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圖片來源：ESA/Webb, NASA & CSA, A. Martel

(資料圖片)

撰文 | Jonathan Biteau et al.

1823年5月7日，當(dāng)黎明降臨德國城市不來梅時(shí)，海因里希·奧伯斯（Heinrich Olbers，1758-1840）完成了一篇讓他名垂青史的文章。他曾是一名眼科醫(yī)生，但是在妻子和女兒去世之后，他便放棄原來的工作，全身心地投入到對(duì)夜空的探索中。

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雖然奧伯斯是自學(xué)天文學(xué)，但他在學(xué)術(shù)界享有很高的聲譽(yù)。他經(jīng)常在家樓上的天文觀測(cè)點(diǎn)，通宵達(dá)旦地仰望星空。在那個(gè)特殊的清晨，奧伯斯得出了一個(gè)奇怪的結(jié)論：基于當(dāng)時(shí)對(duì)宇宙的所有認(rèn)知，夜空不應(yīng)該是黑暗的，整個(gè)天空都應(yīng)該像太陽一樣明亮。

這一結(jié)論，后來被成為奧伯斯佯謬。

無限宇宙中有限的光

和許多同時(shí)代的人一樣，奧伯斯也追隨牛頓和笛卡爾的思想，相信宇宙是無限的。因?yàn)槿绻钪媸怯邢薜?、靜止的，那么引力應(yīng)該會(huì)把所有的恒星拉到一個(gè)中心點(diǎn)上；但如果宇宙是無限延伸下去的，那么平均來說，引力在各個(gè)方向上都是平衡的。

但奧伯斯意識(shí)到，這個(gè)宇宙模型與觀測(cè)結(jié)果不一致。在一個(gè)布滿了無數(shù)恒星的無限宇宙中，無論我們?cè)谝雇砜聪蚝翁帲覀兊哪抗舛紤?yīng)該落在恒星的表面，就像身處森林時(shí)，目光所及應(yīng)該都以樹為終點(diǎn)一樣。

在無邊無際的森林里，視線都以樹為終點(diǎn)。（圖/PXhere）

因此，在1823年5月7日的文章中，奧伯斯就提出：當(dāng)時(shí)的宇宙學(xué)模型表明，天空中的每一點(diǎn)都應(yīng)該和太陽表面一樣明亮，不應(yīng)該有黑夜。

奧伯斯對(duì)此提出的解釋是，來自更遙遠(yuǎn)恒星的光，被漂浮在太空中的塵?；蚱渌镔|(zhì)吸收了。但這一說法在后來遭到了英國天文學(xué)家約翰·赫歇爾（John Herschel，1792-1871）的反駁，赫歇爾指出，任何吸收了那么多光的東西，最終都應(yīng)該會(huì)被加熱到足以發(fā)光才對(duì)。

詩人的直覺

在大西洋的另一邊，美國詩人兼作家和詩人埃德加·愛倫·坡（Edgar Allan Poe，1809-1849）認(rèn)為他找到了答案。1848年2月3日，他在紐約社會(huì)圖書館向60名聽眾公開發(fā)表了他的想法。

愛倫·坡游走在形而上學(xué)和科學(xué)之間，他認(rèn)為宇宙是從物質(zhì)的一種單一狀態(tài)（“合一性”）中出現(xiàn)的，這種狀態(tài)在斥力的作用下破碎和分散。這種觀點(diǎn)意味著，宇宙是一個(gè)有限的物質(zhì)球。如果在有限的宇宙中只有少量的恒星，那么我們就不會(huì)在每個(gè)方向都看到恒星，夜晚就可以是黑的。

即使假設(shè)宇宙是無限的，如果它起源于過去的某個(gè)點(diǎn)，那么光到達(dá)我們眼中所花費(fèi)的時(shí)間會(huì)限制我們所能看到的宇宙的大小。這種旅行時(shí)間將創(chuàng)造一個(gè)視界，在這個(gè)視界之外，遙遠(yuǎn)的恒星將無法企及。

然而，愛倫·坡的演講并沒有獲得他所希望的熱烈反響。同年晚些時(shí)候，他在散文詩《我發(fā)現(xiàn)了》中發(fā)表了他的理論，但這首詩流傳度很低。次年，愛倫坡去世，年僅40歲。直到一個(gè)多世紀(jì)后，科學(xué)家才證實(shí)了，這位詩人對(duì)夜空之謎的直覺是對(duì)的。

兩個(gè)半事實(shí)

