為什么夜空是黑暗的
有時(shí)，最簡(jiǎn)單的問(wèn)題卻是最難回答的。
為什么夜空是黑暗的？——這個(gè)簡(jiǎn)單的也許只有孩子才會(huì)問(wèn)的問(wèn)題，曾時(shí)刻困擾著科學(xué)家，在長(zhǎng)達(dá)一個(gè)多世紀(jì)里懸而未解。
早在 19世紀(jì)德國(guó)天文學(xué)家?jiàn)W伯斯就認(rèn)識(shí)到這個(gè)問(wèn)題，并對(duì)此作出認(rèn)真的思考。在 1826年，奧伯斯在一篇宇宙學(xué)論文里提出了關(guān)于夜空的黑暗之謎的一個(gè)科學(xué)假設(shè)，被稱(chēng)作奧伯斯佯謬。他假設(shè)：無(wú)數(shù)顆恒星均勻地分布在宇宙空間里，如果宇宙是無(wú)限的，那么在以地球?yàn)橹行?，距離無(wú)限遠(yuǎn)的半徑上，會(huì)有無(wú)限個(gè)球殼。奧伯斯計(jì)算證明出每一個(gè)球殼射到地球上的光在數(shù)量上是相等的，因此到達(dá)地球上的光的數(shù)量是無(wú)限多的，整個(gè)天空將是無(wú)限亮的（雖然現(xiàn)在已經(jīng)知道，恒星在太空分布并不均勻，但是如果以星系或星系團(tuán)來(lái)代替恒星，這個(gè)結(jié)論可保持不變）。這與夜晚是黑暗的事實(shí)相悖。這一問(wèn)題的提出，對(duì)19世紀(jì)以牛頓引力學(xué)和歐基里德幾何學(xué)為理論依據(jù)的宇宙模型無(wú)疑是個(gè)挑戰(zhàn)。因此在當(dāng)時(shí)對(duì)待這個(gè)看似簡(jiǎn)單實(shí)際復(fù)雜的關(guān)于宇宙學(xué)的問(wèn)題，沒(méi)有人能夠給它以合理的解釋。
雖然奧伯斯及其他一些學(xué)者曾嘗試解釋?zhuān)J(rèn)為宇宙是不透明的，宇宙充滿(mǎn)了物質(zhì)，它們吸收和遮擋了恒星發(fā)出的光線(xiàn)，所以產(chǎn)生了黑暗的夜空，但是這種由于星際消光物質(zhì)而使夜空變暗的觀(guān)點(diǎn)不久即被天文學(xué)所否定。因?yàn)樾请H物質(zhì)在遮擋、吸收光線(xiàn)的同時(shí)，也會(huì)被光線(xiàn)加熱產(chǎn)生輻射而發(fā)光。
到 1901年，英國(guó)物理學(xué)家開(kāi)爾文對(duì)此研究得出：若要夜空變得明亮，至少要能看到數(shù)百萬(wàn)億光年遠(yuǎn)的范圍，由于可觀(guān)測(cè)宇宙的年齡現(xiàn)在遠(yuǎn)小于 1萬(wàn)億年，所以夜空是黑暗的。他給出夜空的黑暗之謎一個(gè)正確解釋?zhuān)河钪孢€太年輕。宇宙的年齡當(dāng)時(shí)還無(wú)法測(cè)定，但是現(xiàn)在已經(jīng)知道宇宙的年齡只有160億年，宇宙還較為年輕。
1914年，天文學(xué)家斯里弗對(duì)旋渦星系光譜作多年研究，發(fā)現(xiàn)譜線(xiàn)紅移現(xiàn)象。說(shuō)明這些星系正在向遠(yuǎn)處運(yùn)動(dòng)。在威爾遜山天文臺(tái)工作的哈勃在此基礎(chǔ)上，并根據(jù)自己所測(cè)定星系的距離資料，于 1929年指出：除本星系群中的少數(shù)星系之外，其他所有星系都正在背離我們而去，星系譜線(xiàn)的紅移量越大，星系越遠(yuǎn)且離地球而去的速度越大。