汪平生：夜晚的天空為什麼是黑暗的

　　摘要：夜晚的天空為什麼是黑暗的？“因為沒有光線，太陽的光線被月球擋住了，所以就是黑的嘛。”很多人就會這樣想。但是仔細想一想，我們的宇宙可以看成是無限大的，並且均勻地分布著無數類似於太陽的恒星，他們都在發光，所以無論從哪一個方向看，觀測者的視線總會遇上一顆恒星。不管是白天還是夜晚，天空應該始終都是明亮的，但這又與事實相反，這是為什麼呢？這就是所謂的奧伯斯佯謬。本文就是解釋發生這個錯誤的原因。
關鍵字：奧伯斯佯謬，夜空，黑暗。

　　一：問題的提出
　　 　　奧伯斯佯謬
　　 　　假設 ：
　　　 　　假如宇宙是穩恒態而無限，而且有無數平均分布的發光星體，則無論望向
　　哪一位置都應該見到一粒星體的表麵，星與星之間便不應有黑暗的位置，黑夜時整個天都會是光亮的。
更確切的表述是，如果宇宙是穩恒，無限大，時空平直，其中均勻分布著同樣的發光體，由於發光體的照度與距離的平方成反比，而一定距離上球殼內的發光體數目和距離的平方成正比，這樣就使得對全部發光體的照度的積分不收斂，黑夜的天空應當是無限的亮的。
　　這一點可以用一個簡單的幾何論證說明（如上圖1）：進入人眼的一束細長的錐形光線。雖然恒星表麵的亮度與距離成反比，但錐體的截麵積（或恒星的數目）隨距離平方而增加。所以說對於錐體內的光與它從什麼地方發出沒有關係，也就是說人眼觀察到的亮度與距離無關。因此整個天空就要亮得像太陽一樣，實際上夜空卻是黑的，這顯然這與我們的日常經驗是矛盾的，這就是所謂的奧伯斯佯謬。

　　二：問題的解決
　　這曾經是一個困惑了科學家幾世紀（也許更久）的難解之謎。1823年，奧伯斯認為遙遠的恒星的光被恒星之間的稀薄物質雲所吸收。
　　也有人提出另一種解釋（奧伯斯本人就曾這樣解釋），指宇宙並非透明，遠處星光會被宇宙間黑暗的星體，塵埃和氣體阻隔，令極遠處的光線隻可以傳播一段有限的距離而不能到達地球。然而這並不能解決問題，因為根據熱力學第一定律，能量必定守恒，故此中間的阻隔物會變熱而開始放出輻射，結果導致天上有均勻的輻射，溫度應當等於發光體表麵的溫度，也即天空和星體一樣亮，然而事實上沒有觀察到這種現象。
　　但這個迷僅當我們認為宇宙是永恒而且不變的前提下才會是一道難題，而在1920年之前，人們對宇宙的認識正是如此。
　　這個難題基於三個假設，(1)宇宙是無窮大的；(2)宇宙是永恒而且不變的；(3)宇宙中以一定密度均勻地充滿了星係或恒星（發光體）。在這樣的假設下，無論我們向哪個方向看，我們都會看到相同數目的恒星，考慮到宇宙是無限大的，我們看到恒星的數目就是無限多的，每一個恒星都會有一束光線照射過來，因此我們將在各個方向看到無窮耀眼的光芒。顯然，三條基本假設中至少有一條是錯誤的。
　　1.19世紀天 文學家普遍認為可觀測宇宙必須是靜態、無限的和均勻的。愛因斯坦在1917年發表了題為《根據廣義相對論的宇宙學考察》的 論文，他將廣義相對論的引力場方程用於整個宇宙並試圖求得一個解。愛因斯坦所得到的是一個有限無邊的靜態宇宙模型。
　　 　　但是，隨著河外星係退行（譜線紅移）的發現，愛因斯坦的靜態宇宙模型很快被否定了，所以宇宙不是永恒不變的。
　　2.我們仍然不能肯定宇宙是否是無窮大；宇宙大概真的像我們觀察到的那樣充滿了星係；但我們確實知道它並非是永恒不變的。我們所知的宇宙產生於150億年前的大爆炸。由於光速是有限的，在一個年齡是150億歲的宇宙中，我們隻能觀察到最遠150億光年處的星係。即便宇宙是無窮大的，因為光速有限，遠處的星光最遠亦隻能傳送至以其年齡為光年量度的有限距離，故此我們仍未能看見這些極遠處的星光，發出的光也無法達到地球。根據德謝梭的計算，宇宙至少要有1千萬億歲並且有1千萬億光年大小，才能在夜晚達到一顆恒星的亮度。但這是我們所在宇宙年齡的10萬倍。因此隻要宇宙誕生於離我們現在足夠近的過去某個確定時刻，就不會有夜晚黑色天空之謎。
　　3.大爆炸後的光線強得不可思議，而且向每一方傳播，以上解釋未能完全解決夜黑的問題。然而在廣義相對論之下，大爆炸產生的光線被大幅紅移而成為低能量的宇宙微波背景輻射，故此對奧伯斯佯謬的真正解釋，是一切遠處的星光都被紅移，而並非直接基於有限的宇宙年齡 (雖然在很多理論中紅移和宇宙年齡都有關係)。個人認為，宇宙的能量還是不夠大，就象我們用蠟燭想把一個屋子烤熱，理論上用足夠的時間就可以，但是蠟燭的時間是沒有那麼長的。所以宇宙是光亮的是不可能的。