在20世紀(jì)上半葉，在愛因斯坦廣義相對(duì)論的推動(dòng)下，許多關(guān)于宇宙的新理論得以發(fā)展。廣義相對(duì)論以新的方式解釋了引力、空間和時(shí)間。在20世紀(jì)下半葉，這些宇宙學(xué)理論開始通過觀測(cè)得到驗(yàn)證。

1963年，英國天文學(xué)家彼得·舒爾（Peter Scheuer）認(rèn)為，宇宙學(xué)是僅僅建立在“兩個(gè)半事實(shí)”的基礎(chǔ)之上的理論:

事實(shí)1：夜空是黑的；事實(shí)2：哈勃在1929年發(fā)表的觀測(cè)結(jié)果顯示，星系正在遠(yuǎn)離彼此；事實(shí)2.5：宇宙中的一切可能隨著宇宙時(shí)間的展開而演化。

在20世紀(jì)五六十年代，科學(xué)界對(duì)事實(shí)2和2.5的解讀存在強(qiáng)烈爭(zhēng)議。宇宙本質(zhì)上是靜止的，還是起源于一次大爆炸？然而，這兩種觀點(diǎn)的支持者都認(rèn)同，他們需要解釋夜空的黑暗。

恒星的一生

1964年，英國宇宙學(xué)家愛德華·哈里森（Edward Harrison）解決了這個(gè)矛盾。他指出，決定夜空亮度的主要因素實(shí)際上是恒星有限的生命。

在可觀測(cè)的宇宙中，恒星的數(shù)量是非常龐大的，但也是有限的。這些有限的恒星燃燒的時(shí)間也有限，它們分布在巨大的體積上，讓黑暗在恒星之間顯現(xiàn)出來。

后來，哈里森意識(shí)到，這個(gè)解決方案不僅愛倫·坡提出過，而且英國物理學(xué)家開爾文勛爵（1824-1907）在1901年也提出過。

20世紀(jì)80年代的觀測(cè)證實(shí)了愛倫·坡、開爾文和哈里森的結(jié)論。奧伯斯佯謬似乎也終于得到了平息。

古老的光

事實(shí)真的如此嗎？從另一個(gè)角度來看，這個(gè)佯謬還有另一種解釋：夜空實(shí)際上并沒有那么黑。

在20世紀(jì)20年代末發(fā)現(xiàn)宇宙膨脹之后，科學(xué)家開始意識(shí)到，宇宙在最初的時(shí)候可能是非常緊湊、致密和高溫的。這就是我們今天的熱大爆炸模型。

該模型的一個(gè)核心預(yù)測(cè)就是存在來自宇宙之初的古老光芒。現(xiàn)在，我們已經(jīng)成功地觀測(cè)到這些古老的光，只不過不是通過肉眼，因?yàn)榕蛎浀挠钪鏁?huì)把這些光的波長(zhǎng)拉長(zhǎng)。

宇宙微波背景輻射。（圖/ESA and the Planck Collaboration）

這種輻射，就是宇宙微波背景輻射，它于1964年被探測(cè)到?，F(xiàn)在，在精確儀器的測(cè)量下，這種背景輻射是宇宙中最常見的光。

現(xiàn)在我們知道，宇宙還被第二種更微弱的背景光照亮，這種背景光是由星系在形成和演化時(shí)產(chǎn)生的。這種光被稱為宇宙紫外、光學(xué)和紅外背景。

因此，奧伯斯佯謬也可以被解讀為：天空并不黑，而是微弱地閃爍著在宇宙的有限生命中的所有事物的暗淡遺跡的輻射。

新的答案，新的問題

2023年，奧爾伯佯謬已經(jīng)發(fā)展成為一個(gè)豐富的研究領(lǐng)域。在這些研究工作中，科學(xué)家對(duì)夜空的亮度進(jìn)行了越來越精確的測(cè)量，并用超級(jí)計(jì)算機(jī)模擬了宇宙中的恒星?，F(xiàn)在，科學(xué)家已經(jīng)可以非常準(zhǔn)確地確定天空中的恒星數(shù)量。

然而，謎題依然存在。去年，在冥王星軌道之外、遠(yuǎn)離內(nèi)太陽系塵埃的位置，新視野號(hào)太空探測(cè)器發(fā)現(xiàn)，天空的亮度是預(yù)期的兩倍。因此，天空黑暗的問題仍然存在，這是一個(gè)跨越了時(shí)代和文化的謎題。

本文轉(zhuǎn)載自微信公眾號(hào)“原理”。

原文鏈接：

https://theconversation.com/why-is-the-sky-dark-at-night-the-200-year-history-of-a-question-that-transformed-our-understanding-of-the-universe-206575

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