黑夜中的暢想

Ken+Croswell

有時，天文學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光。黃昏越來越暗，星星出現了，它們一如既往地出現在這墨黑的穹頂之上。但是為什么夜空是黑的呢？

這是一個簡單得也許只有孩子才會問的問題，父母對此也許會不屑一顧，但是宇宙學家愛德華·哈里森（Edward Harrison）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生了興趣，”在《夜的黑》（Darkness at Night）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世紀的醫生和天文學家。

從彗星到宇宙學

海因里·奧伯斯（Heinrich Wilhe-

lm Olbers）每晚只睡4個小時。白天醫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。晚上他觀測天空尋找彗星，發現了前4顆小行星中的2顆。

1823年，奧伯斯寫了一篇宇宙學論文。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，但遠處的恒星數量多，因為在一個固定的視角下，距離越遠空間就越大。奧伯斯證明數量巨大的遠距離恒星彌補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（Thomas Digges）贏得了這一榮譽。1576年，在其父所寫的一本書（Prognostication Euerlastinge）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一步，他認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出無限的光芒。但是它們互相遮擋，而且距離相當遙遠，于是星光就越來越弱。所以我們就看到了現在的景象。

因此，迪格斯認為夜晚是黑的原因是遙遠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集合起來，可以達到能被看見的程度。事實上，肉眼可以看到仙女座星系，但是仙女星系中沒有一顆恒星亮到足以能讓肉眼看到。

迪格斯認為宇宙是無限的，但是偉大的德國天文學家約翰內斯·開普勒（Johannes Kepler）卻對此表示不滿。開普勒認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（Edward Halley）也思考了這一問題。1721年，在皇家科學院的一次演講中，他提出了兩個方法來調和無限而又充滿恒星的宇宙，使它有一個黑暗的夜晚。第一，由于數學上的錯誤，他錯誤地認為遠處大量恒星的光無法等效為近處少量恒星的光。第二，他重復了迪格斯的觀點，看不見的恒星對于光沒有貢獻，“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是黑暗的答案。

另一個思考這一問題的人是瑞士天文學家讓-菲利普·盧瓦斯·德·謝諾

（Jean-Phillippe Loys de Cheseaux）。1744年，在有關當年一顆有著6條彗尾的彗星的書的附錄里，他也討論了這個問題。與迪格斯和哈雷不同，謝諾認識到遠處看不見的恒星對于整個天空中的光是有貢獻的。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，它們會“吸收”光線，產生一個黑暗的夜空。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，奧伯斯有謝諾寫的這本書，但是他卻沒有引用它，可是卻提到了哈雷。

然而，謝諾和奧伯斯也都錯了。空間中的消光物質無法使夜空變暗。不久，天文學家認識到，消光物質在遮擋光線的同時，也會被光線所加熱，進而發光，它們將會和恒星一樣的明亮。這就像大雨中的樹。起先葉子還能保護地面不受雨淋，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家，而是一個美國詩人。在他短暫的一生中，愛倫·坡（Edgar Allan Poe）以其帶有恐怖和超自然色彩的小說、詩歌享譽世界。黑暗籠罩著愛倫·坡的一生。在他兩歲時，他的母親死了。在大學時，因為賭博和酗酒而生活拮據，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，結束了自己的生命。

黑暗也同樣縈繞著愛倫·坡的作品。在《渡鴉》（Raven）中他寫道：

Deep into that darkness peering， long

I stood there wondering， fearing，

Doubting， dreaming dreams no mortalendprint

ever dared to dream before；

But the silence was unbroken， and

the darkness gave no token...

哈里森發現，愛倫·坡在其死前一年所寫的《我發現了》（Eureka）中正確揭示了奧伯斯佯謬。哈里森說：“當我第一次讀愛倫·坡的作品時，我大吃一驚。一個詩人，不，一個最了不起的業余科學家在140年前就領悟到了問題的本質，而在我們的學校中仍舊在宣揚錯誤的觀點。”

1848年，愛倫·坡出版了《我發現了》。他寫道，“當我寫完《我發現了》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，結果只有5百本。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，當哈里森歡呼，認為它是人類思想的杰作時，英國天文學家愛丁頓（Eddington）爵士則認為它是怪人的理論。

