为什么夜空是黑暗的？奥伯斯佯谬
by Yan on 3月 24, 2008
转方舟子一篇文章：为什么夜空是黑暗的？附上维基百科的奥伯斯佯谬条目内容。
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为什么夜空是黑暗的？
·方舟子·
奥伯斯（1758～1840）出生于德国不来梅附近的一个小村庄，19岁
那年到哥廷根学医。哥廷根大学的一个特色是学生享有学习的自由，学医
的奥伯斯在那里也能跟着有“德国数学之师”之称的数学教授、天文台
台长凯斯特纳学数学和天文学。毕业后，奥伯斯回到不来梅当医生，但
他的真正兴趣是天文学。他白天行医，晚上则在改造成天文台的自家顶楼
进行天文观测，天天如此，每天睡觉时间不超过4个小时。
奥伯斯还在上大学的时候发现了一个计算彗星轨道的方法，沿用至
今。此后他共发现了5颗彗星，其中一颗后来以他的名字命名。1801年新年
的晚上，意大利天文学家皮亚齐发现了第一颗小行星谷神星，再想进一步
观察时却找不到它了，是奥伯斯在那一年的年底根据数学家高斯的计算
重新发现了它，平息了谷神星是行星还是彗星的争论。奥伯斯本人后来
发现了两颗小行星：1802年发现第二颗小行星智神星，1807年发现第四颗
也是最亮的一颗小行星灶神星。不过奥伯斯在现在最广为人知的，是在1823
年提出了一个听上去很傻的问题：为什么夜空是黑暗的？如果宇宙是无限
的，恒星均匀地布满天空，那么夜晚的天空也将和白天一样明亮。
实际的情况当然并非如此。这种理论和实际的矛盾，物理学上称为佯
谬。奥伯斯指出的这个矛盾，后来就被称为奥伯斯佯谬。其实，它并不是
奥伯斯首先提出的。1610年，伽利略用望远镜发现空中有无数肉眼看不到
的恒星后，认为宇宙是无限的，恒星的数量也是无限的。开普勒不以为然，
给伽利略去信指出，如果那样的话，夜空就不会是黑暗的。他打了一个比
方。假如你站在无边无际的森林中向前看，不论你往哪个方向看，都只能
看到一根根的树干连成一片挡在你的眼前，看不到任何间隙。只有当你是
在一片小森林中时，才能透过树干的间隙看到外面的世界。同样的道理，
如果宇宙是无限的，那么恒星将占据了天空的每一点，它们发出的光终将
抵达地球，所有的恒星发出的光都将连成一片，就像我们在夏天看到的银
河一样。既然实际情况是恒星彼此之间有黑暗的间隙，那就说明宇宙是有
限的，透过这些间隙我们看到的是一堵包围宇宙的黑暗围墙。
但是后来的天文学家都相信宇宙在空间上和时间上都是无限的。怎么
解决这个矛盾呢？18世纪初英国天文学家哈雷提出了一个容易想到的解决
方案：远处恒星发出的光线在抵达地球时强度变得十分弱，无法被我们看
到。但是这个解释是站不住脚的。虽然光线的强度按距离的平方而减少，
但是在一个无限大的宇宙中，天空的体积也即恒星的数量将按距离的平方
而增加，也就是说，在远处某一点恒星数量增加的比例恰好等于光强度减
少的比例，二者互相抵消，总的光强度与距离远近无关。如果多数恒星都
和太阳一样，天空的每一点都应该和太阳盘面一样亮。天球的面积是太阳
盘面的18万倍，那么照射地球的星光亮度也应该是阳光的18万倍。
奥伯斯提出的解释是，太空并不是“透明”的，遥远恒星发出的光被
弥漫在恒星之间的稀薄物质云给遮挡、吸收了。但是在热力学定律被发现
之后，这个解释也经不起推敲了。根据热力学定律可知，假如有太空物质
遮挡住星光，光能将会被吸收转化成热能，这些能量最终要重新被辐射出
来，从而也要发光（虽然光的波长可能不同），天空仍然还是一片明亮。
要解决这个佯谬的唯一办法是否定其大前提，即宇宙不是无限的，因
而恒星数量是有限的。但是这还不够。即使恒星数量是有限的，其数量也
近乎无限，足以照亮整个夜空。1848年，美国小说家爱伦坡在一篇随笔中
指出，唯一的出路是假定远处的星光还来不及照到地球上来。也就是说，
宇宙在时间上有一个起点，而且宇宙的年龄还没有老到足以让我们见到
所有远处恒星发出的光。
我们现在知道宇宙的年龄的确是有限的，宇宙是在大约137亿年前大
爆炸形成的。而计算表明，要把地球的夜空全部照亮，要花上以亿亿亿年
计的时间，远处的星光才能都抵达地球。显然我们的宇宙还太年轻了。
而且宇宙在不断地向各个方向膨胀，各个星系在互相远离，当然也都
在远离地球。空间的膨胀导致光线在传播时波长被拉长，能量也因此降低
了（波长与能量成反比）。这个现象称为“红移”，意思是可见光向能量
较低的红光转变，而红光还会向能量更低的红外线、微波转变，所以遥远
的星光在抵达地球时能量已低到不能被肉眼见到了。由于宇宙太年轻，所
以夜空是暗的；而由于宇宙在膨胀，让夜空变得更暗。“为什么夜空是黑
暗的？”这个问题其实一点也不傻，蕴含着宇宙的奥秘呢。
2008.2.15.
