为什么夜空是黑暗的

有时，最简单的问题却是最难回答的。

为什么夜空是黑暗的？——这个简单的也许只有孩子才会问的问题，曾时刻困扰着科学家，在长达一个多世纪里悬而未解。

早在 19世纪德国天文学家奥伯斯就认识到这个问题，并对此作出认真的思考。在 1826年，奥伯斯在一篇宇宙学论文里提出了关于夜空的黑暗之谜的一个科学假设，被称作奥伯斯佯谬。他假设：无数颗恒星均匀地分布在宇宙空间里，如果宇宙是无限的，那么在以地球为中心，距离无限远的半径上，会有无限个球壳。奥伯斯计算证明出每一个球壳射到地球上的光在数量上是相等的，因此到达地球上的光的数量是无限多的，整个天空将是无限亮的（虽然现在已经知道，恒星在太空分布并不均匀，但是如果以星系或星系团来代替恒星，这个结论可保持不变）。这与夜晚是黑暗的事实相悖。这一问题的提出，对19世纪以牛顿引力学和欧基里德几何学为理论依据的宇宙模型无疑是个挑战。因此在当时对待这个看似简单实际复杂的关于宇宙学的问题，没有人能够给它以合理的解释。

虽然奥伯斯及其他一些学者曾尝试解释，认为宇宙是不透明的，宇宙充满了物质，它们吸收和遮挡了恒星发出的光线，所以产生了黑暗的夜空，但是这种由于星际消光物质而使夜空变暗的观点不久即被天文学所否定。因为星际物质在遮挡、吸收光线的同时，也会被光线加热产生辐射而发光。

到 1901年，英国物理学家开尔文对此研究得出：若要夜空变得明亮，至少要能看到数百万亿光年远的范围，由于可观测宇宙的年龄现在远小于  1万亿年，所以夜空是黑暗的。他给出夜空的黑暗之谜一个正确解释：宇宙还太年轻。宇宙的年龄当时还无法测定，但是现在已经知道宇宙的年龄只有160亿年，宇宙还较为年轻。

1914年，天文学家斯里弗对旋涡星系光谱作多年研究，发现谱线红移现象。说明这些星系正在向远处运动。在威尔逊山天文台工作的哈勃在此基础上，并根据自己所测定星系的距离资料，于 1929年指出：除本星系群中的少数星系之外，其他所有星系都正在背离我们而去，星系谱线的红移量越大，星系越远且离地球而去的速度越大。哈勃的理论揭示出宇宙正在不断膨胀，而在爱因斯坦广义相对论的引力场方程中也有膨胀的宇宙学论。哈勃的重要发现促使现代宇宙学的诞生，这标志着现代天文学家对宇宙物质的演化和时空结构的研究与认识达到更深的层次。并在 1948年形成两种膨胀宇宙模型，由天文学家霍伊尔等人创立的描述宇宙是无演化的稳恒态宇宙模型，物理学家伽莫夫等人创建的描述宇宙是有演化过程的大爆炸宇宙学。

为此在二十世纪 50年代初奥伯斯佯谬再度被提起，并开始引人注目。一般天文学家用宇宙膨胀模型来解决奥伯斯佯谬，即膨胀宇宙中遥远天体的红移接近无限大，所发出的光子到达地球时的能量已接近零。因此不会发生奥伯斯佯谬。而夜空是黑暗的这一客观事实也成为支持宇宙膨胀的一个证据。 1955年稳恒态宇宙学创始人霍伊尔在《天文学的边沿》中写道：“因为宇宙膨胀，所以夜晚是黑的。这是一个意料之外的解释——以至于19世纪的天文学从来没有想到过。”

这是由现代宇宙学中宇宙膨胀模型得到的解释，但是它仅仅在稳恒态宇宙模型中适用。对大爆炸宇宙学而言，从原始火球发生大爆炸以后冷却到现在，今天的宇宙已经是又冷又黑，只有绝对温度3度，宇宙的膨胀对夜晚的黑暗不起作用，即使宇宙停止膨胀，夜晚仍是黑暗的。

1964年天文学家爱德华-哈里森发现了该问题的另一个解释。他从年少时起就对夜空的黑暗之谜发生了兴趣，后又用了大量的时间来研究它，他认为夜空的黑暗与膨胀的宇宙之间的联系是微不足道的，而且过于深奥。

哈里森通过计算“夜空被无数颗星星照亮需要多少能量”结论表明，若要照亮夜空，可观测宇宙需要能量为现今的10万亿倍。即每颗恒星的发光度要上升10万亿倍，或者恒星数目要增加10万亿倍。他证明在可观测的宇宙中，所有恒星所产生的能量是非常小的，即使把宇宙中的所有质量都转化成能量，夜晚也不会比一个有月亮的晚上亮。哈里森由此得到：宇宙拥有的能量太少。    

为什么夜空是黑暗的？现在对它的完整回答是：宇宙还太年轻，宇宙所拥有的能量太少。

为什么夜空是黑暗的？——看起来简单的问题，直到 20世纪才有了完整的答案。

 

               （本文发表于《飞碟探索》杂志2003年第3期）