暗夜迷思

有時，天文學(xué)中最簡單的問題卻是最難回答的。

太陽又下山了。玫瑰色的云在頭頂上浮動，朱紅與金黃又一次出現(xiàn)在地平線上。家里都點上了燈，餐桌上蠟燭隱隱作亮，在晚霞的映襯下，街邊的路燈就像是項鏈上的珍珠閃閃發(fā)光。黃昏越來越暗，星星出現(xiàn)了，它們一如既往地出現(xiàn)在這墨黑的穹頂之上。但為什么夜空是黑的呢?

這是一個簡單的也許只有孩子才會問的問題，父母對此也許會不屑一顧，但是宇宙學(xué)家愛德華·哈里森卻花了幾十年的時間來研究這個看似簡單的問題。“許多年前我開始對夜空的黑暗之謎產(chǎn)生了興趣，”在《夜的黑》這本書中他寫道，“我常常思考宇宙為什么沒有充滿光，即使在我解決了這一問題之后也是如此。這個古老的謎題仍舊縈繞在我周圍。有時幾個小時，有時幾天，我會重新思考這個問題，為大自然的力量和精妙所深深打動。”

夜空為什么是黑的，乍一看很明顯，因為太陽下山了，但是還有恒星在閃耀啊。如果宇宙是無限的，充滿著無數(shù)顆恒星，那么夜晚將和白天一樣的明亮。這種理論和觀測之間的矛盾被稱為奧伯斯佯謬，奧伯斯是19世紀(jì)的醫(yī)生和天文學(xué)家。

從彗星到宇宙學(xué)

海因里希·威爾海姆·奧伯斯每晚只睡4個小時。白天醫(yī)治德國北部城市布萊梅的病人，為此他贏得了治愈霍亂的榮譽(yù)。晚上，他觀測天空，尋找彗星，發(fā)現(xiàn)了最早發(fā)現(xiàn)的4顆小行星中的2顆。

1823年，奧伯斯寫了一篇宇宙學(xué)論文。他說，想象一下，如果恒星均勻地分布在宇宙空間里，離地球近的恒星，自然看起來就大，但遠(yuǎn)處的恒星數(shù)量多，因為在一個固定的視角下，距離越遠(yuǎn)空間就越大。奧伯斯證明數(shù)量巨大的遠(yuǎn)距離恒星彌補(bǔ)了它們較小的視尺寸，在給定半徑的球殼中也能覆蓋整個天空。如果宇宙是無限的，這樣的球殼也將有無限多個，就意味著天空中將充滿星星，夜空將會和白天一樣明亮。

奧伯斯寫道：

多幸運，大自然并沒有這樣安排事物。多幸運，地球并沒有沉浸在耀眼的星光之中。否則，天文學(xué)仍將處于蒙昧的階段。我們將無法看到星星，只有通過觀測黑子來推斷太陽的行蹤，而月亮和行星僅僅是明亮背景上移動著的暗斑。

那時，奧伯斯的工作并沒有引起注意，同樣，夜晚的黑暗之謎也無人問津。英國人托馬斯·迪格斯贏得了這一榮譽(yù)。1576年，在其父所寫的一本書的附錄中，迪格斯提到了這個問題。這本書采用了以地球為中心的宇宙體系，但在附錄中迪格斯卻是哥白尼的支持者。而且他比哥白尼更進(jìn)一步，他認(rèn)為恒星散布于宇宙空間中。之后，他嘗試解釋為什么夜晚沒有被星光照亮：無窮天球上的恒星發(fā)出無限的光芒。但是它們互相遮擋，而且距離相當(dāng)遙遠(yuǎn)，于是星光就越來越弱。所以我們就看到了現(xiàn)在的景象。

因此，迪格斯認(rèn)為夜晚黑的原因是遙遠(yuǎn)的恒星太暗弱以至于看不見了。盡管這個解釋看起來是合理的，但它是錯的。把所有看不見的恒星的光結(jié)合起來，可以達(dá)到能被看見的程度。事實上，肉眼可以看到仙女座星系，但是星系中沒有一顆恒星亮到足以能讓肉眼看到它。