哈勃的理論揭示出宇宙正在不斷膨脹，而在愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論的引力場(chǎng)方程中也有膨脹的宇宙學(xué)論。哈勃的重要發(fā)現(xiàn)促使現(xiàn)代宇宙學(xué)的誕生，這標(biāo)志著現(xiàn)代天文學(xué)家對(duì)宇宙物質(zhì)的演化和時(shí)空結(jié)構(gòu)的研究與認(rèn)識(shí)達(dá)到更深的層次。并在 1948年形成兩種膨脹宇宙模型，由天文學(xué)家霍伊爾等人創(chuàng)立的描述宇宙是無(wú)演化的穩(wěn)恒態(tài)宇宙模型，物理學(xué)家伽莫夫等人創(chuàng)建的描述宇宙是有演化過(guò)程的大爆炸宇宙學(xué)。
為此在二十世紀(jì) 50年代初奧伯斯佯謬再度被提起，并開(kāi)始引人注目。一般天文學(xué)家用宇宙膨脹模型來(lái)解決奧伯斯佯謬，即膨脹宇宙中遙遠(yuǎn)天體的紅移接近無(wú)限大，所發(fā)出的光子到達(dá)地球時(shí)的能量已接近零。因此不會(huì)發(fā)生奧伯斯佯謬。而夜空是黑暗的這一客觀(guān)事實(shí)也成為支持宇宙膨脹的一個(gè)證據(jù)。 1955年穩(wěn)恒態(tài)宇宙學(xué)創(chuàng)始人霍伊爾在《天文學(xué)的邊沿》中寫(xiě)道：“因?yàn)橛钪媾蛎洠砸雇硎呛诘?。這是一個(gè)意料之外的解釋——以至于19世紀(jì)的天文學(xué)從來(lái)沒(méi)有想到過(guò)。”
這是由現(xiàn)代宇宙學(xué)中宇宙膨脹模型得到的解釋?zhuān)撬鼉H僅在穩(wěn)恒態(tài)宇宙模型中適用。對(duì)大爆炸宇宙學(xué)而言，從原始火球發(fā)生大爆炸以后冷卻到現(xiàn)在，今天的宇宙已經(jīng)是又冷又黑，只有絕對(duì)溫度3度，宇宙的膨脹對(duì)夜晚的黑暗不起作用，即使宇宙停止膨脹，夜晚仍是黑暗的。
1964年天文學(xué)家愛(ài)德華-哈里森發(fā)現(xiàn)了該問(wèn)題的另一個(gè)解釋。他從年少時(shí)起就對(duì)夜空的黑暗之謎發(fā)生了興趣，后又用了大量的時(shí)間來(lái)研究它，他認(rèn)為夜空的黑暗與膨脹的宇宙之間的聯(lián)系是微不足道的，而且過(guò)于深?yuàn)W。
哈里森通過(guò)計(jì)算“夜空被無(wú)數(shù)顆星星照亮需要多少能量”結(jié)論表明，若要照亮夜空，可觀(guān)測(cè)宇宙需要能量為現(xiàn)今的10萬(wàn)億倍。即每顆恒星的發(fā)光度要上升10萬(wàn)億倍，或者恒星數(shù)目要增加10萬(wàn)億倍。他證明在可觀(guān)測(cè)的宇宙中，所有恒星所產(chǎn)生的能量是非常小的，即使把宇宙中的所有質(zhì)量都轉(zhuǎn)化成能量，夜晚也不會(huì)比一個(gè)有月亮的晚上亮。哈里森由此得到：宇宙擁有的能量太少。
為什么夜空是黑暗的？現(xiàn)在對(duì)它的完整回答是：宇宙還太年輕，宇宙所擁有的能量太少。
為什么夜空是黑暗的？——看起來(lái)簡(jiǎn)單的問(wèn)題，直到 20世紀(jì)才有了完整的答案。
（本文發(fā)表于《飛碟探索》雜志2003年第3期）
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