Im Universum leuchten unzählige Sterne. Warum ist der Nachthimmel so dunkel? Lösung des Olbers-Paradoxons

In einer klaren Nacht blicken wir zum Himmel hinauf und können einen Himmel voller Sterne sehen. Doch zwischen diesen Sternen herrschte Dunkelheit und diese Sterne funkelten wie Edelsteine ​​auf schwarzem Samt.

Dies ist kein ungewöhnliches Phänomen mehr, aber was den Menschen von anderen Tieren unterscheidet, ist sein intelligentes Gehirn. So viele Menschen grübeln noch immer über dieses Phänomen, das seit Tausenden von Jahren beobachtet wird: Warum ist das Universum schwarz?

Olbers' Paradoxon

Dank moderner wissenschaftlicher Beobachtungen und Forschungen haben wir ein ausreichendes Verständnis des Universums entwickelt und es ist allgemein bekannt, dass das Universum sehr groß ist und dass es im beobachtbaren Universum Billionen oder sogar Zehnbillionen von Galaxien gibt. Unsere Milchstraße ist nur eine Spiralgalaxie unter diesen vielen Galaxien, und die Sonne ist nur ein gewöhnlicher Stern in der Milchstraße. Die Milchstraße hat einen Durchmesser von 200.000 Lichtjahren und enthält 200 bis 400 Milliarden Sterne.

Unsere Erde ist ein mittelgroßer Planet im Sonnensystem. Die Sonne scheint jeden Tag auf die Erde und bringt uns Licht, sodass der Himmel tagsüber hell ist. Da aber im Weltraum jeder Stern eine Sonne ist, leuchten sogar in der Milchstraße Hunderte Milliarden Sonnen. Warum ist der Hintergrund des Weltraums dann immer noch so dunkel?

Die Menschen der Antike hatten kein tiefes Verständnis des Universums und betrachteten die Sterne als Götter. Daher dachten sie natürlich nicht über dieses Problem nach. Doch im Zeitalter der Wissenschaft begannen intelligente Menschen, sich diese Fragen zu stellen. Im Jahr 1610 stellte der Astronom Kepler diese Frage und er galt als der erste Mensch, der eine derartige Frage auf wissenschaftliche Weise aufwarf. Im Jahr 1823 stellte der deutsche Astronom Olbers diese Frage systematisch, weshalb man sie als „Olbers Paradoxon“ bezeichnete.

Die Kernidee des Olbers-Paradoxons (auch bekannt als Nacht-Dunkelheits-Paradoxon oder Leuchtkraft-Paradoxon) besteht darin, dass es nachts hell und nicht dunkel sein sollte, wenn sich das Universum in einem stationären Zustand und unendlich befindet. Diese Idee basiert auf der absoluten Kosmologie, die das menschliche Denken schon immer dominiert hat. Diese Idee geht davon aus, dass das Universum so geboren wird, ohne Anfang, ohne Ende, ohne Grenzen, und dass auch die Lichtgeschwindigkeit unendlich ist.

Seit der Entstehung der Wissenschaft im antiken Griechenland ist die absolute Weltanschauung zur vorherrschenden Ideologie geworden. Dieses Konzept geriet nie ins Wanken, bis Kopernikus das heliozentrische Weltbild entdeckte, Galilei die Weite des Universums beobachtete und Newton die Schwerkraft entdeckte. Nach dieser Ansicht ist das Universum unendlich, ohne Anfang und Ende. Daher ist auch die Zahl der Sterne unendlich, und auch die Lichtgeschwindigkeit ist unendlich. Daher füllen Sterne das Universum, sobald sie entstehen. Auf diese Weise bleibt das von den Sternen ausgestrahlte Licht im Universum, sodass das Universum hell sein sollte.

Tatsächlich aber ist das Universum dunkel, was ein Paradoxon und daher ein Widerspruch ist.

