為了搞清楚夜晚的天空為什么是黑的，科學家們有多拼？

有白天就有黑夜，沒人會覺得奇怪。如果我問你，為什么夜里是黑色的呢？可能最常見的說法就是，因為太陽落山了。但是，真正的答案并沒有這么簡單，本文就跟各位小伙伴聊一下，為了搞清楚夜晚的天空為什么是黑的，科學家們有多拼這個話題。

為什么要聊這樣一個話題？因為黑夜能告訴你關于宇宙的信息要遠比白天多。當人類把目光投向宇宙，可能最關心的問題就是這個宇宙是有限的還是無限的呢？第一個用科學方法來論證這個問題的人是德國天文學家約翰尼斯?開普勒。

他認為，如果宇宙是無限的，那么亙古以來，宇宙會出現無數顆恒星發射的光芒，我們看到的天空底色應該是無比明亮的。但事實是，我們看到的并非這樣，說明宇宙是有限的。毫無疑問的是，即使以今天的科技，我們看到的確實是一個有限的宇宙。（雖然沒看到的不等于不存在，但是看到什么就說什么才是科學的態度。）

開普勒

物理學一個讓人信服的地方就是可以對物質和運動進行定量計算，對于宇宙有限還是無限這個問題，物理學家們當然也要去發揮一下他們的特長。第一個嘗試對宇宙進行定量計算的是18世紀的英國科學家埃德蒙?哈雷。

1720年，哈雷以宇宙無限假設且恒星在宇宙中均勻分布為前提，計算了這個假設宇宙中所有恒星所發出的亮度。他以地球為中心，把宇宙分割為一層層的同心球殼。這些球殼的容積等于4π倍半徑的平方與球殼厚度的乘積。

哈雷

由于恒星的亮度與距離的平方成反比，因此，恒星亮度與恒星數量的乘積并不受距離的影響。換句話說，距離變遠導致的恒星亮度減弱，抵消了由于半徑增加，容納恒星數量更多帶來的亮度增加。所以，所有球殼內的恒星都是以相同的方式給地球照明。

如果把這些光亮加起來，則其總和是無限的，這被稱作無限光亮假設。我們看到，這個結論，與事實上我們看到的夜是黑的相矛盾，由此假設錯誤，因此宇宙是有限的。（邏輯學上，這叫做反證法）由此可見，開普勒實在是太聰明了。

膨脹的宇宙

但哈雷自己不這么認為，他認為恒星的亮度與距離的平方成反比，減弱速度要比由于恒星數量增加造成的亮度增加快。這樣的解釋，就保證了哈雷的計算結果與觀測事實一致，并且保留了宇宙無限這個假設。

還有沒有其它可能呢？如果宇宙的光亮總和是無限的，是因為有一種介質吸收了恒星的光，才導致地球夜晚的黑暗呢？另一個英國天文學家約翰?赫謝爾（179--1871）否定了這個觀點，他認為：如果星際介質吸收了恒星的光，就一定會升溫，那么這個介質就會發亮。到此，無限光亮假設被推翻。

很顯然，關于宇宙無限的假設到此仍然與黑夜的真實存在構成明顯的理論矛盾。

1823年，德國天文學家海因里?奧博斯基于無限宇宙假設提出了另外一種觀點，近地恒星可能會遮住距離遙遠的恒星。因此，并不是無數的恒星就能帶來無限的光亮，而只是最靠近地球的那些。因此，夜空背景的亮度也不是無限的，而是和一顆恒星表面的亮度相同。

假設恒星體積都與太陽相同，奧博斯算出這個極限距離為1022光年。現在，宇宙是不是無限，已經對于為什么夜是黑色的沒有影響了，因為如果它比這個視覺極限距離更大，那么天空應該和一顆恒星表面的亮度一樣。

1861年，德國天文學家約翰?馮?馬德勒提出，由于光速是有限的（1676年，丹麥天文學家羅默通過觀察木星的衛星運動得出的結論），宇宙的年齡也是有限的，所以我們無法看到所有的恒星，只能看到那些距離地球低于光在宇宙年齡增長的時間內運動的距離。

超過這個距離的光我們都無法看到，這個距離被馬德勒稱為天際線。1901年，英國物理學家開爾文運用物理學原理計算出了恒星的壽命，從而證明了馬德勒的觀點。但開爾文那時候并沒有誕生量子力學，所以開爾文的計算結果是錯誤的，他算出的太陽壽命大約是3000萬年。

這與進化論的創造者達爾文依據地質學和博物學測算的地球壽命大相徑庭，產生了明顯的矛盾。

達爾文

隨著科學的發展，特別是量子力學的出現，在上個世紀20年代，法國物理學家讓?佩蘭和英國物理學家亞瑟?愛丁頓提出了恒星的能力來自原子核的理論。幾年之后，德國物理學家漢斯?貝特用熱核聚變反應解釋了太陽發光的原理。

貝特的計算表明，太陽的壽命為100億年，體積比太陽大的恒星壽命更短，因為它的亮度更高，消耗核能的速度和它體積的立方成正比。我們無法看到距離我們超過100億光年的恒星，因為它們的光還沒有傳播到地球，這就使得我們可以看到的恒星數量明顯減少。

核聚變

現在把貝特的計算結果重新代入到奧博斯的推理過程中，就能回答夜晚為什么是黑的問題了。在假設恒星均勻分布在宇宙中這個前提下，所有同心球殼中恒星可以帶給夜晚的天空同樣的亮度，當觀察半徑為10^10光年時，天空的亮度則為黑色。

簡單說來，夜空之所以是黑色的，是因為我們只能看到距離我們足夠近的恒星，更遠球殼的光傳播到地球的時間短于它們的壽命。

正是由于光速的有限性以及恒星壽命的有限性這兩個同時存在的因素，才導致了我們只能看到無限宇宙的一小部分。天際線（哈勃球之外）阻隔了我們對宇宙光線的感知。

宇宙微波背景輻射

關于為了搞清楚夜晚的天空為什么是黑的，科學家們有多拼這個話題，就介紹到這里。文中提到的科學家，只是在為揭開這個秘密過程中貢獻比較突出的科學家，還有大量的、默默無聞的科學家為此做出了巨大的貢獻。

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