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出明亮，就像是銀河——它們不會呈現點狀，在背景中也不會出現一顆星星。因此，只有一種可能，由于恒星的距離實在是太遠了，它們發出的光還沒來得及到達地球。

簡要地說，愛倫·坡認為，之所以遙遠恒星的光沒有照亮星空是因為它們還沒來得及到達地球；我們無法看到比宇宙更遠的地方。用現在的話來講，我們無法看到137億光年之外的東西。所以，黑暗的夜空是宇宙誕生的證據。

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

在《我發現了》中，愛倫·坡數次提到了德國天文學家約翰·馬德勒（Johann Madler），由于在他十幾歲時出現的大彗星使他對天文學產生了興趣。馬德勒繪制月面圖，并且出版了一本書《大眾天文學》，這本書再版了6次。在早期的版本中，馬德勒和奧伯斯一樣，認為是星際物質吸收星光而使夜空變得黑暗。但在1858年的另一本書（《我發現了》出版后10年）以及暢銷的1861年版的《大眾天文學》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，我們看到的光是經過有限的時間才到這我們這兒的。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，遠處的星光還沒有到達我們這里。

1901年，蘇格蘭數學家、物理學家開爾文（Kelvin）對這一解釋進行了量化。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百萬億光年遠的范圍。由于宇宙的年齡現在遠小于1萬億年，所以夜空是黑的。

愛倫·坡、馬德勒和開爾文都認識到了天文學家所能看到的宇宙是過去的樣子而不是現在的樣子。看得越遠，就越深入過去——哈里森認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》相悖，你最好保持沉默。”《圣經》是這樣說的，宇宙將近有6000年的歷史，也就是說天文學家僅能看到6000光年遠的范圍。

深入奧伯斯佯謬

盡管奧伯斯佯謬已有幾個世紀的歷史，但是直到20世紀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論什么。

1952年，亨曼·邦迪（Hermann Bondi）的《宇宙學》一書首次提到了奧伯斯佯謬。邦迪是穩恒態宇宙學的支持者。與大爆炸宇宙學不同，穩恒態宇宙學認為宇宙不是創生于150億年前的大爆炸，相反宇宙永遠存在著。在一個永存的宇宙中，愛倫·坡對奧伯斯佯謬的解釋——遙遠的星光還沒有抵達地球就行不通了。如果宇宙的年齡是無限的，則天文學家能看到無限遠處。

為此，穩恒態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，紅移就越大。紅光的光子能量比黃光或是藍光來得低，紅移會減弱來自遙遠星系星光的能量，進而夜空是暗的。1955年，穩恒態宇宙學家福雷德·霍伊爾（Fred Hoyle）在他的《天文學前沿》（Frontiers of Astronomy）一書中寫道，“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世紀的天文學從來沒有想到過。”

雖然，這是一種進步，但是紅移無法解釋奧伯斯佯謬。它僅僅在穩恒態宇宙學中適用，而這一宇宙學模型并沒有被天文學家廣為接受。在大爆炸宇宙學中，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。然而大多數的書中卻不是這么寫的。1987年的調查顯示，只有30%的天文學書籍正確解釋了為什么夜晚是黑的。

哈里森認為夜晚的黑暗和膨脹的宇宙之間的聯系很清楚：第一，微不足道；第二，過于深奧——這得歸咎于50年代的宇宙學普及。“晚上走到戶外，天文學家這樣吸引他們的聽眾，抬頭仰望繁星點點的夜空，”他的《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，以此來吸引大量的聽眾。”

宇宙的能量危機

從愛倫·坡開始，天文學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，哈里森發現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，若是夜空要被無數的星星照亮要多少能量。“起先，我的計算結果簡直我法令人相信，”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今的10萬億倍——每顆恒星的發光度要上升10萬億倍，或者恒星的數目要增加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，恒星通過核反應將質量轉化成能量。哈里森證明，就算宇宙中的所有質量都轉化成能量，夜晚也不會比一個有月亮的晚上亮。因此，現在有了雙保險——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前，蠟燭也已燃盡了。

所以，天文學家終于能回答為什么夜空是黑暗的了。一百多年前科學家解釋了為什么天空是藍的，但是看起來更簡單的問題——夜空為什么是黑暗的，卻直到20世紀才有了完整的答案。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。（原文來源：Sky & Telescope。本文最初于2002年5月首次刊載于“火流星”網站，此版本為譯者再編輯版。）endprint