黑夜中的畅想:夜空为什么是黑暗的?

by Shea on 十二月 10, 2008


Ken Croswell 文 Shea 编译

版本信息:本文最初于2002年5月首次刊载于“火流星”网站,此版本为译者再编辑版。

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有时,天文学中最简单的问题却是最难回答的……

太阳又下山了。玫瑰色的云在头顶上浮动,朱红与金黄又一次出现在地平线上。家里都点上了灯,餐桌上蜡烛隐隐作亮,在晚霞的映衬下,街边的路灯就像是项链上的珍珠闪闪发光。黄昏越来越暗,星星出现了,它们一如既往地出现在这墨黑的穹顶之上。但是为什么夜空是黑的呢?

这是一个简单的也许只有孩子才会问的问题,父母对此也许会不屑一顾,但是宇宙学家爱德华·哈里森(Edward Harrison)却花了几十年的时间来研究这个看似简单的问题。“许多年前我开始对夜空的黑暗之谜产生了兴趣,”在《夜的黑》(Darkness at Night)这本书中他写道,“我常常思考宇宙为什么没有充满光,即使在我解决了这一问题之后也是如此。这个古老的谜题仍旧萦绕在我周围。有时几个小时,有时几天,我会重新思考这个问题,为大自然的力量和精妙所深深打动。”

夜空为什么是黑的,乍一看很明显,因为太阳下山了。但是还有恒星在闪耀啊。如果宇宙是无限的,充满着无数颗恒星,那么夜晚将和白天一样的明亮。这种理论和观测之间的矛盾被称为奥伯斯佯谬,奥伯斯是19世纪的医生和天文学家。

 

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图片版权:Wojciech Gaczek。

从彗星到宇宙学

trans40b 海因里·奥伯斯(Heinrich Wilhelm Olbers)每晚只睡4个小时。白天医治德国北部城市布莱梅(Bremen)的病人,为此他赢得了治愈霍乱的荣誉。晚上他观测天空寻找彗星,发现了前4颗小行星中的2颗。

[右图]:海因里·奥伯斯。

1823年,奥伯斯写了一篇宇宙学论文。他说,想象一下,如果恒星均匀的分布在宇宙空间里。离地球近的恒星,自然看起来就大,但远处的恒星数量多,因为在一个固定的视角下,距离越远空间就越大。奥伯斯证明数量巨大的远距离恒星弥补了它们较小的视尺寸,在给定半径的球壳中也能覆盖整个天空。如果宇宙是无限的,这样的球壳也将有无限多个,就意味着天空中将充满星星,夜空将会和白天一样明亮。

奥伯斯写道:


多幸运,大自然并没有这样安排事物。多幸运,地球并没有沉浸在耀眼的星光之中。否则,天文学仍将处于蒙昧的阶段。我们将无法看到星星,只有通过观测黑子来推断太阳的行踪,而月亮和行星仅仅是明亮背景上移动着的暗斑。

那时,奥伯斯的工作并没有引起注意,同样夜晚的黑暗之谜也无人问津。英国人托马斯·迪格斯(Thomas Digges)赢得了这一荣誉。1576年,在其父所写的一本书(Prognostication Euerlastinge)的附录中,迪格斯提到了这个问题。这本书采用了以地球为中心的宇宙体系,但在附录中迪格斯却是哥白尼的支持者。而且他比哥白尼更进一步,他认为恒星散布于宇宙空间中。之后,他尝试解释为什么夜晚没有被星光照亮:


无穷天球上的恒星发出无限的光芒。但是它们互相遮挡,而且距离相当遥远,于是星光就越来越弱。所以我们就看到了现在的景象。

因此,迪格斯认为夜晚是黑的原因是遥远的恒星太暗弱以致于看不见了。尽管这个解释看起来是合理的,但它是错的。把所有看不见的恒星的光结合起来,可以达到能被看见的程度。事实上,肉眼可以看到仙女座星系,但是仙女星系中没有一颗恒星亮到足以能让肉眼看到。

 

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[图片说明]:肉眼可以看到仙女座星系,但是仙女中没有一颗恒星亮到足以能让肉眼看到。图片版权:Jerry Lodriguss。

迪格斯认为宇宙是无限的,但是伟大的德国天文学家约翰内斯·开普勒(Johannes Kepler)却对此表示不满。开普勒认为无限的宇宙会使太阳迷失在茫茫的星海之中。他说,夜空之所以是黑的,是因为在我们居住的星际空间周围有一堵暗墙。

一百多年后,爱德华·哈雷(Edward Halley)也思考了这一问题。1721年,在皇家科学院的一次演讲中,他提出了两个方法来调和无限而又充满恒星的宇宙,使它有一个黑暗的夜晚。第一,由于数学上的错误,他错误的认为远处大量恒星的光无法等效为近处少量恒星的光。第二,他重复了迪格斯的观点,看不见的恒星对于光没有贡献,“它们的光线……太弱,无法使我们感觉到。”所以,哈雷也没有给出夜晚为什么是黑暗的的答案。

