Ken+Croswell

有時(shí)，天文學(xué)中最簡(jiǎn)單的問(wèn)題卻是最難回答的……

太陽(yáng)又下山了。玫瑰色的云在頭頂上浮動(dòng)，朱紅與金黃又一次出現(xiàn)在地平線上。家里都點(diǎn)上了燈，餐桌上蠟燭隱隱作亮，在晚霞的映襯下，街邊的路燈就像是項(xiàng)鏈上的珍珠閃閃發(fā)光。黃昏越來(lái)越暗，星星出現(xiàn)了，它們一如既往地出現(xiàn)在這墨黑的穹頂之上。但是為什么夜空是黑的呢？

這是一個(gè)簡(jiǎn)單得也許只有孩子才會(huì)問(wèn)的問(wèn)題，父母對(duì)此也許會(huì)不屑一顧，但是宇宙學(xué)家愛(ài)德華·哈里森（Edward Harrison）卻花了幾十年的時(shí)間來(lái)研究這個(gè)看似簡(jiǎn)單的問(wèn)題?！霸S多年前我開(kāi)始對(duì)夜空的黑暗之謎產(chǎn)生了興趣，”在《夜的黑》（Darkness at Night）這本書中他寫道，“我常常思考宇宙為什么沒(méi)有充滿光，即使在我解決了這一問(wèn)題之后也是如此。這個(gè)古老的謎題仍舊縈繞在我周圍。有時(shí)幾個(gè)小時(shí)，有時(shí)幾天，我會(huì)重新思考這個(gè)問(wèn)題，為大自然的力量和精妙所深深打動(dòng)?！?/p>

夜空為什么是黑的，乍一看很明顯，因?yàn)樘?yáng)下山了。但是還有恒星在閃耀啊。如果宇宙是無(wú)限的，充滿著無(wú)數(shù)顆恒星，那么夜晚將和白天一樣的明亮。這種理論和觀測(cè)之間的矛盾被稱為奧伯斯佯謬，奧伯斯是19世紀(jì)的醫(yī)生和天文學(xué)家。

從彗星到宇宙學(xué)

海因里·奧伯斯（Heinrich Wilhe-

lm Olbers）每晚只睡4個(gè)小時(shí)。白天醫(yī)治德國(guó)北部城市布萊梅的病人，為此他贏得了治愈霍亂的榮譽(yù)。晚上他觀測(cè)天空尋找彗星，發(fā)現(xiàn)了前4顆小行星中的2顆。

1823年，奧伯斯寫了一篇宇宙學(xué)論文。他說(shuō)，想象一下，如果恒星均勻地分布在宇宙空間里。離地球近的恒星，自然看起來(lái)就大，但遠(yuǎn)處的恒星數(shù)量多，因?yàn)樵谝粋€(gè)固定的視角下，距離越遠(yuǎn)空間就越大。奧伯斯證明數(shù)量巨大的遠(yuǎn)距離恒星彌補(bǔ)了它們較小的視尺寸，在給定半徑的球殼中也能覆蓋整個(gè)天空。如果宇宙是無(wú)限的，這樣的球殼也將有無(wú)限多個(gè)，就意味著天空中將充滿星星，夜空將會(huì)和白天一樣明亮。

奧伯斯寫道：多幸運(yùn)，大自然并沒(méi)有這樣安排事物。多幸運(yùn)，地球并沒(méi)有沉浸在耀眼的星光之中。否則，天文學(xué)仍將處于蒙昧的階段。我們將無(wú)法看到星星，只有通過(guò)觀測(cè)黑子來(lái)推斷太陽(yáng)的行蹤，而月亮和行星僅僅是明亮背景上移動(dòng)著的暗斑。

那時(shí)，奧伯斯的工作并沒(méi)有引起注意，同樣夜晚的黑暗之謎也無(wú)人問(wèn)津。英國(guó)人托馬斯·迪格斯（Thomas Digges）贏得了這一榮譽(yù)。1576年，在其父所寫的一本書（Prognostication Euerlastinge）的附錄中，迪格斯提到了這個(gè)問(wèn)題。這本書采用了以地球?yàn)橹行牡挠钪骟w系，但在附錄中迪格斯卻是哥白尼的支持者。而且他比哥白尼更進(jìn)一步，他認(rèn)為恒星散布于宇宙空間中。之后，他嘗試解釋為什么夜晚沒(méi)有被星光照亮：

