prostą zależność, związaną z zasadami termodynamiki. Mianowicie, co stanie się z energią zaabsorbowaną przez gaz? Oczywiście będzie ona stopniowo ogrzewała ten gaz, dopóki nie osiągnie on takiej temperatury, że będzie wypromieniowywał tyle, ile otrzymuje, a więc, po upłynięciu odpowiedniej ilości czasu, obłok ten sam zacząłby świecić, sprawiając, że nasze niebo nie uratowałoby się wcale przed bezkresną jasnością.
Rozumowanie, które miało okazać się pierwszym poprawnym rozwiązaniem paradoksu zostało zaproponowane przez amerykańskiego poetę epoki romantyzmu Edgara Allana Poe w 1848, niemieckiego astronoma Johanna Madlera w 1861 i rozważane jeszcze przez Lorda Kelvina w 1910 roku. Poe w swoim poemacie prozą „Eureka” rozważa: „Gdybyż sukcesja gwiazd nie miała końca, wtedy tło nieba prezentowałoby nam jednorodną jasność, niczym ta okazywana przez Galaktykę, gdyż nie byłoby absolutnie żadnego punktu, w całym tym tle, w którym nie istniałaby gwiazda. Jedynym, zatem sposobem, w jaki w tej sytuacji możemy zrozumieć pustkę, którą nasze teleskopy odnajdują w niezliczonych kierunkach, może być przypuszczenie, że odległość do niewidzialnego tła jest tak ogromna, iż żaden promień z niego nie mógł jeszcze do nas dotrzeć.” Faktycznie, uwzględniając prędkość światła, nie możemy zobaczyć światła, które dociera do nas z odległości większej niż 13,7 miliardów lat świetlnych. W końcu wydaje się, że jesteśmy na dobrej drodze.
Pomimo tego, temat nadal drążono. W 1955 roku, amerykański kosmolog Hermann Bondi zauważył, że skoro odległe galaktyki są czerwieńsze niż te bliskie, na skutek
Edward Harrison nie spoczął jednak na krytyce rozumowania Bondiego – sam zaproponował rozwiązanie paradoksu Olbersa. W 1964 roku obliczył ilość energii potrzebnej do rozświetlenia całego nieba. Okazało się, że jest to niewiarygodnie duża liczba: widoczny Wszechświat potrzebowałby 10 trylionów razy więcej energii świetlnej, niż obecnie widzimy. To oznacza, że nawet jeśli cała materia we Wszechświecie zostałaby przekształcona w energię świetlną, nocne niebo byłoby tylko troszeczkę jaśniejsze niż jest obecnie.
Obecnie za poprawne uważa się dwa rozwiązania: albo Wszechświat jest zbyt młody, albo energia Wszechświata jest zbyt mała. Dwa pozostałe, jego hierarchiczna struktura i przesunięcie ku czerwieni traktuje się bardziej jako potwierdzenie ciemności nocnego nieba, a nie jej przyczynę.
Pytanie o ciemność nocnego nieba, które mogło wydawać się nam dosyć błahym, sprawiło, że zaczęliśmy głębiej zastanawiać się nad jego rzeczywistą konstrukcją. Dzięki niemu zaczęliśmy drążyć temat. Kto wie, jaka byłaby teraz nasza wiedza o Wszechświecie, gdyby kilkaset lat temu ktoś nie zadał sobie tego prostego, jakby się mogło wydawać, pytania?
Autor
Redakcja AstroNETu
Moja logiczna spekulacja nienaukowa!
Założenie w pierwszej części było słuszne: „ Jak to poetycko ujęła w dziewiętnastym wieku Agnes Mary Clerke, „od niezliczonych gwiazd powinna przybywać w sumie nieograniczona ilość promieniowania,” Ale w dalszej części założenia to tylko czysta spekulacja nie potwierdzona naukowo: „przezwyciężając ciemność nocnego nieba i oszałamiając nasze delikatne zmysły blaskiem jaśniejącej pustki,”
Oko ludzkie nie widzi promieniowania słonecznego, może ktoś z was widzi snopy promieniowania oświetlające Księżyc i planety. Pomimo tego, że naukowcy wykazują, iż widmo promieniowania słonecznego zawiera promieniowanie o długości fali od 400 do 700 nanometrów,które potrafi zarejestrować ludzkie oko. Promieniowanie słoneczne nie oświetla pustki kosmicznej. Promieniowanie słoneczne potrafi oświetlić tylko materię znajdującą się w kosmosie. A, że materia występuje bardzo rzadko w przestrzeni kosmicznej i do tego niewidoczne są gwiazdy bo nie oświetlone promieniowaniem innych gwiazd bo zbyt wielkie są między nimi odległości to dlatego kosmos jest bardzo ciemny. Nie ma i nigdy nie było żadnego paradoksu Olbersa. Był i jest tylko brak wiedzy o otaczającej nas rzeczywistości.
Słońce to potężny generator promieniowania. Samo siebie nie oświetla wydzielanym promieniowaniem. Dlatego nie może być zauważone na niebie gołym okiem. Generowanie promieniowania widocznie nie wymaga wysokiej temperatury. Na Ziemi generatory promieniowania elektromagnetycznego nie wydzielają zbyt wiele ciepła i nie rozgrzewają się do milionów stopni Celsjusza. Słońce jest obiektem bardzo ciemnym a na niebie można go zauważyć tylko w promieniowaniu podczerwonym. Wtedy na niebie widzimy dwa Słońca. Jest wiele takich zdjęć w internecie. Wystarczy w wyszukiwarkę wpisać: „ zdjęcia Słońca w IR.”
W internecie napotkałem taką wypowiedź Pana Marcina pod zdjęciem na którym widoczne są dwa Słońca.
Marcin Połowianiuk @zzmysl
Fotografia w podczerwieni (ang. infrared, IR) dosłownie pozwala zobaczyć to, co niewidoczne. Zdjęcia wykonane w tej technice wyglądają jak z innego świata, są magiczne, tajemnicze i niespotykane. Za pomocą fotografii IR możemy przedstawić świat niewidzialny dla człowieka.
O zjawisku ( świecącym krążku ) widocznym w dzień na ziemskim niebie i widocznych światełkach gwiazd w nocy napisałem już w notce SŁONECZNE WROTA.
wiktor karwoski
