為什麼夜晚的天空總是黑暗的？

「黑夜給了我黑色的眼睛，

我卻用它來尋找光明。」 ——顧城

詩人筆下的夜色，總帶著浪漫和神秘。然而，天空中發光的星星數不勝數，為什麼夜晚總是黑暗的呢？

晴朗的夜空，你或許見過天空微微發亮的稀薄帶狀物，猶如一抹淺淺的雲。這條帶狀物包含了構成銀河係數以億計的發光恆星，由於遙遠，我們無法辨別出它們各自的星光，只看到一片瀰漫的稀薄亮光。

銀河系約有2千億到4千億顆恆星，本身直徑約為10萬光年。這麼遙遠的距離使得星光變得極其暗淡，意味著我們看見的只是這些星星的光芒共同累積形成的一片微光。

銀河系又是構成大得多的本星系群的大約40個星系之一，其他成員還有大、小麥哲倫星雲以及仙女星系等。現今天文觀測技術精度的進步，我們已經知道星系本身還會聚成超星系團。我們的本星系群又隸屬於更大的本超星系團。我們的天空（宇宙）最遠到哪裡？它是否無窮大呢？我們其實並不知道。

夜色變暗的問題已經困擾天文學家好幾個世紀，並且引出了一個著名的悖論——奧伯斯佯謬（Olbers' paradox）。

一、何謂奧伯斯佯謬

當人們抬頭凝望夜空時，可能會思考一個深奧的問題：為什麼入夜後天色會變暗？

人們有足夠的理由相信，即使宇宙不是無窮大，它也大到我們無法到達其邊界。當觀測者從任意一個方向遙望天空時，總會看到至少一顆恆星，那麼天空始終會被照亮，不管日升日落，晝夜無異。

1826年，德國不萊梅的醫生兼業餘天文學家奧伯斯（Olbers Wilhelm）提出，如果宇宙是無限靜止和均勻分布的，並且有無數平均分布的發光恆星，那麼觀察者每一道視線的終點必將會終結在一顆發光的恆星上，星與星之間不應有黑暗的位置。不難想像，整個天空即使在夜晚也會像白天一樣明亮。然而事實並非如此，我們沒有觀察到這種現象，夜空依然是黑暗的。

這種理論與觀察的矛盾，被稱為奧伯斯佯謬，也稱光度佯謬。

二、先賢們的種種謬解

其實奧伯斯並不是第一個提出此問題的人。在此之前，早他一個世紀的英國天文學家埃德蒙多·哈雷（Edmond Halley）已經敘述過。再早一個世紀的德國天文學家克卜勒（Johannes Kepler）在1610年提出過。然而就連克卜勒都算不上第一個寫下這個問題的人。

現在我們知道，太陽也是一顆普通恆星，位於宇宙某個不起眼的平凡星系的某個旋臂外側。幾個世紀以來，越來越精確的天文觀測數據幫助我們建立了現代宇宙論，也讓我們明白宇宙並沒有中心，而且很可能往各個方向一直延伸。然而在望遠鏡發明之前的天文學家沒有機會得到這些知識。

突破來自16世紀英國天文學家託馬斯·狄格斯（Thomas Digges）新的觀測結論。即所有的恆星與我們之間的距離不見得都相同，較亮的星離我們較近，較暗的星則較遠。雖然在今天這是顯而易見的，但在當時是一個革命性的想法。

當狄格斯看著無垠太空中數不盡的星星時，思索到一個問題：為什麼夜空是暗的？他自認為這算不上什麼悖論。狄格斯直接假設由於遙遠距離的星星過於昏暗，對天空的亮度沒有任何貢獻。他沒有考慮至關重要的數學計算，因此沒法揭露出他對黑暗夜空的錯誤推論。

後來，克卜勒在1610年重新檢視這個問題，並認為夜晚之所以變暗，是因為宇宙大小有限，否則夜晚的天空就不會是黑暗的。

在克卜勒之後100年，哈雷再度思索這個問題，得到的結論支持狄格斯的錯誤解答：宇宙無窮大，但是遙遠的星星太暗，以至於我們看不到。

三、奧伯斯的困惑

接下來登場的人物就是奧伯斯。在解釋夜空為何黑暗時，他知道，如果宇宙穩恆且無窮大，大尺度上均勻分布著無數的恆星，由於其照度與距離的平方成反比，而同距離天空球殼面積上發光恆星的數量卻與距離的平方成正比。這樣的話，使得對全部發光恆星的照度的積分不收斂，黑夜的天空應當無限亮的。

換言之，天空中為數更多但較遠較暗的星星所貢獻的照度，與為數較少但較近較亮的星星貢獻的照度是一樣的，夜空理應無限亮。看來又回到了克卜勒的觀點：除非宇宙大小有限，否則夜晚的天空就不會是暗的。

奧伯斯承認，根據數學計算，距離遙遠造成夜色變暗並非正解。

於是，奧伯斯另行提出假說指出，太空中可能充滿星際塵埃與氣體，擋住或吸收來自遙遠星星的光芒。但是根據能量轉化與守恆定律，能量必然守恆，只要時間足夠，吸收光線的物質最終會被加熱到放出輻射，發出與恆星一樣的強光。也即夜空仍應是亮如白晝。可這顯然與現實不符，夜空依然是黑暗的。

