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夜空為何那麼暗?|科學史上的今天:10/11

夜空為何那麼暗?連小學生都知道是因為太陽下山了;月亮又不是恆星,可以自己發光,而星星微弱的光芒也不足以照亮夜空,所以夜才那麼黑啊!嗯,你可能不會想到,這個看似簡單到近乎幼稚的問題,其實遠比表面看起來還要深奧。

抬頭所見的夜空並不如理論上推測的被星光所布滿。圖片來源:google

是這樣子的,宇宙如果無限大,那麼無論往天空哪個方向望過去,應該至少都有一顆星星,也就是說整個夜空應該被密密麻麻的星星照亮才對啊?你或許會說距離太遠的星星過於黯淡,所以看不見。的確,照度與距離平方成反比,但相同視角內,越遠的星星也越多,數量與距離平方成正比,兩者的效應恰好彼此抵消,因此距離並不是問題。那麼夜幕為什麼不是整片泛著亮光呢?

相同視角內,越遠的星星越多,數量與距離平方成正比,兩者恰好彼此抵消,也就是說整個夜空理應被密密麻麻的星星照亮才對。圖片來源:Kmarinas86@wikipedia

這個疑問是今天生日的德國天文學家奧伯斯(Heinrich Olbers, 1758-1840)於1823年正式提出的,如今我們稱之為「奧伯斯悖論」。他自己對此提出一個解釋,認為是星際間充滿塵埃,阻擋了遠方的星光所致。但果真如此的話,星際塵埃恆久下來所吸收累積的輻射能,也早就發光發熱了,因此這也不是真正原因。
其實奧伯斯並不是第一位思考此問題的人。克卜勒在1610年就提出類似的疑問,而認為是宇宙大小有限;一百年後哈雷則認為是遙遠的星體太暗,但幾年後,瑞士天文學家迪·薛索(Jean-Philippe de Chéseaux)即計算出前面所說距離的兩種效應彼此抵消,否定了此一解釋。

也不能怪奧伯斯與諸多天文學大師被這問題打敗,因為「穩態宇宙」這個根深蒂固的觀點注定尋不著正確解釋。得等到1929年哈伯證實宇宙正在膨脹,而且宇宙背景輻射於1964年發現而證實大霹靂理論後,答案才終於揭曉。

宇宙並非無始無終,而是有年紀的。宇宙誕生於137億年前的大霹靂,但大霹靂並非像爆炸那樣物質飛離四散,而是空間膨脹將物質拉遠,看起來就像是星系快速飛離我們。根據哈伯定律,星系遠離我們而去的速度與它和我們的距離成正比,因此超過某個距離以外的星系,遠離我們的速度就會比光速還快(這並未違反相對論,因為這是空間膨脹的速度,不是星系本身在運動)。於是乎這些星系的光就永遠到不了地球,所以宇宙中只有部分恆星所發出的光會映入我們眼簾,有限的星星無法填滿整個夜空。

有趣的是,最早猜對答案的竟不是科學家,而是作家愛倫坡。他在1848年的詩作中就寫道:「……,我們只能假設那些看不見(星星)的背景距離如此遙遠,以至於彼處的光線仍無法到達我們這裡。」

本文同時收錄於《科學史上的今天:歷史的瞬間,改變世界的起點》,由究竟出版社出版。

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關於作者

張瑞棋

1987年清華大學工業工程系畢業,1992年取得美國西北大學工業工程碩士。自小喜愛科學新知,浮沉科技業近二十載後,退休賦閒在家,更成為重度閱讀者。當了中年大叔才成為泛科學專欄作者,著有《科學史上的今天》一書,如今又因翻譯《解事者》,而多了個譯者的身分。

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