夜空為什么是黑色的？| 天問(wèn)專(zhuān)欄
?繁星點(diǎn)點(diǎn)的夜空羅訥河（Starry Night Sky Rhone River）by 梵高。
導(dǎo)讀：
“如果繁星每隔千年才出現(xiàn)一晚，人類(lèi)將會(huì)如何景仰與崇拜，并世代保留上帝之城的回憶?！?/span>
——愛(ài)默生
撰文 | 李 然（國(guó)家天文臺(tái)）
責(zé)編 | 呂浩然
天問(wèn)專(zhuān)欄
· 他們腳踏幾千米高原，只為多仰望星空一眼（附一至十期文章）
· 有人要挑戰(zhàn)暗物質(zhì)理論，并邁開(kāi)了“萬(wàn)里長(zhǎng)征”的第一步
· 科學(xué)家錯(cuò)了怎么辦：有人承認(rèn)自己搞砸了，也有人拒絕這么做
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為什么夜空是黑色的？《天問(wèn)專(zhuān)欄》將這個(gè)問(wèn)題交給我時(shí)，阿西莫夫（美國(guó)著名科幻作家）的科幻小說(shuō)《日暮》在我的腦海中一閃而過(guò)。在《日暮》虛擬的世界中，星球拉蓋什身處一個(gè)具有6個(gè)太陽(yáng)的天體系統(tǒng)中。在大多數(shù)時(shí)候，蓋拉什的天空至少都有兩個(gè)太陽(yáng)照耀著大地，黑夜在這個(gè)星球上只是傳說(shuō)。
然而，每過(guò)2050年，六個(gè)太陽(yáng)會(huì)形成一次特殊的構(gòu)型：五個(gè)太陽(yáng)位于星球的一側(cè)，而在星球的另一側(cè)，拉蓋什的月亮將會(huì)運(yùn)行到二號(hào)太陽(yáng)和星球之間，在大地上形成一次漫長(zhǎng)的日食。在小說(shuō)的最后，太陽(yáng)被黑暗吞噬，星光顯現(xiàn)，夜幕降臨，整個(gè)星球陷入了恐懼和混亂，唯有天文學(xué)家們看著從未預(yù)料到的廣闊宇宙淚流滿面。
?圖1：《日暮》（Nightfall）由美國(guó)著名科幻作家阿西莫夫所著。
相比于拉蓋什人，地球人在對(duì)宇宙的探索方面要幸運(yùn)得多。當(dāng)太陽(yáng)落下地平線，暗夜降臨，星球上的每個(gè)人都可以平等地凝視夜空，觀察宇宙中其它的世界。早在原始社會(huì)，在篝火的照耀下，人類(lèi)就已經(jīng)慢慢地學(xué)會(huì)了與黑暗和平共處，看著星光給孩子們編織宇宙的故事。不同的文明都經(jīng)歷過(guò)這種用想象力編織宇宙物語(yǔ)的過(guò)程。
在開(kāi)始的時(shí)候，人類(lèi)的故事傾向于認(rèn)為世間萬(wàn)物都由更高級(jí)的存在——神明掌控的。天空和大地、高山和海洋、光明和黑暗、風(fēng)雨和雷電，都由不同的神明掌控。在大約2500年前，在東愛(ài)琴海的希臘殖民地，突然出現(xiàn)了好幾位著名的學(xué)者，他們開(kāi)始意識(shí)到，世間的萬(wàn)物也許并非都是神明的提線木偶；也許萬(wàn)物并非都是神明創(chuàng)造，而是按照某種自然規(guī)律由同樣的微粒組成；也許疾病并非是神明的懲罰，而有規(guī)律可循，無(wú)需祭祀也可以人為地治愈；而太陽(yáng)和月亮的交替、星星的閃耀也都是自然的現(xiàn)象。
然而，摸索出宇宙運(yùn)轉(zhuǎn)的秘密并不容易。直到十六世紀(jì)末期，學(xué)者們才漸漸地達(dá)成共識(shí)。夜空中的星星應(yīng)該都是和太陽(yáng)差不多的天體，只不過(guò)由于它們距離太遠(yuǎn)了，才顯得如此的暗淡?；莞?span style="color: rgb(136, 136, 136);">（Christiaan Huyg(h)ens，1629 - 1695）也許是第一個(gè)用科學(xué)方法估計(jì)恒星距離的人。他在一個(gè)紙板上鉆了一系列大小不同的孔，然后將這個(gè)紙板安裝在望遠(yuǎn)鏡的鏡面上，再用這個(gè)望遠(yuǎn)鏡來(lái)觀察太陽(yáng)。