無(wú)窮天球上的恒星發(fā)出無(wú)限的光芒。但是它們互相遮擋，而且距離相當(dāng)遙遠(yuǎn)，于是星光就越來(lái)越弱。所以我們就看到了現(xiàn)在的景象。

因此，迪格斯認(rèn)為夜晚是黑的原因是遙遠(yuǎn)的恒星太暗弱以至于看不見(jiàn)了。盡管這個(gè)解釋看起來(lái)是合理的，但它是錯(cuò)的。把所有看不見(jiàn)的恒星的光集合起來(lái)，可以達(dá)到能被看見(jiàn)的程度。事實(shí)上，肉眼可以看到仙女座星系，但是仙女星系中沒(méi)有一顆恒星亮到足以能讓肉眼看到。

迪格斯認(rèn)為宇宙是無(wú)限的，但是偉大的德國(guó)天文學(xué)家約翰內(nèi)斯·開(kāi)普勒（Johannes Kepler）卻對(duì)此表示不滿。開(kāi)普勒認(rèn)為無(wú)限的宇宙會(huì)使太陽(yáng)迷失在茫茫的星海之中。他說(shuō)，夜空之所以是黑的，是因?yàn)樵谖覀兙幼〉男请H空間周圍有一堵暗墻。

一百多年后，愛(ài)德華·哈雷（Edward Halley）也思考了這一問(wèn)題。1721年，在皇家科學(xué)院的一次演講中，他提出了兩個(gè)方法來(lái)調(diào)和無(wú)限而又充滿恒星的宇宙，使它有一個(gè)黑暗的夜晚。第一，由于數(shù)學(xué)上的錯(cuò)誤，他錯(cuò)誤地認(rèn)為遠(yuǎn)處大量恒星的光無(wú)法等效為近處少量恒星的光。第二，他重復(fù)了迪格斯的觀點(diǎn)，看不見(jiàn)的恒星對(duì)于光沒(méi)有貢獻(xiàn)，“它們的光線……太弱，無(wú)法使我們感覺(jué)到?！彼裕滓矝](méi)有給出夜晚為什么是黑暗的答案。

另一個(gè)思考這一問(wèn)題的人是瑞士天文學(xué)家讓-菲利普·盧瓦斯·德·謝諾

（Jean-Phillippe Loys de Cheseaux）。1744年，在有關(guān)當(dāng)年一顆有著6條彗尾的彗星的書的附錄里，他也討論了這個(gè)問(wèn)題。與迪格斯和哈雷不同，謝諾認(rèn)識(shí)到遠(yuǎn)處看不見(jiàn)的恒星對(duì)于整個(gè)天空中的光是有貢獻(xiàn)的。他說(shuō)，夜空之所以是黑的，原因是宇宙空間并不是透明的。相反，它充滿著物質(zhì)，它們會(huì)“吸收”光線，產(chǎn)生一個(gè)黑暗的夜空。奧伯斯在1823年的論文中也提到了相同的觀點(diǎn)。但是奇怪的是，奧伯斯有謝諾寫的這本書，但是他卻沒(méi)有引用它，可是卻提到了哈雷。

然而，謝諾和奧伯斯也都錯(cuò)了?？臻g中的消光物質(zhì)無(wú)法使夜空變暗。不久，天文學(xué)家認(rèn)識(shí)到，消光物質(zhì)在遮擋光線的同時(shí)，也會(huì)被光線所加熱，進(jìn)而發(fā)光，它們將會(huì)和恒星一樣的明亮。這就像大雨中的樹(shù)。起先葉子還能保護(hù)地面不受雨淋，可是不久雨水便會(huì)從葉子上滴落下來(lái)，最終地面還是會(huì)濕透。

