Trong vũ trụ có vô số vì sao sáng lấp lánh, tại sao bầu trời đêm lại tối tăm như vậy?

Vào những đêm quang đãng, chúng ta thường thấy có rất nhiều sao trên trời, chúng là những đốm sáng li ti, và giữa chúng là những khoảng bóng tối. Đây là hiện tượng không có gì đáng ngạc nhiên, bởi chúng ta đã quá quen với điều đó, nó quen thuộc đến mức hầu hết chúng ta không hề cảm thấy tò mò. Nhưng điều đó không có nghĩa là tất cả mọi người đều như vậy, vẫn có những người trăn trở về hiện tượng đã có hàng trăm triệu năm này: Tại sao vũ trụ về đêm lại tăm tối như vậy?

Nghịch lý của Obers

Các nghiên cứu và quan sát khoa học hiện đại đã đạt được những hiểu biết đầy đủ và nhất định về vũ trụ. Chúng ta biết được rằng vũ trụ là vô cùng rộng lớn, và với khoa học hiện đại, chúng ta có thể quan sát được hàng trăm, hàng tỷ thiên hà ở trong vũ trụ. Và Dải Ngân hà của chúng ta thực chất chỉ là một thiên hà có hình dạng xoắn ốc trong số vô vàn thiên hà tương tự, mặt trời cũng chỉ là một ngôi sao nhỏ bé trong Dải Ngân hà - Dải Ngân hà có đường kính 200.000 năm ánh sáng và chứa 200 tỷ đến 400 tỷ ngôi sao.

Trái đất của chúng ta là một hành tinh trung bình trong hệ mặt trời, hàng ngày mặt trời chiếu vào Trái đất và mang lại ánh sáng cho chúng ta. Và trong không gian, ngay cả trong dải Ngân hà, có hàng trăm tỷ ngôi sao tương tự như mặt trời, thậm chí kích thước và độ sáng của chúng lớn hơn mặt trời của chúng ta rất nhiều, nhưng tại sao nền của không gian vẫn tối?

Từ thời xa xưa, con người không thực sự có những hiểu biết sâu rộng về vũ trụ, họ coi những ngôi sao trên trời nhà những vị thần nên có thể họ không để ý đến điều này. Nhưng trong thời đại khoa học, con người trở nên ngày càng tò mò và họ cố gắng giải thích mọi thứ xung quanh.

Năm 1610, nhà thiên văn học Kepler đã nêu ra câu hỏi này, và ông được coi là người đầu tiên đặt câu hỏi như vậy một cách khoa học; năm 1823, nhà thiên văn học người Đức Obers đã đưa ra câu hỏi này một cách có hệ thống nên người ta đặt tên cho nó là "Nghịch lý Obers".

Ý tưởng cốt lõi của nghịch lý Oberth (còn được gọi là nghịch lý đêm-tối hoặc nghịch lý độ sáng) là nếu vũ trụ ổn định và vô hạn, thì ban đêm phải sáng chứ không phải là sự tối tăm như chúng ta vẫn thấy. Loại tư duy này dựa trên những học thuyết đã từng thống trị suy nghĩ của con người về vũ trụ - vũ trụ học tuyệt đối - những quan điểm này tin rằng vũ trụ vốn đã được sinh ra như hiện tại, nó không có bắt đầu, không có kết thúc, không có giới hạn, và tốc độ ánh sáng là vô hạn.

Kể từ khi khoa học xuất hiện ở Hy Lạp cổ đại, vũ trụ học tuyệt đối đã trở thành tư tưởng thống trị, cho đến khi Copernicus khám phá ra thuyết nhật tâm, Galileo quan sát thấy vũ trụ rất lớn, và Newton phát hiện ra lực hấp dẫn, khái niệm này vẫn chưa bị lung lay. Theo quan điểm này, vũ trụ là vô hạn, không có bắt đầu và kết thúc, theo đó số lượng các ngôi sao là vô hạn, và tốc độ ánh sáng là vô hạn, vũ trụ đã được lấp đầy khi nó được sinh ra, do đó ánh sáng phát ra các ngôi sao sẽ ở lại trong vũ trụ, do đó, vũ trụ chắc chắn rất sáng.

Nhưng trong thực tế, vũ trụ lại tối, vì thế, đó là một nghịch lý.

Và tới thời điểm hiện tại, khi mà con người đã có những tiến bộ khoa học và kiến thức nhất định về vũ trụ học, điều này cuối cùng cũng được giải thích. Có ba lý do chính dẫn đến sự tối tăm của vũ trụ: thứ nhất, vũ trụ không tĩnh mà là động; thứ hai, tốc độ ánh sáng là có hạn và không đổi, nên sự lan truyền của ánh sáng cũng cần có thời gian; thứ ba, vũ trụ quá lớn và trống rỗng, không có vật chất để lấp đầy, và ánh sáng của các vì sao không đủ để chiếu sáng những không gian này.