當時幾乎沒有其他天文學家注意到他提出的問題和解答。奧伯斯所犯的錯誤完全可以原諒，因為當時天文學家不清楚宇宙有多大，也沒有明確的證據顯示恆星聚集成星系，而我們的銀河系只是宇宙中億萬個星系之一。

直到20世紀初，這種局面才有改變，因為一位科學家提出了空間膨脹的嶄新觀點。

四、不斷膨脹的宇宙

埃德溫·哈勃（Edwin Hubble）是第一位證明銀河系外還有其他星系存在的天文學家。他發現有些星系根本遠離地球，必然是河外星系。更引人注目的是，他的觀測顯示遙遠星系正在遠離地球退行而去，而且遠離速度與距地球的遠近有關。不論在太空的哪個方向，都能夠觀測到相同的現象。哈勃的這個發現證明了宇宙空間正在膨脹。

他進一步解釋，既然宇宙在膨脹，那麼過去的宇宙必然較現在更小。如果將時間回溯到足夠遠的過去，所有物質會越靠越近，直到回到宇宙創生的那一刻，也就是所謂的宇宙大爆炸。

在哈勃以前，人們都認同穩恆靜態的宇宙觀念，那些意識到引力理論導致宇宙不可能靜態的科學家並沒有提出宇宙膨脹，而是試圖去修正他們的理論。甚至愛因斯坦（Albert Einstein）於1915年發表廣義相對論時還肯定宇宙是靜態的。

現在我們已經知道，宇宙中傳播的大部分光子並非來自恆星，而是遠在恆星形成之前就已存在、充斥於宇宙的遠古之光。大爆炸38萬年後，隨著原子形成，空間開始透明，由於光與輻射能夠長距離自由傳播，不被散射或吸收。這些宇宙的第一道光芒在傳播至今的過程中，隨著它所穿越空間的不斷膨脹，其波長也不斷拉長。這些光線穿越時空來到現在的地球時，波長已經被空間膨脹拉長到超出可見光的範圍。事實上，這些光線落在了微波的頻率範圍，被稱為宇宙微波背景輻射（cosmic microwave background)。這樣一來，宇宙有個起源已是不容置疑了。

接下來，奧伯斯佯謬的解答馬上就要揭曉了。

五、奧伯斯佯謬的科學解答

前面已經提到，夜空之所以黑暗並非因為宇宙的大小有限；據目前所知，空間很可能無限延伸。也不是因為遙遠的星光過於昏暗；我們看得越遠，能看到的星係數量越多，累積起來的光線足以照亮整個夜空。更不是因為星際塵埃和氣體的遮擋和吸收光線；只要時間夠久，這些擋路的物質最終也會發出與恆星同樣的亮光。

這些都不是讓夜空黑暗的緣由。真正的原因其實比上述各種猜想更簡單，也更深刻。夜空之所以黑暗，是因為宇宙有個起源。

光，以每秒30萬千米的速度傳播，相當於每秒繞地球7圈半。這個速度是宇宙的速度極限，沒有任何東西的速度可以比它更快。但是，從宇宙尺度上講，光速又太「慢」。地球到銀河系內距太陽最近的恆星比鄰星（ Proxima Centauri）之間的距離，大到光波必須耗時4.3年才能從比鄰星傳遞到地球。

正是宇宙的膨脹和光速太慢，對我們視界有了限制，才得以揭開奧伯斯佯謬的面紗。由於宇宙年齡138億歲，只有離地球夠近的恆星光線才會最終到達地球被我們所見。宇宙膨脹則使得情況更加複雜。當一個星系在100億光年之外，意味著它所發出的光穿越了100億年的時空才到達地球。在這100億年裡，空間膨脹已把該星系與地球之間的距離拉長，真正的距離早已變成這個數字的幾倍。

而200億光年外的另一個星系則不在我們的觀測範圍之內，它發出的光始終在前來地球的途中，但永遠不能到達地球，我們永遠看不到。它也無法為我們的夜空增添任何亮度。我們在太空中最遠只能看到宇宙年齡所允許的範圍。

我們所見的星空其實只是整個宇宙的一小部分，稱為可觀測宇宙。它是以銀河係為中心，以138億光年為半徑的一個球體區域，其球體表面就是我們的宇宙學視界。宇宙學視界就是對我們觀測能力的根本限制。那些在視界邊緣外的恆星光線永遠無法進入我們的視野，又怎能照亮我們的夜空？

隨著宇宙年齡的增加，可觀測宇宙會不斷變大，每一年其半徑增大1光年。很不幸，最終可觀測宇宙的增大無法趕上宇宙空間的加速膨脹，我們能夠看到的星系必將越來越少，我們的天空將越來越暗。

由此可見，在現代的膨脹宇宙模型裡，奧伯斯佯謬根本不存在。回答奧伯斯的問題：「為什麼夜晚的天空總是黑暗的？」 答案就是，因為宇宙起源於大爆炸且在不斷膨脹。

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