另一个思考这一问题的人是瑞士天文学家让-菲利普·卢瓦斯·德·谢诺(Jean-Phillippe Loys de Cheseaux)。1744年,在有关当年一颗有着6条彗尾的彗星的书的附录里,他也讨论了这个问题。与迪格斯和哈雷不同,谢诺认识到远处看不见的恒星对于整个天空中的光是有贡献的。他说,夜空之所以是黑的,原因是宇宙空间并不是透明的。相反,它充满着物质,它们会“吸收”光线,产生一个黑暗的夜空。奥伯斯在1823年的论文中也提到了相同的观点。但是奇怪的是,奥伯斯有谢诺写的这本书,但是他却没有引用它,可是却提到了哈雷。

然而,谢诺和奥伯斯也都错了。空间中的消光物质无法使夜空变暗。不久,天文学家认识到,消光物质在遮挡光线的同时,也会被光线所加热,进而发光,它们将会和恒星一样的明亮。这就像大雨中的树。起先叶子还能保护地面不受雨淋,可是不久雨水便会从叶子上滴落下来,最终地面还是会湿透。

渡鸦的述说

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令人惊讶的是,第一个给出奥伯斯佯谬正确解释的人不是来自欧洲装备齐全天文台的天文学家,而是一个美国诗人。在他短暂的一生中,爱伦·坡(Edgar Allan Poe)以其带有恐怖和超自然色彩的小说、诗歌享誉世界。黑暗笼罩着爱伦·坡的一生。在他两岁时,他的母亲死了。在大学时,因为赌博和酗酒而生活拮据,之后他便生活在贫困之中。他妻子二十几岁时便离开了人世。他40岁时,在一阵狂饮之后,结束了自己的生命。

[右图]:爱伦·坡。

黑暗也同样萦绕着爱伦·坡的作品。在《渡鸦》(Raven)中他写道:

Deep into that darkness peering, long
I stood there wondering, fearing,
Doubting, dreaming dreams no mortal
ever dared to dream before;
But the silence was unbroken, and
the darkness gave no token…

哈里森发现,爱伦·坡在其死前一年所写的《我发现了》(Eureka)中正确揭示了奥伯斯佯谬。哈里森说:“当我第一次读爱伦·坡的作品时,我大吃一惊。一个诗人,不,一个最了不起的业余科学家在140年前就领悟到了问题的本质,而在我们的学校中仍旧在宣扬错误的观点。”

1848年,爱伦·坡出版了《我发现了》。他写道,“当我写完〈我发现了〉之后,我便丧失了对生的渴望。我已无法再写作了。”爱伦·坡本希望他的出版商能出版5万本,结果只有5百本。评价也是各不相同,有人说它新颖、骇俗;另一些人则对此不屑一顾。在近代,当哈里森欢呼,认为它是人类思想的杰作时,英国天文学家爱丁顿(Eddington)爵士则认为它是怪人的理论。

对爱伦·坡来说,上帝就是一个诗人,宇宙就是“最卓越的诗”。他这样解释奥伯斯佯谬:


星星无穷无尽,天空的背景就会呈现出明亮,就象是银河——它们不会呈现点状,在背景中也不会出现一颗星星。因此,只有一种可能,由于恒星的距离实在是太远了,它们发出的光还没来得及到达地球。

简要地说,爱伦·坡认为,之所以遥远恒星的光没有照亮星空是因为它们还没来得及到达地球;我们无法看到比宇宙更远的地方。用现在的话来讲,我们无法看到137亿光年之外的东西。所以,黑暗的夜空是宇宙诞生的证据。

但是,立刻爱伦·坡又开始怀疑自己的解释。“也许是这样的吧,有谁会冒险来质疑它呢?”他写道,“我相信它是正确的。”

 

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[图片说明]:宇宙诞生和演化的时间线。图片版权:NASA。

在《我发现了》中,爱伦·坡数次提到了德国天文学家约翰·马德勒(Johann Madler),由于在他十几岁时出现的大彗星使他对天文学产生了兴趣。马德勒绘制月面图,并且出版了一本书《大众天文学》,这本书再版了6次。在早期的版本中,马德勒和奥伯斯一样,认为是星际物质吸收星光而使夜空变得黑暗。但在1858年的另一本书(《我发现了》出版后10年)以及畅销的1861年版的《大众天文学》中,他则给出了和爱伦·坡相似的解释:


光速是有限的;它传播需要时间,因此,我们看到的光是经过有限的时间才到这我们这儿的。这样夜空黑暗之谜就可以得到合理而充分的解释,星际消光的限制就可以被排除了。更确切的讲,远处的星光还没有到达我们这里。

1901年,苏格兰数学家、物理学家开尔文(Kelvin)对这一解释进行了量化。开尔文的计算表明,若要夜空变得明亮,我们至少要能看到数百万亿光年远的范围。由于宇宙的年龄现在远小于1万亿年,所以夜空是黑的。