渡鴉的述說(shuō)

令人驚訝的是，第一個(gè)給出奧伯斯佯謬正確解釋的人不是來(lái)自歐洲裝備齊全天文臺(tái)的天文學(xué)家，而是一個(gè)美國(guó)詩(shī)人。在他短暫的一生中，愛(ài)倫·坡（Edgar Allan Poe）以其帶有恐怖和超自然色彩的小說(shuō)、詩(shī)歌享譽(yù)世界。黑暗籠罩著愛(ài)倫·坡的一生。在他兩歲時(shí)，他的母親死了。在大學(xué)時(shí)，因?yàn)橘€博和酗酒而生活拮據(jù)，之后他便生活在貧困之中。他妻子二十幾歲時(shí)便離開(kāi)了人世。他40歲時(shí)，在一陣狂飲之后，結(jié)束了自己的生命。

黑暗也同樣縈繞著愛(ài)倫·坡的作品。在《渡鴉》（Raven）中他寫道：

Deep into that darkness peering， long

I stood there wondering， fearing，

Doubting， dreaming dreams no mortalendprint

ever dared to dream before；

But the silence was unbroken， and

the darkness gave no token...

哈里森發(fā)現(xiàn)，愛(ài)倫·坡在其死前一年所寫的《我發(fā)現(xiàn)了》（Eureka）中正確揭示了奧伯斯佯謬。哈里森說(shuō)：“當(dāng)我第一次讀愛(ài)倫·坡的作品時(shí)，我大吃一驚。一個(gè)詩(shī)人，不，一個(gè)最了不起的業(yè)余科學(xué)家在140年前就領(lǐng)悟到了問(wèn)題的本質(zhì)，而在我們的學(xué)校中仍舊在宣揚(yáng)錯(cuò)誤的觀點(diǎn)?！?/p>

1848年，愛(ài)倫·坡出版了《我發(fā)現(xiàn)了》。他寫道，“當(dāng)我寫完《我發(fā)現(xiàn)了》之后，我便喪失了對(duì)生的渴望。我已無(wú)法再寫作了?！睈?ài)倫·坡本希望他的出版商能出版5萬(wàn)本，結(jié)果只有5百本。評(píng)價(jià)也是各不相同，有人說(shuō)它新穎、駭俗；另一些人則對(duì)此不屑一顧。在近代，當(dāng)哈里森歡呼，認(rèn)為它是人類思想的杰作時(shí)，英國(guó)天文學(xué)家愛(ài)丁頓（Eddington）爵士則認(rèn)為它是怪人的理論。

對(duì)愛(ài)倫·坡來(lái)說(shuō)，上帝就是一個(gè)詩(shī)人，宇宙就是“最卓越的詩(shī)”。他這樣解釋奧伯斯佯謬：

星星無(wú)窮無(wú)盡，天空的背景就會(huì)呈現(xiàn)出明亮，就像是銀河——它們不會(huì)呈現(xiàn)點(diǎn)狀，在背景中也不會(huì)出現(xiàn)一顆星星。因此，只有一種可能，由于恒星的距離實(shí)在是太遠(yuǎn)了，它們發(fā)出的光還沒(méi)來(lái)得及到達(dá)地球。

簡(jiǎn)要地說(shuō)，愛(ài)倫·坡認(rèn)為，之所以遙遠(yuǎn)恒星的光沒(méi)有照亮星空是因?yàn)樗鼈冞€沒(méi)來(lái)得及到達(dá)地球；我們無(wú)法看到比宇宙更遠(yuǎn)的地方。用現(xiàn)在的話來(lái)講，我們無(wú)法看到137億光年之外的東西。所以，黑暗的夜空是宇宙誕生的證據(jù)。

但是，立刻愛(ài)倫·坡又開(kāi)始懷疑自己的解釋?！耙苍S是這樣的吧，有誰(shuí)會(huì)冒險(xiǎn)來(lái)質(zhì)疑它呢？”他寫道，“我相信它是正確的?！?/p>

