夜晚的天空為什麼是黑暗的?(圖)



夜晚的天空為什麼是黑暗的呢?(圖片來源:Adobe Stock)

有時,天文學中最簡單的問題卻是最難回答的……比如:夜晚的天空為什麼是黑暗的呢?

這是一個簡單得也許只有孩子才會問的問題,父母對此也許會不屑一顧。但是宇宙學家愛德華.哈里森卻花了幾十年時間來研究這個問題。他在《夜的黑》這本書中寫道:「我常常思考宇宙為什麼沒有充滿光?即使在我解決了這一問題之後,我仍會反覆思考這個問題,並為大自然的力量和精妙所深深打動。」

一百多年前科學家解釋了為什麼天空是藍的,而這個看起來更簡單的問題——夜空為什麼是黑暗的,直到20世紀才有了相對合理的答案。

光線說

其他恆星光太弱

問題的答案乍一看很明顯:因為太陽下山了。但是據我們已知的知識,如果宇宙是無限的,又充滿著無數顆恆星,那麼夜晚難道不是應該和白天一樣明亮嗎?這種理論和觀測之間的矛盾,被稱為「奧伯斯佯謬」。

海因裡.奧伯斯是19世紀德國的一位醫生和天文學家。他喜歡觀測天空,尋找彗星,並最終發現了2顆小行星。1823年,奧伯斯寫了一篇宇宙學論文。他說,想像一下,如果恆星均勻地分布在宇宙空間裡,離地球近的恆星,自然看起來就大,但遠處的恆星數量也會很多。奧伯斯力圖證明,數量巨大的遠距離的恆星雖然「目視尺寸」相對較小,但在我們視野中仍覆蓋著整個天空。如果宇宙是無限的,就意味著天空中充滿著無數的閃亮的星星,那麼夜空應該會和白天一樣明亮。

但顯然,正如奧伯斯描述的:「大自然並沒有這樣安排事物。地球並沒有被籠罩在耀眼的星光之中。否則,我們將無法看到星星,只能通過觀測黑子來推斷太陽的行蹤,而月亮和行星僅僅是明亮背景上移動著的暗斑。」那這些星星的光芒究竟去哪兒了?

奧伯斯的論文當時並沒有引起普遍注意,夜空的黑暗之謎也無人問津。直到1576年,英國人托馬斯.迪格斯在其父所寫的一本書的附錄中,又嘗試解釋為什麼夜晚沒有被星光照亮。這本書的內容是講以地球為中心的宇宙體系,但迪格斯卻是哥白尼的支持者,認為恆星散佈於宇宙空間中。他說:「無窮天際上的恆星發出無限的光芒。但是它們互相遮擋,而且距離相當遙遠,於是星光越來越弱……所以我們看到的現在的夜晚才是如此黑暗。」

在1721年,愛德華.哈雷在皇家科學院的一次演講中,也提出了類似的兩個方法來說明無限大且充滿恆星的宇宙為什麼有一個黑暗的夜晚。他的兩個觀點中,其一是說遠處大量恆星的光無法等效於近處少量恆星的光;其二則重複了迪格斯的觀點,認為看不見的恆星對於光沒有貢獻,因為「它們的光線……太弱,無法使我們感覺到」。

這個解釋看起來合理,實際上卻是很有問題的。因為按照我們觀察到的夜空現狀來分析,把所有看不見的恆星的光整合起來,是能達到被看見的程度的。比如我們肉眼可以看到仙女座星系,但是仙女座星系中並沒有一顆恆星亮到足以讓肉眼看到。如果無數顆恆星同時存在是事實,那麼起碼我們能看到比銀河更閃亮的天空。

暗牆說

宇宙空間不透明

德國天文學家約翰內斯.開普勒後來對迪格斯提出了質疑。開普勒認為,宇宙無限大,會使太陽迷失在茫茫星海之中。他提出,夜空之所以是黑的,是因為在我們居住的星際空間周圍有一堵「暗牆」。

瑞士天文學家讓-菲利普.盧瓦斯.德.謝諾1744年在描述當年一顆有著6條彗尾的彗星的書的附錄裡,也討論了這個問題。謝諾認識到,遠處看不見的恆星對於整個天空中的光應該是有貢獻的。他說:「夜空之所以是黑的,原因只是宇宙空間並不透明。它充滿著物質,這些物質會‘吸收’光線,從而產生了一個黑暗的夜空。」

其實,奧伯斯在1823年的論文中早就提到過相同的觀點。然而,謝諾和奧伯斯都錯了。

不久就有天文學家提出,空間中的消光物質並不能使夜空變暗。消光物質在遮擋光線的同時,也會被光線加熱,進而發光,它們應該會和恆星一樣明亮——就像大雨中的樹,起先葉子還能保護地面不受雨淋,可是不久雨水便會從葉子上滴落下來,最終地面還是會濕透。

曾繪製了「月面圖」的德國天文學家約翰.馬德勒,出版過一本書叫《大眾天文學》,其中也提到「星際物質吸收星光而使夜空變得黑暗」。但後來他意識到錯誤,在1858年他的另一本書以及1861年版的《大眾天文學》中,他給出了另一種解釋:「光速是有限的,它的傳播需要時間。因此,我們看到的光是經過有限的時間來到我們這兒的。這樣夜空黑暗之謎就可以得到合理而充分的解釋——星際消光的限制可以被排除了,更確切地講,遠處的星光還沒有到達我們這裡。」