迪格斯認(rèn)為宇宙是無限的，但是德國偉大的天文學(xué)家約翰內(nèi)斯·開普勒卻對此表示不滿。開普勒認(rèn)為無限的宇宙會使太陽迷失在茫茫的星海之中。他說，夜空之所以是黑的，是因為在我們居住的星際空間周圍有一堵暗墻。

一百多年后，愛德華·哈雷也思考了這一問題。1721年，在皇家科學(xué)院的一次演講中，他提出了兩個方法來調(diào)和無限而又充滿恒星的宇宙，使它有一個黑暗的夜晚：第一，由于數(shù)學(xué)上的錯誤，他錯誤地認(rèn)為遠(yuǎn)處大量恒星的光無法等效為近處少量恒星的光；第二，他重復(fù)了迪格斯的觀點，看不見的恒星對于光沒有貢獻(xiàn)，“它們的光線……太弱，無法使我們感覺到”。所以，哈雷也沒有給出夜晚為什么黑暗的答案。

另一個思考這一問題的人是瑞士天文學(xué)家夏西亞科斯。1744年，在有關(guān)當(dāng)年一顆有著6條彗尾的彗星的書中，在附錄里他也討論了這個問題。與迪格斯和哈雷不同，夏西亞科斯認(rèn)識到遠(yuǎn)處看不見的恒星對于整個天空中的光是有貢獻(xiàn)的。他說，夜空之所以是黑的，原因是宇宙空間并不是透明的。相反，它充滿著物質(zhì)，它們會“吸收”光線，產(chǎn)生一個黑暗的夜空。奧伯斯在1823年的論文中也提到了相同的觀點。但是奇怪的是，奧伯斯有夏西亞科斯寫的這本書，但是他卻沒有引用它，卻提到了哈雷。

然而，夏西亞科斯和奧伯斯也都錯了。空間中的消光物質(zhì)無法使夜空變暗。不久，天文學(xué)家認(rèn)識到，消光物質(zhì)在遮擋光線的同時，也會被光線所加熱，進(jìn)而發(fā)光，它們將會和恒星一樣明亮。這就像大雨中的樹，起先葉子還能保護(hù)地面不受雨淋，可是不久雨水便會從葉子上滴落下來，最終地面還是會濕透。

渡鴉的述說

令人驚訝的是，第一個給出奧伯斯佯謬正確解釋的人不是來自歐洲裝備齊全天文臺的天文學(xué)家，而是一個美國詩人。在短暫的一生中，愛倫·坡以其帶有恐怖和超自然色彩的小說、詩歌享譽(yù)世界。黑暗籠罩著愛倫·坡的一生。在他兩歲時，他的母親死了。在大學(xué)時，因為賭博和酗酒而生活拮據(jù)，之后他便生活在貧困之中。他妻子二十幾歲時便離開了人世。他40歲時，在一陣狂飲之后，結(jié)束了自己的生命。哈里森發(fā)現(xiàn)，愛倫·坡在其死前一年所寫的《找到了》中正確揭示了奧伯斯佯謬。哈里森說：“當(dāng)我第一次讀愛倫·坡的作品時，我大吃一驚。一個詩人，不，一個最了不起的業(yè)余科學(xué)家在140年前就領(lǐng)悟到了問題的本質(zhì)，而在我們的學(xué)校中仍舊在宣揚(yáng)錯誤的觀點。”

1848年，愛倫·坡出版了《找到了》。他寫道：“當(dāng)我寫完《找到了》之后，我便喪失了對生的渴望。我已無法再寫作了。”愛倫·坡本希望他的出版商能出版5萬本，結(jié)果只有500本。評價也是各不相同，有人說它新穎、駭俗；另一些人則對此不屑一顧。在近代，當(dāng)哈里森歡呼，認(rèn)為它是人類思想的杰作時，英國天文學(xué)家愛丁頓爵士則認(rèn)為它是奇怪的理論。

