方舟子：黑暗的夜空蘊含著宇宙奧秘

　　奧伯斯(1758~1840)出生于德國不來梅附近的一個小村莊，19歲那年到哥廷根學醫。哥廷根大學的一個特色是學生享有學習的自由，學醫的奧伯斯在那里也能跟著有“德國數學之師”之稱的數學教授、天文臺臺長凱斯特納學數學和天文學。畢業后，奧伯斯回到不來梅當醫生，但他的真正興趣是天文學。他白天行醫，晚上則在改造成天文臺的自家頂樓進行天文觀測，天天如此，每天睡覺時間不超過4個小時。

　　奧伯斯還在上大學的時候發現了一個計算彗星軌道的方法，沿用至今。此后他共發現了5顆彗星，其中一顆后來以他的名字命名。1801年新年的晚上，意大利天文學家皮亞齊發現了第一顆小行星谷神星，再想進一步觀察時卻找不到它了，是奧伯斯在那一年的年底根據數學家高斯的計算重新發現了它，平息了谷神星是行星還是彗星的爭論。奧伯斯本人后來發現了兩顆小行星：1802年發現第二顆小行星小惑星，1807年發現第四顆也是最亮的一顆小行星灶神星。不過奧伯斯現在最廣為人知的，是在1823年提出了一個聽上去很傻的問題：為什么夜空是黑暗的？如果宇宙是無限的，恒星均勻地布滿天空，那么夜晚的天空也將和白天一樣明亮。

　　實際的情況當然并非如此。這種理論和實際的矛盾，物理學上稱為佯謬。奧伯斯指出的這個矛盾，后來就被稱為奧伯斯佯謬。其實，它并不是奧伯斯首先提出的。1610年，伽利略用望遠鏡發現空中有無數肉眼看不到的恒星后，認為宇宙是無限的，恒星的數量也是無限的。開普勒不以為然，給伽利略去信指出，如果那樣的話，夜空就不會是黑暗的。他打了一個比方。假如你站在無邊無際的森林中向前看，不論你往哪個方向看，都只能看到一根根的樹干連成一片擋在你的眼前，看不到任何間隙。只有當你是在一片小森林中時，才能透過樹干的間隙看到外面的世界。同樣的道理，如果宇宙是無限的，那么恒星將占據天空的每一點，它們發出的光終將抵達地球，所有的恒星發出的光都將連成一片，就像我們在夏天看到的銀河一樣。既然實際情況是恒星彼此之間有黑暗的間隙，那就說明宇宙是有限的，透過這些間隙我們看到的是一堵包圍宇宙的黑暗圍墻。

　　但是后來的天文學家都相信宇宙在空間上和時間上都是無限的。怎么解決這個矛盾呢？18世紀初英國天文學家哈雷提出了一個容易想到的解決方案：遠處恒星發出的光線在抵達地球時強度變得十分弱，無法被我們看到。但是這個解釋是站不住腳的。雖然光線的強度按距離的平方而減少，但是在一個無限大的宇宙中，天空的體積也即恒星的數量將按距離的平方而增加，也就是說，在遠處某一點恒星數量增加的比例恰好等于光強度減少的比例，二者互相抵消，總的光強度與距離遠近無關。如果多數恒星都和太陽一樣，天空的每一點都應該和太陽盤面一樣亮。天球的面積是太陽盤面的18萬倍，那么照射地球的星光亮度也應該是陽光的18萬倍。

　　奧伯斯提出的解釋是，太空并不是“透明”的，遙遠恒星發出的光被彌漫在恒星之間的稀薄物質云給遮擋、吸收了。但是在熱力學定律被發現之后，這個解釋也經不起推敲了。根據熱力學定律可知，假如有太空物質遮擋住星光，光能將會被吸收轉化成熱能，這些能量最終要重新被輻射出來，從而也要發光(雖然光的波長可能不同)，天空仍然還是一片明亮。

　　要解決這個佯謬的唯一辦法是否定其大前提，即宇宙不是無限的，因而恒星數量是有限的。但是這還不夠。即使恒星數量是有限的，其數量也近乎無限，足以照亮整個夜空。1848年，美國小說家愛倫坡在一篇隨筆中指出，唯一的出路是假定遠處的星光還來不及照到地球上來。也就是說，宇宙在時間上有一個起點，而且宇宙的年齡還沒有老到足以讓我們見到所有遠處恒星發出的光。

　　我們現在知道宇宙的年齡的確是有限的，宇宙是在大約137億年前大爆炸形成的。而計算表明，要把地球的夜空全部照亮，要花上以億億億年計的時間，遠處的星光才能都抵達地球。顯然我們的宇宙還太年輕了。

　　而且宇宙在不斷地向各個方向膨脹，各個星系在互相遠離，當然也都在遠離地球。空間的膨脹導致光線在傳播時波長被拉長，能量也因此降低了(波長與能量成反比)。這個現象稱為“紅移”，意思是可見光向能量較低的紅光轉變，而紅光還會向能量更低的紅外線、微波轉變，所以遙遠的星光在抵達地球時能量已低到不能被肉眼見到了。由于宇宙太年輕，所以夜空是暗的；而由于宇宙在膨脹，讓夜空變得更暗。“為什么夜空是黑暗的？”這個問題其實一點也不傻，蘊含著宇宙的奧秘呢。