Vũ trụ đang giãn nở, nó có điểm bắt đầu và điểm kết thúc

Vào đầu thế kỷ trước, cộng đồng khoa học đang phát triển mạnh mẽ, và những đột phá đã được thực hiện trong việc quan sát và khám phá vũ trụ. Một trong những đại diện tập trung và tiêu biểu nhất là một nhân vật huyền thoại, người đã khám phá và sáng tạo ra hàng loạt lý thuyết đánh đổ hoàn toàn những quan niệm cố hữu của con người, đó chính là nhà bác học vĩ đại Einstein.

Thuyết tương đối hẹp và thuyết tương đối rộng của Einstein, trên cơ sở áp dụng một loạt khám phá trong khoa học đương đại, chẳng hạn như sự giãn nở của vũ trụ do Edwin Hubble phát hiện và tốc độ ánh sáng không đổi do thí nghiệm Michelson-Morley phát hiện, đã chứng minh rằng không-thời gian là vô hạn; Thuyết tương đối phủ định quan điểm không-thời gian tuyệt đối của cơ học Newton.

Kể từ đó, quan điểm cho rằng vũ trụ là có hạn, không ngừng giãn nở, có điểm bắt đầu và có điểm kết thúc dần trở thành nhận thức chủ đạo của cộng đồng khoa học và thế giới. Thông qua các phương pháp quan sát và mô hình khoa học khác nhau, người ta tin rằng vũ trụ có nguồn gốc cách đây khoảng 13,8 tỷ năm, và đã trải qua ba giai đoạn lạm phát, giãn nở giảm tốc và giãn nở gia tốc, bây giờ nó đang trong giai đoạn giãn nở gia tốc. Theo giám sát liên tục của Hubble, tốc độ mở rộng lớn hơn nhiều so với tốc độ ánh sáng.

Theo cách này, khoảng cách giữa các thiên hà và các ngôi sao sẽ ngày càng lớn hơn, mật độ trong không gian ngày càng thưa thớt và ánh sáng ngày càng yếu đi.

Đây là lý do đầu tiên khiến ánh sáng của các ngôi sao không thể chiếu sáng toàn bộ vũ trụ. Nghịch lý Oberth thực sự thách thức vũ trụ học tuyệt đối và hỗ trợ vũ trụ học động tương đối.

Tốc độ ánh sáng bị hạn chế và sự lan truyền cần có thời gian

Theo giả thiết tốc độ ánh sáng là vô hạn, ánh sáng của ngôi sao sẽ đột ngột lấp đầy toàn bộ vũ trụ, do đó vũ trụ sáng. Nhưng kể từ khi Galileo bắt đầu đặt câu hỏi về lý thuyết tốc độ vô hạn của ánh sáng. Sau hàng trăm năm nỗ lực không ngừng nghỉ và vô số thí nghiệm của các nhà khoa học, cuối cùng nhân loại đã thu được tốc độ chính xác của ánh sáng trong chân không là 299792458 m / s.

Và thông qua thí nghiệm Michelson-Morley, người ta đã khẳng định rằng tốc độ ánh sáng trong các hệ quy chiếu quán tính khác nhau và theo các hướng khác nhau, chẳng hạn như ánh sáng đi dọc theo hướng của Trái đất và ngược lại với Trái đất, là như nhau, do đó tốc độ ánh sáng là hằng số.

Vì tốc độ ánh sáng là hữu hạn và không đổi, nên cần thời gian để ánh sáng từ các ngôi sao có thể đến được một nơi sau khi nó được phát ra.

Bản chất của ánh sáng là sóng điện từ, mắt người chỉ có thể nhìn thấy ánh sáng nhìn thấy được, và nó chỉ là một dải rất hẹp trong toàn bộ quang phổ điện từ, nằm trong khoảng từ 780 đến 380 nm. Sóng ánh sáng có hiệu ứng Doppler. Tức là, với sự chuyển động của nguồn sóng, bước sóng sẽ bị kéo dài ra khi nó ở xa người quan sát ở tốc độ cao, và bước sóng sẽ bị nén và ngắn lại khi nó ở gần người quan sát ở tốc độ cao, và hiệu ứng của sóng ánh sáng là hiệu ứng dịch chuyển đỏ và dịch chuyển quang phổ.

Sự giãn nở của vũ trụ còn lớn hơn tốc độ ánh sáng, do đó, khi con người quan sát ánh sáng của các thiên hà ở xa, nó sẽ có hiệu ứng dịch chuyển đỏ. Ánh sáng sao càng xa và càng nhanh thì nó càng di chuyển ra khỏi dải bước sóng của ánh sáng nhìn thấy và trở nên vô hình đối với mắt người. Do đó, sóng ánh sáng mà chúng ta nhìn thấy bằng mắt thường trong vũ trụ chỉ là một dải tần nhỏ của sóng điện từ, và hầu hết các dải tần này chúng ta không nhìn thấy được.