惠更斯觀察了（目視）不同大小的圓孔的亮度，發(fā)現(xiàn)如果小孔的大小是太陽(yáng)的三萬(wàn)分之一的時(shí)候，透過(guò)小孔的亮度就和夜晚最亮的天狼星一樣明亮。這意味著，太陽(yáng)的目視亮度是天狼星的3萬(wàn)×3萬(wàn)=9億倍。當(dāng)天體遠(yuǎn)離地球，它的目視亮度隨著距離的平方衰減。如果一個(gè)天體的距離是太陽(yáng)距離的10倍，它的目視亮度只有太陽(yáng)的1/100?；莞箵?jù)此推算，如果天狼星和太陽(yáng)同樣明亮，那么天狼星應(yīng)該距離地球3萬(wàn)倍的日地距離（實(shí)際上天狼星的絕對(duì)亮度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于太陽(yáng)，所以實(shí)際距離更遠(yuǎn)）。
全天（整個(gè)天空）可以用裸眼觀察到的恒星大約有6000顆，而在十六世紀(jì)末出現(xiàn)的望遠(yuǎn)鏡則讓人類(lèi)看到了更多夜幕中的暗淡恒星，人類(lèi)也開(kāi)始意識(shí)到星辰大海的浩瀚。隨著對(duì)恒星世界的認(rèn)識(shí)，太陽(yáng)在宇宙中的地位開(kāi)始退縮。學(xué)者們意識(shí)到地球不是世界的中心，太陽(yáng)也不是。太陽(yáng)的王國(guó)只是宇宙浩瀚版圖中的普通一員。牛頓在不朽的著作——《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》一書(shū)中，清晰地為宇宙下了一個(gè)定義：宇宙應(yīng)該是向各個(gè)方向伸展的，均勻的空間。而牛頓認(rèn)為宇宙的尺度應(yīng)該是無(wú)限的。
站在宇宙的角度上思考問(wèn)題，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)“夜空為什么是黑色的？”其實(shí)并不是一個(gè)容易回答的問(wèn)題。如果恒星在宇宙空間中均勻的分布，那么無(wú)限延伸的宇宙空間中就包含著無(wú)限多的恒星。雖然任意一顆恒星發(fā)出的光都只有非常小的一部分能夠被地球接收到，但如果把全宇宙恒星的光芒都加在一起又如何呢？我們可以用簡(jiǎn)單的積分來(lái)計(jì)算地球接收到的來(lái)自所有恒星的光能總量，但這個(gè)積分的結(jié)果是發(fā)散的（即無(wú)限大）。也就是說(shuō)，無(wú)限的恒星會(huì)理應(yīng)給地球上帶來(lái)無(wú)限的光輝，地球原本不應(yīng)該存在黑夜。甚至宇宙中的任何一個(gè)星球上都不應(yīng)該有黑夜的存在。
這個(gè)詰問(wèn)在歷史上曾經(jīng)被多位天文學(xué)家提出，其中包括偉大的開(kāi)普勒（Johannes Kepler，1571 - 1630）。今天，這個(gè)問(wèn)題被廣泛的稱(chēng)作奧伯斯佯謬（Olbers' paradox），得名于一位德國(guó)天文學(xué)家Heinrich Wilhelm Olbers。奧伯斯佯謬本質(zhì)上反映了牛頓的力學(xué)系統(tǒng)及靜態(tài)宇宙觀無(wú)法自洽的處理無(wú)限宇宙的問(wèn)題。
?圖2：德國(guó)天文學(xué)家Heinrich Wilhelm Olbers，圖片來(lái)源：Wikipedia。
不過(guò)直到二十世紀(jì)，這個(gè)問(wèn)題并沒(méi)有十分困擾天文學(xué)家。因?yàn)閺挠^測(cè)上看，彼時(shí)尚沒(méi)有充分的證據(jù)表明宇宙學(xué)原理是正確的。夜空中所有的發(fā)光天體似乎都屬于同一個(gè)系統(tǒng)——銀河系。在銀河系之外也許仍然有無(wú)限的空間，但是否還有其它的恒星集合尚不明確。而銀河系有限的恒星，當(dāng)然并不足以照亮夜空。
