為什麼夜空是黑的？｜球答

各位讀者請注意， 你球新上線了“球答”欄目， 如果生活中有什麼讓你困惑很久的科學問題， 請不要大意地在文章下面留言提問， 環球科學ScientificAmerican（ID: huanqiukexue）的後臺團隊為你搜集資料， 整理回答。 你提問， 球來答。

編譯 怡若樂

為什麼夜空是黑的？這個問題似乎聽起來理所當然：因為沒有太陽啊！但是， 據估計宇宙中的恒星大約有3×1023顆， 為什麼這麼多的恒星沒有照亮我們的夜空呢？德國物理學家海因裡希·威廉·奧伯斯（Heinrich Wilhelm Olbers）在1823年提出了同樣的問題：想像你在森林裡， 周圍有很多樹。 無論往哪個方向看都能看到樹——也許是在你旁邊的一棵大樹，

或者距離更遠的“小樹”。 這和看星星一樣。 如果宇宙是無限大的， 星體分佈在宇宙中， 那麼我們一定會在任何一個方向都能看到星星。 按照這個理論， 夜空應該如同白晝一般光明。 但是， 為什麼我們看到的夜空是基本是漆黑一片的呢？

奧伯斯佯謬

夜空並沒有被星光照得亮如白晝， 不是因為夜晚沒有太陽這麼簡單， 其中有著更深層的原因。 這個問題說明：宇宙不是靜止的， 也不是無限的。

首先， 如果恒星永遠靜止在那裡， 佔據天空的每一點， 經過一定時間後它們發出的光會到達地球， 所有的恒星發出的光都將連成一片， 我們將看到一個明亮的夜空。

其次， 如果宇宙是無限的， 所有星星在宇宙大尺度上均勻分佈，

夜空確實應該越來越亮。 為了證明宇宙不是無限的， 我們將宇宙分割為一層層一光年厚的同心圓殼， 如下圖所示。

一定數量的星星分佈在1,000,000,000 到1,000,000,001 光年厚度的外殼中。 如果宇宙在大尺度上是均勻的， 那麼在第二個殼體中將有四倍數量的星星， 它們分佈在2,000,000,000到2,000,000,001光年之間的外殼。

然而， 第二個殼離我們兩倍遠， 所以這裡的星星的亮度只有第一個殼中的星星亮度的四分之一。 因此， 我們從第二殼體接收的總光線與從第一殼體接收的總光線相同。

因此， 給定厚度的每個殼體將產生相同的淨光量。 也就是說， 每個殼都為天空增加了光的總量。 因此， 殼越多， 光越多；如果有無限多的殼， 我們將看到一個明亮的夜空。 所以照此來講， 宇宙不是無限的。

顯然“夜空是黑的”和“宇宙靜止且無限”的假設相矛盾， 這一矛盾就是奧伯斯佯謬。 奧伯斯佯謬就是以德國天文學家海因裡希·威廉·奧博斯的名字命名的， 也稱為“黑暗夜空佯謬”。 夜空是黑的， 這是宇宙是動態的證據之一， 當然也是宇宙大爆炸模型的證據。

如何解釋

多年來， 為了解決奧伯斯佯謬， 科學家們提出過很多說法。 其中一種說法認為， 恒星或者星系之間的灰塵會阻擋遙遠物體的光線， 使天空變暗。 然而事實上， 隨著時間的推移， 照在灰塵上的光最終會使它加熱， 熱能經過累積， 使得灰塵能像原始的光源一樣發光。

另外一種說法認為， 是紅移現象的原因——由於宇宙的膨脹， 而發射出的光的波長將會變長， 使得在可見範圍的光移動到不可見的紅外線範圍中。 但是， 如果這個解釋是正確的， 則有著較短波長的紫外線也會移到可見光範圍內， 但顯然事實並沒有這樣。

目前， 關於奧伯斯佯謬的“最佳解決方案”是這樣說的：首先， 即使我們的宇宙是無限大的，

但也不是無限古老的。 這一點至關重要， 因為光以每秒約只有30萬千米的有限的速度行進（雖然對於我們來說已經非常快了）， 只有它發出的光線到達地球之後才能被我們看到。 例如， 由於無線電信號在地球和月球之間往返行駛的時間， 月球上的宇航員在與發射中心的通信中會經歷1.5秒的延遲。 大多數科學家認為宇宙年齡大約為137億年。 這意味著我們可以接收到的光的最大距離約為460億光年（因為宇宙本身膨脹得更大了）。 所以有更遠的恒星和星系， 它們的光還沒有到達地球。

其次， 恒星和星系是有壽命的。 在壽終正寢時， 它們會變得昏暗。 這些原因加起來， 最終導致我們永遠不會看到一個明亮的夜空。 因為首先， 我們永遠不能一次看到所有距離的星星或星系發出的光，因為沒有到達地球，其次，還沒到光線到地球，地球就已經“狗帶”了。

參考文獻：

https://www.scientificamerican.com/article/why-is-the-night-sky-dark/

http://www.huffingtonpost.com/2014/10/06/olbers-paradox-stars-night-sky-dark_n_5893926.html

http://deepastronomy.com/video/16/olbers-paradox-why-is-the-sky-dark-at-night

http://theconversation.com/explainer-why-is-the-night-sky-black-51503

https://en.wikipedia.org/wiki/Olbers%27s_paradox

https://www.zhihu.com/question/20129172

我們永遠不能一次看到所有距離的星星或星系發出的光，因為沒有到達地球，其次，還沒到光線到地球，地球就已經“狗帶”了。

參考文獻：

https://www.scientificamerican.com/article/why-is-the-night-sky-dark/

http://www.huffingtonpost.com/2014/10/06/olbers-paradox-stars-night-sky-dark_n_5893926.html

http://deepastronomy.com/video/16/olbers-paradox-why-is-the-sky-dark-at-night

http://theconversation.com/explainer-why-is-the-night-sky-black-51503

https://en.wikipedia.org/wiki/Olbers%27s_paradox

https://www.zhihu.com/question/20129172