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夜空为什么是黑暗的?

2015/5/25 21:34:31
文章来源:网络

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馆友“東泰山人”:
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夜空为什么是黑暗的?

  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。

  不久就有天文学家提出,空间中的消光物质并不能使夜空变暗。消光物质在遮挡光线的同时,也会被光线加热,进而发光,它们应该会和恒星一样明亮———就像大雨中的树,起先叶子还能保护地面不受雨淋,可是不久雨水便会从叶子上滴落下来,最终地面还是会湿透。

  曾绘制了“月面图”的德国天文学家约翰·马德勒,出版过一本书叫《大众天文学》,其中也提到“星际物质吸收星光而使夜空变得黑暗”。但后来他意识到错误,在1858年他的另一本书以及1861年版的《大众天文学》中,他给出了另一种解释:“光速是有限的,它的传播需要时间。因此,我们看到的光是经过有限的时间来到我们这儿的。这样夜空黑暗之谜就可以得到合理而充分的解释———星际消光的限制可以被排除了,更确切地讲,远处的星光还没有到达我们这里。”

  [距离说]

  远处的光未到达地球

  马德勒提出的“还未到达”理论,似乎接近了真相。不过在他提出此说前10年,已有人给出过类似的解释———被普遍认为第一个给出“奥伯斯佯谬”正确解释的人,并不是来自欧洲那些装备齐全的天文台的天文学家,而是一个美国诗人———爱伦·坡。

  爱伦·坡在临死前出版的《我发现了》一书中,这样解释了“奥伯斯佯谬”:星星无穷无尽,天空的背景就会呈现出明亮,就像是银河———它们不会呈点状,在背景中也不会只出现一颗星星。因此,只有一种可能,由于恒星的距离实在是太远了,它们发出的光还没来得及到达地球。

  简单地说,爱伦·坡认为,我们无法看到比宇宙更远的地方,所以,黑暗的夜空是宇宙诞生的证据。

  爱德华·哈里森认为是爱伦·坡首先正确揭示了“奥伯斯佯谬”。哈里森在第一次看《我发现了》一书时,说:“我大吃一惊,一个诗人,不,一个最了不起的业余科学家,在140年前就领悟到了问题的本质。”哈里森称之为“人类思想的杰作”,但英国天文学家爱丁顿爵士则认为爱伦·坡的理论是“怪人的理论”,因为身为诗人的爱伦·坡刚说完又开始怀疑自己:“也许是这样的吧,有谁会冒险来质疑它呢?”

  1901年,苏格兰数学家、物理学家开尔文对爱伦·坡的这一解释进行了量化说明。开尔文用具体计算表明,若要夜空变得明亮,我们至少要能看到数百万亿光年远的范围。由于宇宙的年龄现在远小于1万亿年,所以夜空是黑的。这让更多科学家相信,爱伦·坡的解释是最接近真相的解释。

  爱伦·坡、马德勒和开尔文都认识到,天文学家能看到的宇宙只是“过去的样子”,而不是“现在的样子”。

  哈里森认为,是宗教的信条延缓了“奥伯斯佯谬”的解决。“从某个层面来讲,人们已认识到了光速的重要性,但是真正的矛盾来自根深蒂固的宇宙观。因为这涉及宇宙的年龄。”

  [红移说]

  宇宙在不断地膨胀

  但1952年,“稳恒态宇宙学”的支持者亨曼·邦迪在他的《宇宙学》一书中,提出“宇宙在不断膨胀”,又对爱伦·坡的说法提出过质疑。

  邦迪认为,宇宙并不是像“大爆炸宇宙论”者所说的那样,创生于150亿年前的一次大爆炸,相反,宇宙是永远存在着的。在一个永存的宇宙中,爱伦·坡对“奥伯斯佯谬”的解释———遥远的星光还没有抵达地球———就说不通了。如果宇宙的年龄是无限的,天文学家应该能看到无限远处。他认为,膨胀的空间会使穿行其中光的波长变长或者“红化”,因此光传播得越远,“红移”就越大。红光的光子能量比黄光或是蓝光来得低,“红移”会减弱来自遥远星系星光的能量,所以夜空是暗的。

  1955年,稳恒态宇宙学家福雷德·霍伊尔在他的《天文学前沿》一书中也写道:“因为宇宙膨胀,所以夜晚是黑的。这是一个意料之外的解释———以至于19世纪的天文学家从来没有想到过。”

  这种解释又是一种进步。不过,“红移说”仅仅在稳恒态宇宙学中适用,因此这一宇宙学模型并没有被天文学家广为接受。比如“大爆炸宇宙论”者仍坚持,膨胀的空间对夜晚的黑暗不起什么作用,即使宇宙停止膨胀,夜晚仍将是黑的。哈里森在《夜的黑》一书中写道:“黑暗的夜空证明宇宙在膨胀。这就像是一本书的主题,扉页上则写着'多普勒效应’,以此来吸引大量的听众。”

  哈里森在1964年又对“奥伯斯佯谬”提出另一个正确解释:“宇宙自身拥有的能量太少。”哈里森尝试计算,若是夜空被无数的星星照亮要多少能量。“起先,我的计算结果无法令人相信,但不久事情就变得清晰———我们一直在沿用错误的角度来看待整个问题。”哈里森的计算表明,若要照亮夜空,可观测宇宙需要的能量为现今的10万亿倍———每颗恒星的发光度要上升10万亿倍,或者恒星的数目要增加10万亿倍。另外,恒星不可能永生,就算宇宙无限老,夜空仍旧是黑暗的,原因是恒星总是会死亡的。就像太阳,恒星一直在通过核反应将质量转化成能量。哈里森认为,别指望其他恒星,就算宇宙中的所有质量都转化成能量,夜晚也不会比一个有月亮的晚上亮。

  因此,现在问题有了一个“双保险”的答案———宇宙还太年轻,而且能量不足。点亮整个宇宙就像是用一根蜡烛花上一个小时来加热一幢房子:一个小时太短了,即使你能等更长的时间,可是在完成这项任务前,蜡烛也已燃尽了。

  但直到1987年的调查仍显示,只有30%的天文学书籍能正面接受这个相对正确的解释。

  如果我们也接受哈里森的这个解释,再按照这个理论推断下去,需要留意的是:我们所看到的天空可能会越来越黑暗了。

Ken Croswell、Shea
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