在《我發(fā)現(xiàn)了》中，愛(ài)倫·坡數(shù)次提到了德國(guó)天文學(xué)家約翰·馬德勒（Johann Madler），由于在他十幾歲時(shí)出現(xiàn)的大彗星使他對(duì)天文學(xué)產(chǎn)生了興趣。馬德勒繪制月面圖，并且出版了一本書《大眾天文學(xué)》，這本書再版了6次。在早期的版本中，馬德勒和奧伯斯一樣，認(rèn)為是星際物質(zhì)吸收星光而使夜空變得黑暗。但在1858年的另一本書（《我發(fā)現(xiàn)了》出版后10年）以及暢銷的1861年版的《大眾天文學(xué)》中，他則給出了和愛(ài)倫·坡相似的解釋：

光速是有限的；它傳播需要時(shí)間，因此，我們看到的光是經(jīng)過(guò)有限的時(shí)間才到這我們這兒的。這樣夜空黑暗之謎就可以得到合理而充分的解釋，星際消光的限制就可以被排除了。更確切地講，遠(yuǎn)處的星光還沒(méi)有到達(dá)我們這里。

1901年，蘇格蘭數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家開(kāi)爾文（Kelvin）對(duì)這一解釋進(jìn)行了量化。開(kāi)爾文的計(jì)算表明，若要夜空變得明亮，我們至少要能看到數(shù)百萬(wàn)億光年遠(yuǎn)的范圍。由于宇宙的年齡現(xiàn)在遠(yuǎn)小于1萬(wàn)億年，所以夜空是黑的。

愛(ài)倫·坡、馬德勒和開(kāi)爾文都認(rèn)識(shí)到了天文學(xué)家所能看到的宇宙是過(guò)去的樣子而不是現(xiàn)在的樣子。看得越遠(yuǎn)，就越深入過(guò)去——哈里森認(rèn)為宗教的信條延緩了奧伯斯佯謬的解決?！拔覀兓仡櫄v史，為什么人們對(duì)整件事無(wú)動(dòng)于衷，這個(gè)問(wèn)題有著文化背景，”哈里森說(shuō)，“從一個(gè)層面上講，人們已認(rèn)識(shí)到了光速的重要性，但是真正的矛盾來(lái)自根深蒂固的宇宙觀。這涉及宇宙的年齡。如果你意識(shí)到這將與《圣經(jīng)》相悖，你最好保持沉默?！薄妒ソ?jīng)》是這樣說(shuō)的，宇宙將近有6000年的歷史，也就是說(shuō)天文學(xué)家僅能看到6000光年遠(yuǎn)的范圍。

深入奧伯斯佯謬

盡管奧伯斯佯謬已有幾個(gè)世紀(jì)的歷史，但是直到20世紀(jì)50年代它才開(kāi)始引人注目。的確，如果你在奧伯斯的年代，提起奧伯斯佯謬，人們根本不知道你在談?wù)撌裁础?/p>

1952年，亨曼·邦迪（Hermann Bondi）的《宇宙學(xué)》一書首次提到了奧伯斯佯謬。邦迪是穩(wěn)恒態(tài)宇宙學(xué)的支持者。與大爆炸宇宙學(xué)不同，穩(wěn)恒態(tài)宇宙學(xué)認(rèn)為宇宙不是創(chuàng)生于150億年前的大爆炸，相反宇宙永遠(yuǎn)存在著。在一個(gè)永存的宇宙中，愛(ài)倫·坡對(duì)奧伯斯佯謬的解釋——遙遠(yuǎn)的星光還沒(méi)有抵達(dá)地球就行不通了。如果宇宙的年齡是無(wú)限的，則天文學(xué)家能看到無(wú)限遠(yuǎn)處。

為此，穩(wěn)恒態(tài)理論用宇宙膨脹來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。膨脹的空間會(huì)使穿行其中光的波長(zhǎng)變長(zhǎng)，或者紅化，因此光傳播得越遠(yuǎn)，紅移就越大。紅光的光子能量比黃光或是藍(lán)光來(lái)得低，紅移會(huì)減弱來(lái)自遙遠(yuǎn)星系星光的能量，進(jìn)而夜空是暗的。1955年，穩(wěn)恒態(tài)宇宙學(xué)家福雷德·霍伊爾（Fred Hoyle）在他的《天文學(xué)前沿》（Frontiers of Astronomy）一書中寫道，“因?yàn)橛钪媾蛎?，所以夜晚是黑的。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)?！?/p>

