為什麼夜空是黑暗的？

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為什麼夜空是黑暗的？
奧伯斯（1758～1840）出生於德國不來梅附近的一個小村莊，19歲那年到哥廷根學醫。 哥廷根大學的一個特色是學生享有學習的自由，學醫的奧伯斯在那裡也能跟著有“德國數學之師”之稱的數學教授、天文台台長凱斯特納學數學和天文學。 畢業後，奧伯斯回到不來梅當醫生，但他的真正興趣是天文學。 他白天行醫，晚上則在改造成天文台的自家頂樓進行天文觀測，天天如此，每天睡覺時間不超過4個小時。
奧伯斯還在上大學的時候發現了一個計算彗星軌道的方法，沿用至今。 此後他共發現了5顆彗星，其中一顆後來以他的名字命名。 1801年新年的晚上，意大利天文學家皮亞齊發現了第一顆小行星穀神星，再想進一步觀察時卻找不到它了，是奧伯斯在那一年的年底根據數學家高斯的計算重新發現了它，平息了穀神星是行星還是彗星的爭論。 奧伯斯本人後來發現了兩顆小行星：1802年發現第二顆小行星智神星，1807年發現第四顆也是最亮的一顆小行星灶神星。 不過奧伯斯在現在最廣為人知的，是​​在1823年提出了一個聽上去很傻的問題：為什麼夜空是黑暗的？ 如果宇宙是無限的，恆星均勻地佈滿天空，那麼夜晚的天空也將和白天一樣明亮。
實際的情況當然並非如此。 這種理論和實際的矛盾，物理學上稱為佯謬。 奧伯斯指出的這個矛盾，後來就被稱為奧伯斯佯謬。 其實，它並不是奧伯斯首先提出的。 1610年，伽利略用望遠鏡發現空中有無數肉眼看不到的恆星後，認為宇宙是無限的，恆星的數量也是無限的。 開普勒不以為然，給伽利略去信指出，如果那樣的話，夜空就不會是黑暗的。 他打了一個比方。 假如你站在無邊無際的森林中向前看，不論你往哪個方向看，都只能看到一根根的樹干連成一片擋在你的眼前，看不到任何間隙。 只有當你是在一片小森林中時，才能透過樹幹的間隙看到外面的世界。 同樣的道理，如果宇宙是無限的，那麼恆星將佔據了天空的每一點，它們發出的光終將抵達地球，所有的恆星發出的光都將連成一片，就像我們在夏天看到的銀河一樣。 既然實際情況是恆星彼此之間有黑暗的間隙，那就說明宇宙是有限的，透過這些間隙我們看到的是一堵包圍宇宙的黑暗圍牆。
但是後來的天文學家都相信宇宙在空間上和時間上都是無限的。 怎麼解決這個矛盾呢？ 18世紀初英國天文學家哈雷提出了一個容易想到的解決方案：遠處恆星發出的光線在抵達地球時強度變得十分弱，無法被我們看到。 但是這個解釋是站不住腳的。 雖然光線的強度按距離的平方而減少，但是在一個無限大的宇宙中，天空的體積也即恆星的數量將按距離的平方而增加，也就是說，在遠處某一點恆星數量增加的比例恰好等於光強度減少的比例，二者互相抵消，總的光強度與距離遠近無關。 如果多數恆星都和太陽一樣，天空的每一點都應該和太陽盤面一樣亮。 天球的面積是太陽盤面的18萬倍，那麼照射地球的星光亮度也應該是陽光的18萬倍。
奧伯斯提出的解釋是，太空並不是“透明”的，遙遠恆星發出的光被瀰漫在恆星之間的稀薄物質雲給遮擋、吸收了。 但是在熱力學定律被發現之後，這個解釋也經不起推敲了。 根據熱力學定律可知，假如有太空物質遮擋住星光，光能將會被吸收轉化成熱能，這些能量最終要重新被輻射出來，從而也要發光（雖然光的波長可能不同），天空仍然還是一片明亮。
要解決這個佯謬的唯一辦法是否定其大前提，即宇宙不是無限的，因而恆星數量是有限的。 但是這還不夠。 即使恆星數量是有限的，其數量也近乎無限，足以照亮整個夜空。 1848年，美國小說家愛倫坡在一篇隨筆中指出，唯一的出路是假定遠處的星光還來不及照到地球上來。 也就是說，宇宙在時間上有一個起點，而且宇宙的年齡還沒有老到足以讓我們見到所有遠處恆星發出的光。
我們現在知道宇宙的年齡的確是有限的，宇宙是在大約137億年前大爆炸形成的。 而計算表明，要把地球的夜空全部照亮，要花上以億億億年計的時間，遠處的星光才能都抵達地球。 顯然我們的宇宙還太年輕了。

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而且宇宙在不斷地向各個方向膨脹，各個星系在互相遠離，當然也都在遠離地球。 空間的膨脹導致光線在傳播時波長被拉長，能量也因此降低了（波長與能量成反比）。 這個現象稱為“紅移”，意思是可見光向能量較低的紅光轉變，而紅光還會向能量更低的紅外線、微波轉變，所以遙遠的星光在抵達地球時能量已低到不能被肉眼見到了。 由於宇宙太年輕，所以夜空是暗的；而由於宇宙在膨脹，讓夜空變得更暗。 “為什麼夜空是黑暗的？”這個問題其實一點也不傻，蘊含著宇宙的奧秘呢。

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