對愛倫·坡來說，上帝就是一個詩人，宇宙就是“最卓越的詩”。他這樣解釋奧伯斯佯謬：

星星無窮無盡，天空的背景就會呈現(xiàn)出明亮，就像是銀河——它們不會呈現(xiàn)點狀，在背景中也不會出現(xiàn)一顆星星。因此，只有一種可能，由于恒星的距離實在是太遠(yuǎn)了，它們發(fā)出的光還沒來得及到達(dá)地球。 簡短地講，愛倫·坡認(rèn)為，之所以遙遠(yuǎn)恒星的光沒有照亮星空是因為它們還沒有到達(dá)地球，我們無法看到比宇宙更遠(yuǎn)的地方。用現(xiàn)在的話來講，我們無法看到150億光年之外的東西，所以，黑暗的夜空是宇宙誕生的證據(jù)。

但是，愛倫·坡立刻又開始懷疑自己的解釋。“也許是這樣的吧，有誰會冒險來質(zhì)疑它呢?”他寫道，“我相信它是正確的。”

在《找到了》中，愛倫·坡數(shù)次提到了德國天文學(xué)家約翰·馬德勒，由于他十幾歲時出現(xiàn)的大彗星使他對天文學(xué)產(chǎn)生了興趣。馬德勒繪制月面圖，并且出版了一本書《大眾天文學(xué)》。這本書再版了6次。在早期的版本中，馬德勒和奧伯斯一樣，認(rèn)為是星際物質(zhì)吸收星光而使夜空變得黑暗。但在1858年的另一本書以及1861年版的《大眾天文學(xué)》中，他則給出了和愛倫·坡相似的解釋：

光速是有限的。它傳播需要時間，因此，我們看到的光是經(jīng)過有限的時間才到我們這兒的。這樣夜空黑暗之謎就可以得到合理而充分的解釋，星際消光的限制就可以被排除了。更確切地講，遠(yuǎn)處的星光還沒有到達(dá)我們這里。

1901年，蘇格蘭數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家開爾文對這一解釋進(jìn)行了量化。開爾文的計算表明，若要夜空變得明亮，我們至少要能看到數(shù)百萬億光年遠(yuǎn)的范圍。由于宇宙的年齡現(xiàn)在遠(yuǎn)小于1萬億年，所以夜空是黑的。

愛倫·坡、馬德勒和開爾文都認(rèn)識到了天文學(xué)家所能看到的宇宙是過去的樣子而不是現(xiàn)在的樣子。看得越遠(yuǎn)，就越深入過去——哈里森認(rèn)為宗教的信條延緩了奧伯斯佯謬的解決。“我們回顧歷史，為什么人們對整件事無動于衷，這個問題有著文化背景，”哈里森說，“從一個層面上講，人們已認(rèn)識到了光速的重要性，但是真正的矛盾來自根深蒂固的宇宙觀，這涉及宇宙的年齡。如果你意識到這將與《圣經(jīng)》相悖，你最好保持沉默。”《圣經(jīng)》是這樣說的，宇宙將近有6000年的歷史，也就是說天文學(xué)家僅能看到6000光年遠(yuǎn)的范圍。

深入奧伯斯佯謬

盡管奧伯斯佯謬已有幾個世紀(jì)的歷史，但是直到20世紀(jì)50年代它才開始引人注目。的確，如果你在奧伯斯的年代，提起奧伯斯佯謬，人們根本不知道你在談?wù)撌裁础?/p>

1952年，亨曼·邦迪的《宇宙學(xué)》一書首次提到了奧伯斯佯謬。與大爆炸宇宙學(xué)不同，穩(wěn)恒態(tài)宇宙學(xué)認(rèn)為宇宙不是創(chuàng)生于150億年前的大爆炸，相反宇宙永遠(yuǎn)存在著。在一個永存的宇宙中，愛倫·坡對奧伯斯佯謬的解釋——遙遠(yuǎn)的星光還沒有抵達(dá)地球——就行不通了。如果宇宙的年齡是無限的，則天文學(xué)家能看到無限遠(yuǎn)處。

