方舟子 : 为什么夜空是黑暗的？
via 新语丝 by 方舟子 on 2/26/08
◇◇新语丝(www.xys.org)(xys.dxiong.com)(xys.3322.org)(xys.xlogit.com)◇◇ 为什么夜空是黑暗的？ ・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小惑星，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）(XYS20080227)◇◇新语丝(www.xys.org)(xys.dxiong.com)(xys.3322.org)(xys.xlogit.com)◇◇