為什麼夜空是黑的？

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編譯 怡若樂

為什麼夜空是黑的？這個問題似乎聽起來理所當然：因為沒有太陽啊！但是，據估計宇宙中的恆星大約有3×1023顆，為什麼這麼多的恆星沒有照亮我們的夜空呢？德國物理學家海因里希·威廉·奧伯斯（Heinrich Wilhelm Olbers）在1823年提出了同樣的問題：想像你在森林裡，周圍有很多樹。無論往哪個方向看都能看到樹——也許是在你旁邊的一棵大樹，或者距離更遠的「小樹」。這和看星星一樣。如果宇宙是無限大的，星體分布在宇宙中，那麼我們一定會在任何一個方向都能看到星星。按照這個理論，夜空應該如同白晝一般光明。但是，為什麼我們看到的夜空是基本是漆黑一片的呢？

奧伯斯佯謬

夜空並沒有被星光照得亮如白晝，不是因為夜晚沒有太陽這麼簡單，其中有著更深層的原因。這個問題說明：宇宙不是靜止的，也不是無限的。

首先，如果恆星永遠靜止在那裡，佔據天空的每一點，經過一定時間後它們發出的光會到達地球，所有的恆星發出的光都將連成一片，我們將看到一個明亮的夜空。

其次，如果宇宙是無限的，所有星星在宇宙大尺度上均勻分布，夜空確實應該越來越亮。為了證明宇宙不是無限的，我們將宇宙分割為一層層一光年厚的同心圓殼，如下圖所示。

圖片來源：維基百科

一定數量的星星分布在1,000,000,000 到1,000,000,001 光年厚度的外殼中。如果宇宙在大尺度上是均勻的，那麼在第二個殼體中將有四倍數量的星星，它們分布在2,000,000,000到2,000,000,001光年之間的外殼。然而，第二個殼離我們兩倍遠，所以這裡的星星的亮度只有第一個殼中的星星亮度的四分之一。因此，我們從第二殼體接收的總光線與從第一殼體接收的總光線相同。

因此，給定厚度的每個殼體將產生相同的凈光量。也就是說，每個殼都為天空增加了光的總量。因此，殼越多，光越多；如果有無限多的殼，我們將看到一個明亮的夜空。所以照此來講，宇宙不是無限的。

顯然「夜空是黑的」和「宇宙靜止且無限」的假設相矛盾，這一矛盾就是奧伯斯佯謬。奧伯斯佯謬就是以德國天文學家海因里希·威廉·奧博斯的名字命名的，也稱為「黑暗夜空佯謬」。夜空是黑的，這是宇宙是動態的證據之一，當然也是宇宙大爆炸模型的證據。

如何解釋

多年來，為了解決奧伯斯佯謬，科學家們提出過很多說法。其中一種說法認為，恆星或者星系之間的灰塵會阻擋遙遠物體的光線，使天空變暗。然而事實上，隨著時間的推移，照在灰塵上的光最終會使它加熱，熱能經過累積，使得灰塵能像原始的光源一樣發光。

另外一種說法認為，是紅移現象的原因——由於宇宙的膨脹，而發射出的光的波長將會變長，使得在可見範圍的光移動到不可見的紅外線範圍中。但是，如果這個解釋是正確的，則有著較短波長的紫外線也會移到可見光範圍內，但顯然事實並沒有這樣。

目前，關於奧伯斯佯謬的「最佳解決方案」是這樣說的：首先，即使我們的宇宙是無限大的，但也不是無限古老的。這一點至關重要，因為光以每秒約只有30萬千米的有限的速度行進（雖然對於我們來說已經非常快了），只有它發出的光線到達地球之後才能被我們看到。例如，由於無線電信號在地球和月球之間往返行駛的時間，月球上的宇航員在與發射中心的通信中會經歷1.5秒的延遲。大多數科學家認為宇宙年齡大約為137億年。這意味著我們可以接收到的光的最大距離約為460億光年（因為宇宙本身膨脹得更大了）。所以有更遠的恆星和星系，它們的光還沒有到達地球。

其次，恆星和星系是有壽命的。在壽終正寢時，它們會變得昏暗。這些原因加起來，最終導致我們永遠不會看到一個明亮的夜空。因為首先，我們永遠不能一次看到所有距離的星星或星系發出的光，因為沒有到達地球，其次，還沒到光線到地球，地球就已經「狗帶」了。

參考文獻：

https://www.scientificamerican.com/article/why-is-the-night-sky-dark/

http://www.huffingtonpost.com/2014/10/06/olbers-paradox-stars-night-sky-dark_n_5893926.html

http://deepastronomy.com/video/16/olbers-paradox-why-is-the-sky-dark-at-night

http://theconversation.com/explainer-why-is-the-night-sky-black-51503

https://en.wikipedia.org/wiki/Olbers%27s_paradox

https://www.zhihu.com/question/20129172

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