天爲什麽會黑——一場天文物理學的公案

如果我問大家一個簡單的問題：天爲什麽會黑呢？

一般人看到會認爲這是一個很愚蠢的問題。小學生都知道嘛，不就是白天我們看到的天是藍的，因爲我們這半地球正對著太陽，太陽光照射進大氣層經過折射，使天空變成藍色；然後地球會自轉，晚上我們會轉到背對太陽，沒有太陽光照射進來，所以天就變黑了，這仿佛是常識。

但是，真的這麽簡單嗎？

但是就是面對這個常識性的問題，著名的天文學家哈雷（Edmund Halley, 1656~1742, 沒錯就是“哈雷彗星”的那個哈雷）卻怎麽也想不明白。所以1720年，哈雷就問了這樣的一個問題“爲什麽夜間的天空是漆黑的？”誰知這麽一問竟引出了天文物理學中的一樁公案，長期以來一直沒有一個共識性的意見，史稱“奧博斯佯謬”。

哈雷提出這個問題也是基于常識，不過這次他加了一些推理在裏面。我們每個人現在都應該知道宇宙中存在數不盡的恒星在我們的周圍。恒星數目之多，僅僅銀河系而言就已經有1000多億顆以上。在地球所在的這個星系，恒星幾乎是均勻處處分布的，在地球上觀察中，無論從哪個方面上觀察，那個方向都存在數不清的恒星。我們知道一個和地球距離爲R的恒星發出的光到達地球的強度和距離的平方成反比，而這個恒星所處的那一殼層的體積與R的平方成正比，所以在那個恒星所處的半徑爲R的球形面上卻擁有著和R的平方成正比的恒星。兩者相乘，就可以輕易的看到，無論恒星和地球的距離是多少，那個球形面上射進人眼的光強都是一樣的。哈雷推到這裏，看到頭頂的黑夜，一時語塞，對呀，夜晚爲什麽這麽黑呢？

學界爲了解釋這個“簡單”的問題，進行了曠日持久的討論。讀者可以注意到，作爲最初的提出者，這個佯謬不叫“哈雷佯謬”，而叫“奧博斯佯謬”，這個奧博斯是誰呢？奧博斯就是最先一批試圖解答哈雷提問的天文學家，他們首先想到的是以太陽作爲突破點爲解決這個問題。奧博斯認爲太陽離我們最近，發的光最“不被損耗地”照到地球上，而離地球很遠的星系，它們發出的光卻會被吸收、反射、折射，總之來到“直接”來到地球的光已經很弱了。乍一看，奧博斯說的很有道理。但是破綻馬上就漏了出來，天體物理學家開始意識到光線確實在遙遠的奔波中會被各種損耗，但是能量是不會消失的。光線被吸收，星體溫度上升，還會把光發出來；光被散射，也來沒有消失，輻射的能量大體沒有虧損，而是朝向四面八方射去，“直接”射向地球的是減少了，但是背景的光亮增強了。所以無論光被吸收還是折射，都不會使得天空的背景變暗。所以奧博斯的解釋最先被擊破，人們最先太陽爲突破點的嘗試也失敗了。

我們知道，要想證明一個結論的錯誤，最簡單的就是看看提前有沒有問題。大家自然就會想到是不是哈雷之前推導這個結論的時候，前提出了問題呢？讓我們來梳理一下，哈雷推導這個結論的時候所使用的“靜態宇宙模型”：

1. 宇宙是靜態不動的
2. 宇宙在時間和空間尺度上沒有盡頭（無限大、存在無限長的時間）
3. 宇宙是均勻的

大家首先意識到，前提2是有問題的。自從20世紀，大家開始探索宇宙的起點，微波背景輻射的發現，以及大爆炸理論的興起，都刷新著人類對于宇宙的認知。這些新認知告訴我們，宇宙起源于137億年前的一次大爆炸，宇宙並不是無限大的。那這樣看來，我們又可以對“奧博斯佯謬”進行一次解釋。天是黑的是因爲光速是有限，我們看到的恒星其實是他們以前的樣子。也就是說，我們現在看到的宇宙一直是恒星形成之前所發出的光，雖然這些星系已經變成了恒星，但是光還沒有飛過來。這種解釋對嗎？

錯。經過多年的觀測，尤其是微波背景輻射均勻彌散在地球周圍都確定了，恒星確實是大量的存在于宇宙中。解釋到這一層，如果在上個世紀中期，我只能遺憾的跟大家說“對不起，我也不知道爲什麽，這個佯謬是一場災難，因爲無論從哪個角度看，宇宙都是明亮的，恒星遍布我們周圍，黑夜也該和白天一樣明亮。”

科學仍在進步，上個世紀下半頁哈勃望遠鏡觀測到了一個非常重要的現象–宇宙在膨脹！這正好和符合宇宙大爆炸所給出的動態宇宙模型，說明宇宙靜止不動這一前提也是錯誤的。哈勃望遠鏡發現即使是離太陽系最近的恒星系也在以極快的速度遠離我們，而我們知道光是一種電磁波，波具有多普勒效應，在光源和接受者之間存在相對速度時，光會産生紅移和藍移現象，而人眼的可見光的頻率範圍是有限的，紅外線和紫外線是人眼所看不到的。這時我們可以基于之前的認知再一次給出補充說明，因爲宇宙的快速膨脹，所以這些恒星發出的光會因爲多普勒效應紅移，導致我們觀測不到大部分可見光。

所以，天才會黑。

如果我們不知道宇宙不是無限大的，不知道宇宙是動態變化的，不知道光速的有限性，我們可能連“天爲什麽會黑”，這麽一個樸素的問題都給不出一個合理的解釋。自然科學的發展，就是人類好奇心的滿足史。我們不應該總是問自然科學“有沒有用”，應用只是科學發展的副産物，科學的核心是人類對于未知領域的一次次發問。