Die Wissenschaft hat dieses Problem inzwischen sehr gut erklärt. Es gibt drei Hauptgründe, warum das Universum dunkel ist: Erstens ist das Universum nicht statisch, sondern dynamisch; zweitens ist die Lichtgeschwindigkeit endlich und konstant, sodass die Ausbreitung des Lichts ebenfalls Zeit benötigt; drittens ist das Universum zu groß und leer und es gibt keine Materie, um es zu füllen, sodass das Licht der Sterne bei weitem nicht ausreicht, um diese Räume zu erhellen.

Das Universum dehnt sich aus und hat einen Anfang und ein Ende

Zu Beginn des letzten Jahrhunderts befand sich die wissenschaftliche Gemeinschaft in Aufruhr und es kam zu Durchbrüchen bei der Beobachtung und Entdeckung des Universums. Der typischste Vertreter dieser Theorien ist eine legendäre Figur, die eine Reihe von Theorien entdeckte und entwickelte, die menschliche Konzepte völlig auf den Kopf stellten. Diese Person ist der große Wissenschaftler Einstein.

Einsteins spezielle Relativitätstheorie und seine allgemeine Relativitätstheorie basierten auf einer Reihe von Entdeckungen der zeitgenössischen Wissenschaft, wie etwa Edwin Hubbles Entdeckung der Ausdehnung des Universums und der Entdeckung der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit durch das Michelson-Morley-Experiment. Sie demonstrierten die Relativität von Raum und Zeit und widerlegten die absolute Sichtweise von Raum und Zeit in der Newtonschen Mechanik.

Von da an wurde die Ansicht, dass das Universum endlich ist, sich ständig ausdehnt und einen Anfang und ein Ende hat, allmählich zur gängigen Auffassung in der wissenschaftlichen Gemeinschaft und in der Welt. Aufgrund von Beobachtungen und Modellierungen mit verschiedenen wissenschaftlichen Methoden geht man davon aus, dass das Universum vor etwa 13,8 Milliarden Jahren entstand und drei Phasen durchlaufen hat: Inflation, verlangsamte Expansion und beschleunigte Expansion und sich derzeit in der Phase der beschleunigten Expansion befindet. Wie die Hubble-Konstante zeigt, ist die Expansionsrate viel größer als die Lichtgeschwindigkeit.

Basierend auf der Expansionsrate des Universums und der Hubble-Konstante ergaben wissenschaftliche Modelle und Berechnungen, dass der Radius des beobachtbaren Universums ungefähr 46,5 Milliarden Lichtjahre beträgt. Das beobachtbare Universum ist nur das Universum, das der Mensch in Zukunft verstehen und beobachten kann. Außerhalb dieses beobachtbaren Universums existiert noch das Universum, dessen Ausmaß derzeit nicht vorhergesagt werden kann.

Seit Anbeginn der Zeit, also nach dem Urknall, dauerte es Hunderte von Millionen Jahren, bis Sterne und Galaxien entstanden, und diese Galaxien entfernen sich mit der Ausdehnung des Universums rasch von uns. Auf diese Weise werden die Abstände zwischen Galaxien und Sternen immer größer, die Dichte im Weltraum immer geringer und das Licht immer schwächer.

Dies ist der erste Grund, warum das Licht der Sterne nicht das gesamte Universum erleuchten kann. Olbers' Paradoxon stellt tatsächlich die absolute Sicht des Universums in Frage und unterstützt die relative dynamische Sicht des Universums.

Die Lichtgeschwindigkeit ist begrenzt und die Ausbreitung braucht Zeit

Wenn wir davon ausgehen, dass die Lichtgeschwindigkeit unendlich ist, dann wird das gesamte Universum plötzlich mit Sternenlicht erfüllt sein, sodass das Universum hell ist. Doch seit Galileo Galilei wurde die Theorie, dass die Lichtgeschwindigkeit unendlich sei, in Frage gestellt. Nach Hunderten von Jahren unermüdlicher Bemühungen und unzähligen Experimenten kamen Wissenschaftler schließlich zu dem Schluss, dass die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum 299792458 m/s (Meter pro Sekunde) beträgt.

Darüber hinaus bestätigte das Michelson-Morley-Experiment, dass die Lichtgeschwindigkeit in verschiedenen Inertialsystemen und in verschiedenen Richtungen gleich ist, beispielsweise bei Licht, das in Richtung der Erde kommt, und bei Licht, das entgegen der Richtung der Erde kommt. Daher ist die Lichtgeschwindigkeit konstant.

