Olbers paradox ( anglických : Olbers' paradox ), také volal Cheseaux-Olbers paradox nebo temná noc paradox , je zjevný rozpor mezi skutečností, že nebe je tma v noci a za předpokladu, že vesmír by byl statický, homogenní a nekonečný .
Temná noc je jedním z důkazů teorie velkého třesku, která naznačuje, že vesmír je dynamický a konečného věku . Tyto dvě charakteristiky poskytují řešení tohoto paradoxu tím, že ukazují, že hypotéza je nepravdivá.
Tento paradox pojmenoval v díle Kosmologie ( 1952 ) anglo-rakouský kosmolog Hermann Bondi na počest německého astronoma Heinricha Olberse . Ten byl popsán v roce 1823 , ale to už bylo uvedl Thomas Digges v roce 1576 tím, Johannes Kepler v roce 1610 a Edmund Halley a Jean Philippe Loys de Cheseaux v XVIII -tého století.
Pokud předpokládáme, že nekonečný vesmír obsahuje nekonečno rovnoměrně rozložených hvězd , pak by každý směr pozorování měl končit na povrchu hvězdy. Povrchová svítivost hvězdy je nezávislá na její vzdálenosti (za předpokladu, že fotony časem neztrácejí energii ); hvězda podobná Slunci je méně jasná než tato pouze díky své vzdálenosti, díky níž je zdánlivá velikost mnohem menší. Takže za předpokladu, že jakýkoli směr pozorování zachytí povrch hvězdy, by noční obloha měla být stejně jasná jako povrch průměrné hvězdy, jako je naše Slunce nebo jakákoli jiná hvězda v naší galaxii .
Tento paradox je důležitý, kosmologická teorie, která jej nemůže vyřešit, by byla neplatná. Teorie, která paradox řeší, však nemusí být nutně platná.
Tato otázka vyvstala již v Kepleru , který tímto argumentem vyvrátil teorii Giordana Bruna o nekonečném vesmíru . To bylo poté přijato mnoha astronomy, kteří navrhli mnoho řešení, téměř vždy falešných, aniž by tušili hloubku a složitost tohoto problému, vyjádřeného velmi jednoduchým způsobem.
Halley bere tuto otázku kolem roku 1720 a formuluje ji takto: je-li vesmír nekonečný a naplněný věčnými hvězdami, pak musí být jas noční oblohy nekonečný.
Švýcarský matematik Jean Philippe Loys de Cheseaux objasnil tento matematický paradox v roce 1746. Představuje si hvězdy ve sférických skořápkách (vesmír je modelován jako řada soustředných skořápek) ve vztahu k pozorovateli. Počet hvězd je úměrný ploše každé skořápky, tedy druhé mocnině jejich poloměru. Světelná intenzita hvězdy je však nepřímo úměrná druhé mocnině její vzdálenosti. Takže pozorovatel přijímá tolik světelné energie z každé skořápky. De Cheseaux vypočítal, že tato světelná energie dopadající na Zemi by měla být 180 000krát intenzivnější než energie Slunce.
V roce 1823 Olbers zdokonalil toto uvažování tím, že poznamenal, že ve vesmíru rovnoměrně naplněném hvězdami se hvězdy navzájem maskují a vyvozuje, že svítivost noční oblohy nemůže být nekonečná, nanejvýš rovná povrchové svítivosti hvězdy. Nyní můžeme vypočítat, že tento „limit viditelnosti“ by byl řádově 10 18 až 10 19 světelných let , to znamená daleko za poloměrem pozorovatelného vesmíru .
Ve své původní formulaci byl jasně a implicitně vytvořen předpoklad, že hvězdy mohou svítit donekonečna. Současné znalosti ukazují, že to není správné a že hvězdy mají konečnou životnost.
Můžeme nejprve předpokládat, stejně jako Kepler v jeho brožuře z roku 1610, Konverzace s nebeským poslem , že vesmír je konečný nebo alespoň že obsahuje konečný počet hvězd.
Další řešení, které poprvé navrhl spisovatel a básník Edgar Allan Poe v Eurece , a samostatně o několik let později francouzský astronom François Arago tvrdí, že pokud má vesmír konečný věk, pak světlo cestuje velkou, ale konečnou rychlostí, pouze je nám přístupná konečná oblast vesmíru, která se scvrkává na řešení navržené Keplerem.