為此，穩(wěn)恒態(tài)理論用宇宙膨脹來解決這個問題。膨脹的空間會使穿行其中光的波長變長，或者紅化，因此光傳播得越遠(yuǎn)，紅移就越大。紅光的光子能量比黃光或是藍(lán)光來得低，紅移會減弱來自遙遠(yuǎn)星系星光的能量，進(jìn)而夜空是暗的。1955年，穩(wěn)恒態(tài)宇宙學(xué)家福雷德·霍依爾在他的書《天文學(xué)的邊沿》中寫道：“因為宇宙膨脹，所以夜晚是黑的。這是一個意料之外的解釋——以至于19世紀(jì)的天文學(xué)從來沒有想到過。”

雖然，這是一種進(jìn)步，但是紅移無法解釋奧伯斯佯謬。它僅僅在穩(wěn)恒態(tài)宇宙學(xué)中適用，而這一宇宙學(xué)模型并沒有被天文學(xué)家廣為接受。在大爆炸宇宙學(xué)中，膨脹的空間對夜晚的黑暗不起什么作用，即使宇宙停止膨脹，夜晚仍將是黑的。然而大多數(shù)的書中卻不是這么寫的。1987年的調(diào)查顯示，只有30％的天文學(xué)書籍正確解釋了為什么夜晚是黑的。

哈里森認(rèn)為夜晚的黑暗和膨脹的宇宙之間的聯(lián)系很清楚——第一，微不足道；第二，過于深奧——這得歸咎于20世紀(jì)50年代的宇宙學(xué)普及。“晚上走到戶外，天文學(xué)家這樣吸引他們的聽眾，抬頭仰望繁星點點的夜空，”他在《夜的黑》一書中寫道，“黑暗的夜空證明宇宙在膨脹。這就像是一本書的主題，扉頁上則寫著多普勒效應(yīng)，以此來吸引大量的聽眾。”

宇宙的能量危機(jī)

從愛倫·坡開始，天文學(xué)家已對黑暗的夜空有了一個正確的解釋：宇宙還太年輕。1964年，哈里森發(fā)現(xiàn)了另一個正確的解釋：宇宙擁有的能量太少。

在邦迪的宇宙學(xué)書中，哈里森首次知道了奧伯斯佯謬。哈里森決定計算，若是夜空要被無數(shù)的星星照亮要多少能量。“起先，我的計算結(jié)果簡直無法令人相信，”他寫道，“但之后，事情就清楚了，我們一直沿用錯誤的角度來看待整個問題。”

在可觀測的宇宙中，所有恒星所產(chǎn)生的能量是非常小的。哈里森的計算表明，若要照亮夜空，可觀測宇宙需要的能量為現(xiàn)今的10萬億倍一每顆恒星的發(fā)光度要上升10萬億倍，或者恒星的數(shù)目要增加10萬億倍。另外，恒星不可能永生，就算宇宙無限老，夜空仍舊是黑暗的，原因是恒星總是會死亡的。

就像太陽，恒星通過核反應(yīng)將質(zhì)量轉(zhuǎn)化成能量。哈里森證明，就算宇宙中的所有質(zhì)量都轉(zhuǎn)化成能量，夜晚也不會比一個有月亮的晚上亮。因此，現(xiàn)在有了雙保險——宇宙還太年輕而且能量不足。點亮整個宇宙就像是用一根蠟燭花上一個小時來加熱一幢房子：一個小時太短了，即使你能等更長的時間，可是在完成這項任務(wù)前，蠟燭也已燃盡了。

所以，天文學(xué)家終于能回答為什么夜空是黑暗的了。一百多年前科學(xué)家解釋了為什么天空是藍(lán)的，但是看起來更簡單的問題——夜空為什么是暗的，卻直到20世紀(jì)才有了完整的答案。它印證了，被黑暗迷住的人才是第一個揭開它神秘面紗的人。