Da die Lichtgeschwindigkeit endlich und konstant ist, dauert es eine Weile, bis das Sternenlicht nach seiner Aussendung einen Ort erreicht.

Die Essenz des Lichts sind elektromagnetische Wellen. Das menschliche Auge kann nur sichtbares Licht sehen, das im gesamten elektromagnetischen Spektrum nur einen sehr schmalen Bereich von etwa 780 bis 380 nm ausmacht. Und Lichtwellen haben einen Dopplereffekt. Was ist der Doppler-Effekt? Das heißt, wenn sich die Wellenquelle mit hoher Geschwindigkeit vom Beobachter entfernt, wird die Wellenlänge gestreckt, und wenn sie sich dem Beobachter mit hoher Geschwindigkeit nähert, wird die Wellenlänge gestaucht und verkürzt. Der Dopplereffekt von Lichtwellen erzeugt die spektralen Rotverschiebungs- und Blauverschiebungseffekte.

Die Ausdehnung des Universums ist weitaus größer als die Lichtgeschwindigkeit. Wenn Menschen daher Licht aus weit entfernten Galaxien beobachten, tritt ein Rotverschiebungseffekt auf. Je weiter und schneller sich das Sternenlicht entfernt, desto weiter verlässt es den Wellenlängenbereich des sichtbaren Lichts und wird für das menschliche Auge unsichtbar. Daher sind die Lichtwellen, die wir mit bloßem Auge im Universum sehen, nur ein kleines Frequenzband elektromagnetischer Wellen, und wir können die meisten Frequenzbänder nicht sehen. Daher ist es für das Licht der Sterne unmöglich, das gesamte Universum zu erfüllen.

Wenn Sterne weiter weg sind, nimmt ihre Helligkeit ab

Wir wissen, dass das vom menschlichen Auge wahrgenommene Licht auch das von der Lichtquelle selbst ausgestrahlte Licht umfasst, beispielsweise von Sternen, Feuer, Lampen usw.; Es gibt auch Licht, das von Objekten reflektiert wird. Beispielsweise werden alle Objekte außer der Lichtquelle, wie etwa der Mond, Menschen, Häuser, Bäume usw., durch reflektiertes Licht gesehen.

Im Weltraum sind die einzelnen Sterne zu weit voneinander entfernt. In diesem riesigen Raum herrscht ein Vakuum und es gibt fast keine Teilchen, die Licht transportieren und reflektieren könnten. Daher kann das Licht der Sterne den gesamten Raum überhaupt nicht erhellen.

Unsere Erde ist nur 150 Millionen Kilometer von der Sonne entfernt und von einer Atmosphäre umhüllt. Wenn Sonnenlicht die Erde erreicht, wird es von den atmosphärischen Partikeln reflektiert, sodass wir den blauen Himmel und die weißen Wolken sowie helles Licht im Schatten sehen können. Wenn wir uns auf dem Mond befinden, sind die Orte, an denen die Sonne scheint, hell und weiß, da es dort keine Reflexion durch die atmosphärischen Partikel gibt, während die Orte, an denen die Sonne nicht scheint, stockfinster sind (natürlich reflektieren Mondgestein und andere Objekte auch Licht in die Schatten, aber ohne die atmosphärischen Partikel und den Staub sind sie viel dunkler).

Tatsächlich scheint das Licht der Sonne nicht weit entfernt. Wenn man Pluto erreicht, beträgt die durchschnittliche Entfernung von der Sonne weniger als 6 Milliarden Kilometer oder nur 0,00063 Lichtjahre. Die dort sichtbare Sonne hat nur die Größe eines Sterns. Obwohl er immer noch ziemlich hell ist, ist er nur 291-mal heller als der Vollmond. Auf der Erde ist die Sonne etwa 700.000 Mal heller als der Vollmond.