距離說

遠處的光未到達地球

馬德勒提出的「還未到達」理論,似乎接近了真相。不過在他提出此說前10年,已有人給出過類似的解釋——被普遍認為第一個給出「奧伯斯佯謬」正確解釋的人,並不是來自歐洲那些裝備齊全的天文臺的天文學家,而是一個美國詩人——愛倫.坡。

愛倫.坡在臨死前出版的《我發現了》一書中,這樣解釋了「奧伯斯佯謬」:星星無窮無盡,天空的背景就會呈現出明亮,就像是銀河——它們不會呈點狀,在背景中也不會只出現一顆星星。因此,只有一種可能,由於恆星的距離實在是太遠了,它們發出的光還沒來得及到達地球。

簡單地說,愛倫.坡認為,我們無法看到比宇宙更遠的地方,所以,黑暗的夜空是宇宙誕生的證據。

愛德華.哈里森認為是愛倫.坡首先正確揭示了「奧伯斯佯謬」。哈里森在第一次看《我發現了》一書時,說:「我大吃一驚,一個詩人,不,一個最了不起的業餘科學家,在140年前就領悟到了問題的本質。」哈里森稱之為「人類思想的傑作」,但英國天文學家愛丁頓爵士則認為愛倫.坡的理論是「怪人的理論」,因為身為詩人的愛倫.坡剛說完又開始懷疑自己:「也許是這樣的吧,有誰會冒險來質疑它呢?」

1901年,蘇格蘭數學家、物理學家開爾文對愛倫.坡的這一解釋進行了量化說明。開爾文用具體計算表明,若要夜空變得明亮,我們至少要能看到數百萬億光年遠的範圍。由於宇宙的年齡現在遠小於1萬億年,所以夜空是黑的。這讓更多科學家相信,愛倫.坡的解釋是最接近真相的解釋。

愛倫.坡、馬德勒和開爾文都認識到,天文學家能看到的宇宙只是「過去的樣子」,而不是「現在的樣子」。

哈里森認為,是宗教的信條延緩了「奧伯斯佯謬」的解決。「從某個層面來講,人們已認識到了光速的重要性,但是真正的矛盾來自根深蒂固的宇宙觀。因為這涉及宇宙的年齡。」

紅移說

宇宙在不斷地膨脹

但1952年,「穩恆態宇宙學」的支持者亨曼.邦迪在他的《宇宙學》一書中,提出「宇宙在不斷膨脹」,又對愛倫.坡的說法提出過質疑。

邦迪認為,宇宙並不是像「大爆炸宇宙論」者所說的那樣,創生於150億年前的一次大爆炸,相反,宇宙是永遠存在著的。在一個永存的宇宙中,愛倫.坡對「奧伯斯佯謬」的解釋——遙遠的星光還沒有抵達地球——就說不通了。如果宇宙的年齡是無限的,天文學家應該能看到無限遠處。他認為,膨脹的空間會使穿行其中光的波長變長或者「紅化」,因此光傳播得越遠,「紅移」就越大。紅光的光子能量比黃光或是藍光來得低,「紅移」會減弱來自遙遠星系星光的能量,所以夜空是暗的。

1955年,穩恆態宇宙學家福雷德.霍伊爾在他的《天文學前沿》一書中也寫道:「因為宇宙膨脹,所以夜晚是黑的。這是一個意料之外的解釋——以至於19世紀的天文學家從來沒有想到過。」

這種解釋又是一種進步。不過,「紅移說」僅僅在穩恆態宇宙學中適用,因此這一宇宙學模型並沒有被天文學家廣為接受。比如「大爆炸宇宙論」者仍堅持,膨脹的空間對夜晚的黑暗不起什麼作用,即使宇宙停止膨脹,夜晚仍將是黑的。哈里森在《夜的黑》一書中寫道:「黑暗的夜空證明宇宙在膨脹。這就像是一本書的主題,扉頁上則寫著‘多普勒效應’,以此來吸引大量的聽眾。」

哈里森在1964年又對「奧伯斯佯謬」提出另一個正確解釋:「宇宙自身擁有的能量太少。」哈里森嘗試計算,若是夜空被無數的星星照亮要多少能量。「起先,我的計算結果無法令人相信,但不久事情就變得清晰——我們一直在沿用錯誤的角度來看待整個問題。」哈里森的計算表明,若要照亮夜空,可觀測宇宙需要的能量為現今的10萬億倍——每顆恆星的發光度要上升10萬億倍,或者恆星的數目要增加10萬億倍。另外,恆星不可能永生,就算宇宙無限老,夜空仍舊是黑暗的,原因是恆星總是會死亡的。就像太陽,恆星一直在通過核反應將質量轉化成能量。哈里森認為,別指望其他恆星,就算宇宙中的所有質量都轉化成能量,夜晚也不會比一個有月亮的晚上亮。

因此,現在問題有了一個「雙保險」的答案——宇宙還太年輕,而且能量不足。點亮整個宇宙就像是用一根蠟燭花上一個小時來加熱一幢房子:一個小時太短了,即使你能等更長的時間,可是在完成這項任務前,蠟燭也已燃盡了。

但直到1987年的調查仍顯示,只有30%的天文學書籍能正面接受這個相對正確的解釋。

如果我們也接受哈里森的這個解釋,再按照這個理論推斷下去,需要留意的是:我們所看到的天空可能會越來越黑暗了


看完這篇文章您覺得

評論



看中國版權所有 Copyright © 2001 - Kanzhongguo.com All Rights Reserved.