为什么夜空是黑暗的？

为什么夜空是黑暗的？
星期三, 02月 27th, 2008
by 方舟子

奥伯斯（1758～1840）出生于德国不来梅附近的一个小村庄，19岁那年到哥廷根学医。哥廷根大学的一个特色是学生享有学习的自由，学医的奥伯斯在那里也能跟着有“德国数学之师”之称的数学教授、天文台台长凯斯特纳学数学和天文学。毕业后，奥伯斯回到不来梅当医生，但他的真正兴趣是天文学。他白天行医，晚上则在改造成天文台的自家顶楼进行天文观测，天天如此，每天睡觉时间不超过4个小时。
奥伯斯还在上大学的时候发现了一个计算彗星轨道的方法，沿用至今。此后他共发现了5颗彗星，其中一颗后来以他的名字命名。1801年新年的晚上，意大利天文学家皮亚齐发现了第一颗小行星谷神星，再想进一步观察时却找不到它了，是奥伯斯在那一年的年底根据数学家高斯的计算重新发现了它，平息了谷神星是行星还是彗星的争论。奥伯斯本人后来发现了两颗小行星：1802年发现第二颗小行星智神星，1807年发现第四颗也是最亮的一颗小行星灶神星。不过奥伯斯在现在最广为人知的，是在1823年提出了一个听上去很傻的问题：为什么夜空是黑暗的？如果宇宙是无限的，恒星均匀地布满天空，那么夜晚的天空也将和白天一样明亮。
实际的情况当然并非如此。这种理论和实际的矛盾，物理学上称为佯谬。奥伯斯指出的这个矛盾，后来就被称为奥伯斯佯谬。其实，它并不是奥伯斯首先提出的。1610年，伽利略用望远镜发现空中有无数肉眼看不到的恒星后，认为宇宙是无限的，恒星的数量也是无限的。开普勒不以为然，给伽利略去信指出，如果那样的话，夜空就不会是黑暗的。他打了一个比方。假如你站在无边无际的森林中向前看，不论你往哪个方向看，都只能看到一根根的树干连成一片挡在你的眼前，看不到任何间隙。只有当你是在一片小森林中时，才能透过树干的间隙看到外面的世界。同样的道理，如果宇宙是无限的，那么恒星将占据了天空的每一点，它们发出的光终将抵达地球，所有的恒星发出的光都将连成一片，就像我们在夏天看到的银河一样。既然实际情况是恒星彼此之间有黑暗的间隙，那就说明宇宙是有限的，透过这些间隙我们看到的是一堵包围宇宙的黑暗围墙。
但是后来的天文学家都相信宇宙在空间上和时间上都是无限的。怎么解决这个矛盾呢？18世纪初英国天文学家哈雷提出了一个容易想到的解决方案：远处恒星发出的光线在抵达地球时强度变得十分弱，无法被我们看到。但是这个解释是站不住脚的。虽然光线的强度按距离的平方而减少，但是在一个无限大的宇宙中，天空的体积也即恒星的数量将按距离的平方而增加，也就是说，在远处某一点恒星数量增加的比例恰好等于光强度减少的比例，二者互相抵消，总的光强度与距离远近无关。如果多数恒星都和太阳一样，天空的每一点都应该和太阳盘面一样亮。天球的面积是太阳盘面的18万倍，那么照射地球的星光亮度也应该是阳光的18万倍。
奥伯斯提出的解释是，太空并不是“透明”的，遥远恒星发出的光被弥漫在恒星之间的稀薄物质云给遮挡、吸收了。但是在热力学定律被发现之后，这个解释也经不起推敲了。根据热力学定律可知，假如有太空物质遮挡住星光，光能将会被吸收转化成热能，这些能量最终要重新被辐射出来，从而也要发光（虽然光的波长可能不同），天空仍然还是一片明亮。
要解决这个佯谬的唯一办法是否定其大前提，即宇宙不是无限的，因而恒星数量是有限的。但是这还不够。即使恒星数量是有限的，其数量也近乎无限，足以照亮整个夜空。1848年，美国小说家爱伦坡在一篇随笔中指出，唯一的出路是假定远处的星光还来不及照到地球上来。也就是说，宇宙在时间上有一个起点，而且宇宙的年龄还没有老到足以让我们见到所有远处恒星发出的光。
我们现在知道宇宙的年龄的确是有限的，宇宙是在大约137亿年前大爆炸形成的。而计算表明，要把地球的夜空全部照亮，要花上以亿亿亿年计的时间，远处的星光才能都抵达地球。显然我们的宇宙还太年轻了。
而且宇宙在不断地向各个方向膨胀，各个星系在互相远离，当然也都在远离地球。空间的膨胀导致光线在传播时波长被拉长，能量也因此降低了（波长与能量成反比）。这个现象称为“红移”，意思是可见光向能量较低的红光转变，而红光还会向能量更低的红外线、微波转变，所以遥远的星光在抵达地球时能量已低到不能被肉眼见到了。由于宇宙太年轻，所以夜空是暗的；而由于宇宙在膨胀，让夜空变得更暗。“为什么夜空是黑暗的？”这个问题其实一点也不傻，蕴含着宇宙的奥秘呢。
2008.2.15.
（《中国青年报》2008.2.27）



星期四, 02月 28th, 2008
by 方舟子
原文第二段“1802年发现第二颗小行星小惑星”，其中小惑星应改为智神星。该小行星的英文名称Pallas，为了知道它的中译名，我查了金山词霸，它收录的《美国传统词典（双解）》和《现代英汉综合大词典》都将它翻译成小惑星，我虽然觉得有点奇怪（Pallas即希腊神话中的智慧女神雅典娜），以为是历史上这么译造成的，所以就用了。现在有读者提出疑问，我查了《英汉天文学名词》，正式译名为“智神星”。请转载这篇文章的网友更正一下。谢谢。