1923年，哈勃發(fā)現(xiàn)了河外星系。人類(lèi)第一次確認(rèn)，在夜幕中那些一個(gè)個(gè)旋渦狀的發(fā)光星云，其實(shí)是和銀河系一樣巨大的恒星系統(tǒng)。隨著天文學(xué)家尋找到河外星系數(shù)目的增加，無(wú)限宇宙的問(wèn)題又一次嚴(yán)肅地?cái)[在了研究者面前。不過(guò)這一次，理論家的工具已經(jīng)從牛頓的萬(wàn)有引力理論升級(jí)到愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論。在相對(duì)論的體系下，奧伯斯佯謬有兩種不同的解決方案。
愛(ài)因斯坦自己構(gòu)造了第一種方案：他假設(shè)廣義相對(duì)論方程中存在一個(gè)宇宙學(xué)常數(shù)，構(gòu)造出了一個(gè)穩(wěn)態(tài)且有限的宇宙模型。在這樣的宇宙中，恒星和星系的數(shù)目都是有限的，不會(huì)“威脅”到地球的夜空。
但好景不長(zhǎng)，哈勃在1929年發(fā)現(xiàn)了星系的紅移-距離關(guān)系：距離我們?cè)竭h(yuǎn)的星系會(huì)以越快的速度遠(yuǎn)離我們。這個(gè)現(xiàn)象，很快被解讀為宇宙空間的膨脹。這給了愛(ài)因斯坦的靜態(tài)宇宙論沉重的一擊，但膨脹的宇宙同樣是廣義相對(duì)論理論所允許的產(chǎn)物。而膨脹的宇宙本身，為奧伯斯佯謬帶了解決的方案。
宇宙空間膨脹的事實(shí)，可以推導(dǎo)出一個(gè)不平凡的結(jié)論：宇宙必然有一個(gè)開(kāi)端。因?yàn)橛钪孀蛉毡囟ū冉裉烀芏纫?，而前天密度則會(huì)更高一些。如果我們逆著時(shí)間的流逝回溯過(guò)去，我們可以觀察到宇宙變得越來(lái)越致密，直到今天我們?cè)谟钪嬷锌吹降囊磺薪Y(jié)構(gòu)都無(wú)法存在。
當(dāng)我們回溯到宇宙的極早期，宇宙的密度會(huì)高過(guò)原子，甚至是原子核。另一方面，光子在膨脹的宇宙中旅行，會(huì)損失能量，發(fā)生紅移（波長(zhǎng)增大）。宇宙早期一定要比今天更加的明亮。這不僅僅是因?yàn)殡S著宇宙尺度的壓縮，光子的數(shù)密度增加，也歸功于每個(gè)光子的能量都變得比今天更高。而如果我們進(jìn)一步向前推演宇宙的歷史，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)終有一個(gè)時(shí)刻，宇宙中光子的能量會(huì)變得非常高，以至于今天宇宙中存在的一切實(shí)物粒子都會(huì)被光子擊碎。我們甚至沒(méi)有一個(gè)完整的物理理論可以描述宇宙這個(gè)高溫狀態(tài)下的行為。我們今天一般將這個(gè)時(shí)刻定義為宇宙的開(kāi)端，那時(shí)距今138億年。
宇宙的年齡有限，意味著我們無(wú)法觀測(cè)到無(wú)限的宇宙。換句話說(shuō)，即使宇宙真的無(wú)邊無(wú)際，但因?yàn)檫b遠(yuǎn)宇宙中的星光還來(lái)不及傳遞到地球上，地球今天能夠接受到的星光總是來(lái)自于有限的恒星。我們可以容易地估算出這些星光的總亮度，確實(shí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足以照亮我們的夜空。膨脹的宇宙也意味著光子在不斷地?fù)p失能量，這會(huì)進(jìn)一步降低地球上接收到的光能。
不過(guò)，正如我們?cè)谇懊嬗懻摰?，在宇宙早期有一段時(shí)間，宇宙中充滿了高能量的光子，整個(gè)宇宙極為明亮。在那個(gè)時(shí)刻，宇宙中確實(shí)不存在夜晚這個(gè)概念。今天，隨著宇宙的膨脹降溫，宇宙誕生之初的高能量光子已經(jīng)變成了能量很低的微波輻射。如果人類(lèi)的眼睛可以接收微波信號(hào)，那么即使在黑夜，也能夠看到天空均勻的發(fā)光，雖然這光芒已經(jīng)非常微弱。
?圖3.奧伯斯佯謬示意圖。如果宇宙中的恒星是均勻分布的，在任何一個(gè)視角，隨著觀測(cè)距離的增加，恒星在一個(gè)空間薄層里的數(shù)目隨著距離平方增加。而恒星的視亮度則隨著距離的平方衰減。如果將無(wú)限宇宙中所有恒星的貢獻(xiàn)加起來(lái)，那么觀測(cè)者接收到的光能回趨于無(wú)窮大。圖片來(lái)源：文獻(xiàn)[1]。
