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夜空为什么是黑暗的?

夜空为什么是黑暗的?

夜空为什么是黑暗的?

  膨胀的宇宙就好像是不断往里吹气的气球,随着气球变大,透过气球的光线波长也在增大(图片来源/Addison Wesley)

夜空为什么是黑暗的?

  宇宙诞生和演化的时间线模拟图

  (图片来源/NASA)

  原文/Ken Croswell 编译/Shea

  有时,天文学中最简单的问题却是最难回答的……比如:夜晚的天空为什么是黑暗的呢?

  这是一个简单得也许只有孩子才会问的问题,父母对此也许会不屑一顾。但是宇宙学家爱德华·哈里森却花了几十年时间来研究这个问题。他在《夜的黑》这本书中写道:“我常常思考宇宙为什么没有充满光?即使在我解决了这一问题之后,我仍会反复思考这个问题,并为大自然的力量和精妙所深深打动。”

  一百多年前科学家解释了为什么天空是蓝的,而这个看起来更简单的问题———夜空为什么是黑暗的,直到20世纪才有了相对合理的答案。

  [光线说]

  其他恒星光太弱

  问题的答案乍一看很明显:因为太阳下山了。但是据我们已知的知识,如果宇宙是无限的,又充满着无数颗恒星,那么夜晚难道不是应该和白天一样明亮吗?这种理论和观测之间的矛盾,被称为“奥伯斯佯谬”。

  海因里·奥伯斯是19世纪德国的一位医生和天文学家。他喜欢观测天空,寻找彗星,并最终发现了2颗小行星。1823年,奥伯斯写了一篇宇宙学论文。他说,想象一下,如果恒星均匀地分布在宇宙空间里,离地球近的恒星,自然看起来就大,但远处的恒星数量也会很多。奥伯斯力图证明,数量巨大的远距离的恒星虽然“目视尺寸”相对较小,但在我们视野中仍覆盖着整个天空。如果宇宙是无限的,就意味着天空中充满着无数的闪亮的星星,那么夜空应该会和白天一样明亮。

  但显然,正如奥伯斯描述的:“大自然并没有这样安排事物。地球并没有被笼罩在耀眼的星光之中。否则,我们将无法看到星星,只能通过观测黑子来推断太阳的行踪,而月亮和行星仅仅是明亮背景上移动着的暗斑。”那这些星星的光芒究竟去哪儿了?

  奥伯斯的论文当时并没有引起普遍注意,夜空的黑暗之谜也无人问津。直到1576年,英国人托马斯·迪格斯在其父所写的一本书的附录中,又尝试解释为什么夜晚没有被星光照亮。这本书的内容是讲以地球为中心的宇宙体系,但迪格斯却是哥白尼的支持者,认为恒星散布于宇宙空间中。他说:“无穷天际上的恒星发出无限的光芒。但是它们互相遮挡,而且距离相当遥远,于是星光越来越弱……所以我们看到的现在的夜晚才是如此黑暗。”

  在1721年,爱德华·哈雷在皇家科学院的一次演讲中,也提出了类似的两个方法来说明无限大且充满恒星的宇宙为什么有一个黑暗的夜晚。他的两个观点中,其一是说远处大量恒星的光无法等效于近处少量恒星的光;其二则重复了迪格斯的观点,认为看不见的恒星对于光没有贡献,因为“它们的光线……太弱,无法使我们感觉到”。

这个解释看起来合理,实际上却是很有问题的。因为按照我们观察到的夜空现状来分析,把所有看不见的恒星的光整合起来,是能达到被看见的程度的。比如我们肉眼可以看到仙女座星系,但是仙女座星系中并没有一颗恒星亮到足以让肉眼看到。如果无数颗恒星同时存在是事实,那么起码我们能看到比银河更闪亮的天空。

  [暗墙说]

  宇宙空间不透明

  德国天文学家约翰内斯·开普勒后来对迪格斯提出了质疑。开普勒认为,宇宙无限大,会使太阳迷失在茫茫星海之中。他提出,夜空之所以是黑的,是因为在我们居住的星际空间周围有一堵“暗墙”。

  瑞士天文学家让-菲利普·卢瓦斯·德·谢诺1744年在描述当年一颗有着6条彗尾的彗星的书的附录里,也讨论了这个问题。谢诺认识到,远处看不见的恒星对于整个天空中的光应该是有贡献的。他说:“夜空之所以是黑的,原因只是宇宙空间并不透明。它充满着物质,这些物质会‘吸收’光线,从而产生了一个黑暗的夜空。”

  其实,奥伯斯在1823年的论文中早就提到过相同的观点。然而,谢诺和奥伯斯都错了。

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