雖然，這是一種進(jìn)步，但是紅移無(wú)法解釋奧伯斯佯謬。它僅僅在穩(wěn)恒態(tài)宇宙學(xué)中適用，而這一宇宙學(xué)模型并沒(méi)有被天文學(xué)家廣為接受。在大爆炸宇宙學(xué)中，膨脹的空間對(duì)夜晚的黑暗不起什么作用，即使宇宙停止膨脹夜晚仍將是黑的。然而大多數(shù)的書中卻不是這么寫的。1987年的調(diào)查顯示，只有30%的天文學(xué)書籍正確解釋了為什么夜晚是黑的。

哈里森認(rèn)為夜晚的黑暗和膨脹的宇宙之間的聯(lián)系很清楚：第一，微不足道；第二，過(guò)于深?yuàn)W——這得歸咎于50年代的宇宙學(xué)普及?！巴砩献叩綉敉?，天文學(xué)家這樣吸引他們的聽(tīng)眾，抬頭仰望繁星點(diǎn)點(diǎn)的夜空，”他的《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(yè)上則寫著多普勒效應(yīng)，以此來(lái)吸引大量的聽(tīng)眾?！?/p>

宇宙的能量危機(jī)

從愛(ài)倫·坡開(kāi)始，天文學(xué)家已對(duì)黑暗的夜空有了一個(gè)正確的解釋：宇宙還太年輕。1964年，哈里森發(fā)現(xiàn)了另一個(gè)正確的解釋：宇宙擁有的能量太少。

在邦迪的宇宙學(xué)書中，哈里森首次知道了奧伯斯佯謬。哈里森決定計(jì)算，若是夜空要被無(wú)數(shù)的星星照亮要多少能量?！捌鹣龋业挠?jì)算結(jié)果簡(jiǎn)直我法令人相信，”他寫道，“但之后，事情就清楚了，我們一直沿用錯(cuò)誤的角度來(lái)看待整個(gè)問(wèn)題?！?/p>

在可觀測(cè)的宇宙中，所有恒星所產(chǎn)生的能量是非常小的。哈里森的計(jì)算表明，若要照亮夜空，可觀測(cè)宇宙需要的能量為現(xiàn)今的10萬(wàn)億倍——每顆恒星的發(fā)光度要上升10萬(wàn)億倍，或者恒星的數(shù)目要增加10萬(wàn)億倍。另外，恒星不可能永生，就算宇宙無(wú)限老，夜空仍舊是黑暗的，原因是恒星總是會(huì)死亡的。

就像太陽(yáng)，恒星通過(guò)核反應(yīng)將質(zhì)量轉(zhuǎn)化成能量。哈里森證明，就算宇宙中的所有質(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。因此，現(xiàn)在有了雙保險(xiǎn)——宇宙還太年輕而且能量不足。點(diǎn)亮整個(gè)宇宙就像是用一根蠟燭花上一個(gè)小時(shí)來(lái)加熱一幢房子：一個(gè)小時(shí)太短了，即使你能等更長(zhǎng)的時(shí)間，可是在完成這項(xiàng)任務(wù)前，蠟燭也已燃盡了。

所以，天文學(xué)家終于能回答為什么夜空是黑暗的了。一百多年前科學(xué)家解釋了為什么天空是藍(lán)的，但是看起來(lái)更簡(jiǎn)單的問(wèn)題——夜空為什么是黑暗的，卻直到20世紀(jì)才有了完整的答案。它印證了，被黑暗迷住的人才是第一個(gè)揭開(kāi)它神秘面紗的人。（原文來(lái)源：Sky & Telescope。本文最初于2002年5月首次刊載于“火流星”網(wǎng)站，此版本為譯者再編輯版。）endprint