爱伦·坡、马德勒和开尔文都认识到了天文学家所能看到的宇宙是过去的样子而不是现在的样子。看得越远,就越深入过去——哈里森认为宗教的信条延缓了奥伯斯佯谬的解决。“我们回顾历史,为什么人们对整件事无动于衷,这个问题有着文化背景,”哈里森说,“从一个层面上讲,人们已认识到了光速的重要性,但是真正的矛盾来自根深蒂固的宇宙观。这涉及到宇宙的年龄。如果你意识到这将与《圣经》相悖,你最好保持沉默。”《圣经》是这样说的,宇宙将近有6000年的历史,也就是说天文学家仅能看到6000光年远的范围。

深入奥伯斯佯谬

尽管奥伯斯佯谬已有几个世纪的历史,但是直到20世纪50年代它才开始引人注目。的确,如果你在奥伯斯的年代,提起奥伯斯佯谬,人们根本不知道你在谈论什么。

1952年,亨曼·邦迪(Hermann Bondi)的《宇宙学》(Cosmology)一书首次提到了奥伯斯佯谬。邦迪是稳恒态宇宙学的支持者。与大爆炸宇宙学不同,稳恒态宇宙学认为宇宙不是创生于150亿年前的大爆炸,相反宇宙永远存在着。在一个永存的宇宙中,爱伦·坡对奥伯斯佯谬的解释——遥远的星光还没有抵达地球——就行不通了。如果宇宙的年龄是无限的,则天文学家能看到无限远处。

为此,稳恒态理论用宇宙膨胀来解决这个问题。膨胀的空间会使穿行其中光的波长变长,或者红化,因此光传播的越远,红移就越大。红光的光子能量比黄光或是蓝光来得低,红移会减弱来自遥远星系星光的能量,进而夜空是暗的。1955年,稳恒态宇宙学家福雷德·霍伊尔(Fred Hoyle)在他的《天文学前沿》(Frontiers of Astronomy)一书中写道,“因为宇宙膨胀,所以夜晚是黑的。这是一个意料之外的解释——以致于19世纪的天文学从来没有想到过。”

 

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[图片说明]:膨胀的宇宙就好像是不断往里吹气的气球,随着气球变大,波长也在增大。图片版权:Addison Wesley。

虽然,这是一种进步,但是红移无法解释奥伯斯佯谬。它仅仅在稳恒态宇宙学中适用,而这一宇宙学模型并没有被天文学家广为接受。在大爆炸宇宙学中,膨胀的空间对夜晚的黑暗不起什么作用,即使宇宙停止膨胀夜晚仍将是黑的。然而大多数的书中却不是这么写的。1987年的调查显示,只有30%的天文学书籍正确解释了为什么夜晚是黑的。

哈里森认为夜晚的黑暗和膨胀的宇宙之间的联系很清楚——第一,微不足道;第二,过于深奥——这得归咎于50年代的宇宙学普及。“晚上走到户外,天文学家这样吸引他们的听众,抬头仰望繁星点点的夜空,”他的《夜的黑》一书中写道,“黑暗的夜空证明宇宙在膨胀。这就象是一本书的主题,扉页上则写着多普勒效应,以此来吸引大量的听众。”

宇宙的能量危机

从爱伦·坡开始,天文学家已对黑暗的夜空有了一个正确的解释:宇宙还太年轻。1964年,哈里森发现了另一个正确的解释:宇宙拥有的能量太少。

在邦迪的宇宙学书中,哈里森首次知道了奥伯斯佯谬。哈里森决定计算,若是夜空要被无数的星星照亮要多少能量。“起先,我的计算结果简直我法令人相信,”他写道,“但之后,事情就清楚了,我们一直沿用错误的角度来看待整个问题。”

 

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[图片说明]:射电波段的天空。

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[图片说明]:近红外波段的天空。

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[图片说明]:可见光波段的天空。

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[图片说明]:X射线波段的天空。

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[图片说明]:γ射线波段的天空。

 

在可观测的宇宙中,所有恒星所产生的能量是非常小的。哈里森的计算表明,若要照亮夜空,可观测宇宙需要的能量为现今的10万亿倍——每颗恒星的发光度要上升10万亿倍,或者恒星的数目要增加10万亿倍。另外,恒星不可能永生,就算宇宙无限老,夜空仍旧是黑暗的,原因是恒星总是会死亡的。

就像太阳,恒星通过核反应将质量转化成能量。哈里森证明,就算宇宙中的所有质量都转化成能量,夜晚也不会比一个有月亮的晚上亮。因此,现在有了双保险——宇宙还太年轻而且能量不足。点亮整个宇宙就像是用一根蜡烛花上一个小时来加热一幢房子:一个小时太短了,即使你能等更长的时间,可是在完成这项任务前,蜡烛也已燃尽了。

所以,天文学家终于能回答为什么夜空是黑暗的了。一百多年前科学家解释了为什么天空是蓝的,但是看起来更简单的问题——夜空为什么是黑暗的,却直到20世纪才有了完整的答案。它印证了,被黑暗迷住的人才是第一个揭开它神秘面纱的人。

[Sky & Telescope 2001年12月]

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