Betrachtet man die Helligkeit der Sonne aus einer Entfernung von 1 Lichtjahr, beträgt die scheinbare Helligkeit nur -2,71 (je kleiner der Wert, desto heller ist sie). Von der Erde aus betrachtet kann die Venus eine Helligkeit von -4,6 erreichen, und von der Erde aus betrachtet kann der Jupiter eine Helligkeit von -2,9 erreichen. Das heißt, wenn man die Sonne aus einer Entfernung von einem Lichtjahr betrachtet, ist sie immer noch nicht so hell wie Venus und Jupiter, wenn man sie von der Erde aus betrachtet. Wenn wir die Sonne von einem weit entfernten Punkt aus betrachten, nämlich von Alpha Centauri, dem nächstgelegenen Stern in 4,3 Lichtjahren Entfernung, beträgt die scheinbare Helligkeit der Sonne nur 0,43 und ist damit nicht so hell wie die Helligkeit von Alpha Centauri A mit 0,01.

Sterne sind spärlich vorhanden und können ohne Partikel im Weltraum, die sie reflektieren, nicht leuchten.

Wie spärlich sind die Sterne im Weltraum? Nehmen wir als Beispiel die Milchstraße: Die Milchstraße hat einen Durchmesser von etwa 200.000 Lichtjahren. Wenn wir zur Berechnung des Volumens eine durchschnittliche Dicke von 5.000 Lichtjahren verwenden, beträgt die durchschnittliche Entfernung zwischen den 400 Milliarden Sternen etwa 7,32 Lichtjahre. Ein so spärlicher Sternenhimmel kann nicht allein durch die geringe Energie der Sterne mit Licht gefüllt werden.

Noch wichtiger ist, dass sich der gesamte Raum in einem Hochvakuumzustand befindet. Abgesehen von einigen Stellen, an denen sich Staub und Nebel konzentrieren, schweben im größten Teil des Weltraums nur äußerst geringe Mengen an Partikeln umher, die überhaupt nicht in der Lage sind, Licht zu absorbieren und zu reflektieren. Die Entfernungen zwischen den Galaxien sind sogar noch größer und betragen Hunderttausende bis Millionen Lichtjahre. Dieser riesige Raum ist also noch leerer.

Es wird allgemein angenommen, dass die durchschnittliche Dichte des Universums nur ein Teilchen pro Kubikmeter beträgt. Diese Dichte wird als Verhältnis aller Teilchen im Universum zusammen (einschließlich aller Galaxien und Sterne, die in Teilchen umgewandelt wurden) zum Weltraum berechnet. Daher übersteigt die Weite des Universums die menschliche Vorstellungskraft.

An Orten, an denen sich kosmischer Staub konzentriert, können wir die Reflexion des Nebels sehen, und das Teleskop kann farbenfrohe und seltsam geformte Nebel einfangen, wie beispielsweise die Säulen der Schöpfung (siehe Bild unten). Tatsächlich ist die Dichte dieser Nebel sehr gering und beträgt nur Dutzende bis Hunderte von Partikeln pro Kubikzentimeter. Auf der Hochvakuumoberfläche des Mondes erreicht die Anzahl der Partikel jedoch Zehntausende pro Kubikzentimeter.

Allerdings sind diese Nebel im extrem luftleeren Raum sehr dicht und haben eine enorme Reichweite, oft mehrere Lichtjahre oder sogar Hunderte von Lichtjahren. Die Gesamtmenge dieser Partikel ist enorm, daher sind Nebel die Ursprünge neuer Sterne.

Aus diesem Grund sehen wir, wenn wir nachts in den Himmel blicken, zwar Sterne, aber einen pechschwarzen Hintergrund. Die moderne Kosmologie geht davon aus, dass sich das Universum mit zunehmender Geschwindigkeit weiter ausdehnt, der Sternenhimmel immer spärlicher und der Hintergrund immer dunkler wird und das Universum schließlich den Wärmetod erleiden wird. Natürlich wäre diese Zeit sehr lang, so lang, dass die Menschen sie nicht ertragen könnten, und sie wäre schon lange verschwunden.

Ich frage mich, ob Sie alle verstehen? Willkommen zur Diskussion, danke fürs Lesen.

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