如果人類(lèi)的視力可以變得任意好, 那么夜空看起來(lái)會(huì)是什么樣子呢？根據(jù)諾丁漢大學(xué)的Conselice等人[2]估計(jì) ，在宇宙中大約有超過(guò)1萬(wàn)億的星系。差不多向天上任何一個(gè)方向看過(guò)去，都會(huì)有80%的可能性看到一個(gè)超過(guò)一百萬(wàn)太陽(yáng)質(zhì)量的星系。不過(guò)要想看全這些星系可不容易，遙遠(yuǎn)的距離使得它們大多數(shù)都太過(guò)暗淡。
?圖4. 哈勃超級(jí)深場(chǎng)照相，圖片來(lái)源：文獻(xiàn)[3]。
2014年，哈勃空間望遠(yuǎn)鏡對(duì)著天上一塊看上去空無(wú)一物的區(qū)域曝光了一百萬(wàn)秒，結(jié)果2億個(gè)星系從虛空中浮現(xiàn)出來(lái)，猶如璀璨的寶石箱（圖4）。這張照片只拍攝了月球視覺(jué)面積的大約百分之一的天空，但大概是人類(lèi)有史以來(lái)最激動(dòng)人心的照片之一。這樣美麗的夜空，當(dāng)然不應(yīng)該用“黑色”來(lái)描述了。
2001年，約翰霍普金斯大學(xué)的一組科學(xué)家將星系巡天中200,000個(gè)星系的顏色疊加了起來(lái)。他們的結(jié)論是，宇宙的平均顏色大致接近白色，但微微泛黃，這個(gè)顏色被他們命名為宇宙拿鐵色（cosmic latte）[4]。
?圖5. 宇宙的平均顏色：宇宙拿鐵色，作者：Dhmmjoph, Karl Glazebrook & Ivan Baldry，圖片來(lái)源：文獻(xiàn)[5]。
太陽(yáng)落山，黑夜降臨，群星閃耀。從遠(yuǎn)古時(shí)代開(kāi)始，人類(lèi)日復(fù)一日地經(jīng)歷著同樣的循環(huán)，以至于所有人都已習(xí)以為常。但加以理性的思考，夜空顏色這一簡(jiǎn)單的問(wèn)題，實(shí)際上卻和宇宙的本性有著深刻的聯(lián)系。對(duì)我而言，這正是天文學(xué)研究最令人著迷的地方。
作者簡(jiǎn)介
李然，畢業(yè)于北京大學(xué)天文系，獲理學(xué)學(xué)士學(xué)位（2006年）和博士學(xué)位（2011年）。其后在國(guó)家天文臺(tái)從事博士后研究，現(xiàn)在為國(guó)家天文臺(tái)星云計(jì)劃研究員。主要研究領(lǐng)域：引力透鏡，星系形成以及宇宙學(xué)。其科普著作《漫步到宇宙盡頭》入選科技部2017年度優(yōu)秀科普?qǐng)D書(shū)。
參考文獻(xiàn)：
[1] https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Olbers%27_Paradox.svg
[2] The Evolution of Galaxy Number Density at z < 8 and its Implications, Christopher J. Conselice, Aaron Wilkinson, Kenneth Duncan, Alice Mortlock, ApJ, 2016, 830,83
[3] http://hubblesite.org/image/3380/news_release/2014-27，credit：NASA, ESA, H. Teplitz and M. Rafelski (IPAC/Caltech), A. Koekemoer (STScI), R. Windhorst (Arizona State University), and Z. Levay (STScI)
[4] 宇宙的光譜：http://www.astro.ljmu.ac.uk/~ikb/Cosmic-Spectrum.html
[5] https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Cosmic_Latte.png
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