（《中国青年报》2008.2.27）
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奥伯斯佯谬
奥伯斯佯谬由德国天文学家奥伯斯于1823年提出，于1826年修订，是指若宇宙是穏恒态而且无限的，则晚上应该是光亮而不是黑暗的。在此之前，类似的想法已由克卜勒于1610年及夏西亚科斯于十八世纪提出。黑暗的夜晚印证了宇宙是非穏恒态的，是大爆炸理论的证据之一。奥伯斯佯谬又称夜黑佯谬或光度佯谬。
假设
假如宇宙是穏恒态而无限，而且有无数平均分布的发光星体，则无论望向天上哪一位置都应该见到一粒星体的表面，星与星之间便不应有黑暗的位置，黑夜时整个天都会是光亮的。
更确切的表述是，如果宇宙是稳恒，无限大，时空平直的，其中均匀分布着同样的发光体，由于发光体的照度与距离的平方成反比，而一定距离上球壳内的发光体数目和距离的平方成正比，这样就使得对全部发光体的照度的积分不收敛，黑夜的天空应当是无限亮的。
解释
被接受的解释
两种作用能对奥伯斯佯谬给予解释：宇宙的年龄是有限的和红移，而后者是最重要的效应。(即使在稳态宇宙理论的模型中，也推论出宇宙是无限老和空间是无边际的，但夜空依然是黑暗的。)
宇宙的年龄是有限的
这个解释指出有限速度的光要游遍宇宙的空间本身就是矛盾的，当我们遥望远处的空间，其实就是在回顾历史。最后，我们仍只能观察到有限年龄的宇宙。 讽刺的是，相同的解释却是出自诗人爱伦·坡在1848年的我得之矣(一首散文诗)，在其中他写道：
“星星是连续不尽的，然后背景的天空将呈现一致的光亮，就像银河所显示的-–因为不会有绝对的点，在那所有的背景中，星星将不复存在。因此，在那些，在这样的事态下，唯一的模式，我们可以体会到我们的望远镜在无数的方向上发现空隙，将假设无形的背景，因为距离的遥远，光芒从未能到达我们。”[1]
红移
以有限的宇宙年龄所提供的星光来照耀天空时，导出了另一个问题：为什么看不见任何一点大霹雳的贡献？这原因是大霹雳本身的辐射因为宇宙膨胀的缘故，已经红移到微波的波长，成为宇宙的微波背景辐射。宇宙的膨胀也限制了可观测宇宙的大小，这意味着在此之外的光线到不了我们所在之处，这在光学效应下创造了有限的宇宙。(参考有限年龄的论据。)
其它解释
也有人提出另一种解释（奥伯斯本人就曾这样解释），指宇宙并非透明，远处星光会被宇宙间黑暗的星体，尘埃和气体阻隔，令极远处的光线只可以传播一段有限的距离而不能到达地球。然而这并不能解决问题，因为根据热力学第一定律，能量必定守恒，故此中间的阻隔物会变热而开始放出辐射，结果导致天上有均匀的辐射，温度应当等于发光体表面的温度，也即天空和星体一样亮，然而事实上没有观察到这种现象。
克卜勒认为奥伯斯佯谬论证说明宇宙是有限的，或最少是只有有限数量的星体。
分形学权威曼德勃罗提出了另一种不需基于大爆炸理论的解释。他指出若星体是以分形方式在宇宙间分布 (例如类似康特尘埃), 不用大爆炸理论也能解释奥伯斯佯谬。但他的理论是用于展示碎形理论多于解释夜黑问题，从天文学观测亦没有证据显示星体以分形模式分布。
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