Dalším vysvětlením je vzít v úvahu, že kosmické médium není dokonale průhledné, takže světlo přicházející ze vzdálených hvězd je tímto netransparentním médiem (nesvítícími hvězdami, prachem nebo plyny) blokováno, takže pozorovatel může vnímat pouze světlo přicházející z konečné vzdálenosti (jako v mlze). Toto vysvětlení není správné, protože médium by se mělo zahřívat, protože absorbuje světlo. Nakonec by skončil stejně horký a jasný jako povrch hvězdy, což opět představuje paradox.
Paradox předpokládá rovnoměrné rozložení hvězd (zajišťuje, aby se každá přímá viditelnost vždy setkala s hvězdou). Není tomu tak, protože hvězdy jsou seskupeny do galaxií, klastrů, superklastrů atd. Nyní však víme, že ve velkém měřítku je distribuce galaxií jednotná, a proto heterogenity v místní distribuci hvězd nemohly vyřešit paradox v nekonečně pozorovatelném vesmíru.
Musíme tedy předpokládat buď konečný vesmír, nebo nekonečný vesmír, z nichž lze pozorovat pouze konečnou část.
V roce 1907 navrhl Edmund Edward Fournier d'Albe model nerovnoměrného rozdělení hvězd, který je jistě nepravděpodobný, ale který paradox řeší. Jeho zájem na teoretické a matematické úrovni poněkud oživil Carl Charlier, poté Benoît Mandelbrot .
Další vysvětlení je založeno na skutečnosti, že světlo se pohybuje konečnou rychlostí. Pokud tedy hvězdy existovaly pouze po omezenou dobu (buď že vesmír sám je konečného věku, nebo že „před“ vesmír ještě neobsahoval hvězdy), pak v daném okamžiku osvětlí hvězda n ', že konečný objem (koule, jejíž poloměr odpovídá součinu věku hvězdy rychlostí světla). Toto vysvětlení obíhalo dlouho před teorií relativity a teorií velkého třesku .
Na základě tohoto předpokladu můžeme vypočítat věk vzhledu hvězd s vědomím rychlosti světla, průměrného jasu hvězd a světla přijatého na Zemi. Neexistuje však žádná životaschopná teorie, která by zohledňovala tato pozorování.
Teorie obecné relativity předpovídá nestabilitu vesmíru: expanzi nebo kontrakci. Je proto možné, že věk vesmíru skončil, což by naznačovalo, že vysvětlení Poea a Araga je správné. Hlavní příčinou Olbersova paradoxu je konečný věk vesmíru: světlo většiny hvězd k nám nemělo čas.
Další efekt také vysvětluje Olbersův paradox, ale ve srovnání s hlavním vysvětlením je malý. V důsledku rozpínání vesmíru je světlo ze vzdálených galaxií posunuto červeně . Spektrum vyzařování světla těchto galaxií se nám tedy jeví jako postupné proměňování světelných frekvencí, které již nevidíme (typicky infračervené ). To znamená, že světlo přicházející z těchto galaxií má méně energie než světlo ze stejných galaxií umístěných ve stejné vzdálenosti, pokud by se vesmír neroztahoval. Nejvzdálenější galaxie je tedy extrémně obtížné pozorovat. I kdyby byl vesmír věčný a nekonečný, ale rozšiřující se (jako v teorii kvazistacionárního stavu ), povrchový jas nejvzdálenějších hvězd by se vzdáleností snižoval. Tento jev platí i pro modely velkého třesku . Tento rychlý pokles svítivosti galaxií jako funkce červeného posunu je skutečně pozorován, což pomáhá při řešení Olbersova paradoxu a potvrzuje tuto předpověď obecné relativity.
Metaforicky je obloha skutečně „čistá“; ale toto záření je posunuto směrem k červené (nízké frekvence) tak, že nebeská jasnost je v mikrovlnách, tepelného záření při 2,76 K ( -270,1 ° C ), a ne při 3000 K , průměrné teplotě hvězdného záření. Obloha se tak ponoří do tmy, do viditelného světla.
Toto záření pozadí nepochází ze vzdálených superponovaných galaxií, ale z prvotního stejnoměrného plynu, když se po ~ 380 000 letech stal průhledným kolem 3000 K. V té době byla obloha opravdu Oheň ! Bylo to jako povrch hvězdy. To je v souladu se scénářem velkého třesku.
Tři nositelé Nobelovy ceny za fyziku v roce 2011, Saul Perlmutter , Adam Riess a Brian P. Schmidt také prokázali, že rozpínání vesmíru se zrychlovalo a nezpomalovalo, což může jen zdůraznit účinek, který již předpokládá obecná relativita.