深度長(zhǎng)文：夜晚為什么是黑的？因?yàn)闆]有太陽？別鬧！

每當(dāng)夜幕降臨，仰望星空，我們總會(huì)被漫天繁星與深邃黑暗的強(qiáng)烈對(duì)比所震撼。點(diǎn)點(diǎn)星光如同宇宙的燈塔，照亮了人類對(duì)未知的好奇，而星與星之間的廣袤黑暗，則像一道永恒的謎題，困擾了天文學(xué)家數(shù)個(gè)世紀(jì)。

1823 年，德國(guó)天文學(xué)家海因里希?威廉?奧爾伯斯在觀測(cè)星空時(shí)提出了一個(gè)看似簡(jiǎn)單卻極具顛覆性的問題：如果宇宙是無限、均勻且靜態(tài)的，同時(shí)充斥著無限多顆恒星，那么從地球向任意方向望去，視線最終都將觸及某顆恒星的表面，夜空理應(yīng)被星光完全填滿，呈現(xiàn)出與恒星表面相當(dāng)?shù)牧炼龋俏覀兯姷暮诎怠?/p>

這一與觀測(cè)事實(shí)相悖的觀點(diǎn)，被后世稱為 “奧爾伯斯悖論”，又稱 “黑暗夜空悖論”，它如同一塊投入宇宙學(xué)湖面的巨石，激起了持續(xù)兩百年的科學(xué)漣漪，徹底改變了人類對(duì)宇宙本質(zhì)的認(rèn)知。

奧爾伯斯悖論的核心并非簡(jiǎn)單質(zhì)疑 “夜空為何黑暗”，而是通過這一日常現(xiàn)象，挑戰(zhàn)了自中世紀(jì)以來占據(jù)主導(dǎo)地位的穩(wěn)態(tài)宇宙觀。

在 18 世紀(jì)末至 19 世紀(jì)初的天文學(xué)界，“宇宙無限、均勻、靜態(tài)” 的假設(shè)被廣泛接受：無限意味著宇宙在空間上沒有邊界，時(shí)間上沒有開端也沒有終結(jié)；均勻意味著物質(zhì)在大尺度上的分布是均勻的，不存在某個(gè)區(qū)域更密集或更稀疏的情況；靜態(tài)則意味著宇宙整體不隨時(shí)間變化，既不膨脹也不收縮。

這一觀點(diǎn)的根源可以追溯到公元 13 世紀(jì)，經(jīng)院哲學(xué)家托馬斯?阿奎那在整合亞里士多德哲學(xué)與基督教神學(xué)的過程中，提出了 “宇宙永恒存在” 的觀點(diǎn)，認(rèn)為上帝創(chuàng)造的宇宙是完美且不變的。此后數(shù)百年間，這一穩(wěn)態(tài)宇宙觀深入人心，即使是哥白尼的日心說、開普勒的行星運(yùn)動(dòng)定律和牛頓的萬有引力定律，也未能從根本上動(dòng)搖其地位 —— 這些理論解釋了宇宙中天體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，卻沒有質(zhì)疑宇宙本身的無限性與靜態(tài)性。

奧爾伯斯的貢獻(xiàn)在于，他首次將 “夜空黑暗” 這一習(xí)以為常的現(xiàn)象轉(zhuǎn)化為嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)命題。

為了更直觀地理解這一悖論，我們可以進(jìn)行一個(gè)思想實(shí)驗(yàn)：假設(shè)宇宙是無限、均勻且靜態(tài)的，那么我們可以將宇宙想象成一個(gè)由無數(shù)恒星組成的 “無限森林”。站在森林中央，無論朝哪個(gè)方向眺望，視線最終都會(huì)被某棵樹擋住；同理，在無限宇宙中，無論朝哪個(gè)方向觀測(cè)，視線最終都會(huì)觸及某顆恒星。

盡管遙遠(yuǎn)恒星的亮度會(huì)隨著距離的平方衰減（這一規(guī)律被稱為 “平方反比定律”），但恒星的數(shù)量也會(huì)隨著距離的平方增加（因?yàn)橐缘厍驗(yàn)橹行模煌嚯x的恒星構(gòu)成了不同半徑的球面，球面積與半徑的平方成正比）。這兩種效應(yīng)相互抵消，導(dǎo)致整個(gè)夜空的總光通量應(yīng)該是無限大的，至少也會(huì)呈現(xiàn)出均勻的明亮狀態(tài)，就像我們直視太陽表面一樣。

然而，現(xiàn)實(shí)與理論的矛盾顯而易見。

即使在沒有光污染的高原天文臺(tái)，夜空依然是黑暗的，星與星之間存在著大片看似空無一物的區(qū)域。為了更清晰地展現(xiàn)這一矛盾，我們可以參考一幅模擬動(dòng)畫：在描繪無限均勻宇宙的場(chǎng)景中，隨著觀測(cè)距離的增加，越來越遠(yuǎn)的恒星會(huì)逐漸填補(bǔ)近距恒星之間的空隙，每一幀畫面都比前一幀更加明亮，最終整個(gè)畫面會(huì)被星光完全覆蓋，呈現(xiàn)出均勻的白色。

但這幅動(dòng)畫所描繪的場(chǎng)景，與我們實(shí)際觀測(cè)到的星空截然不同 —— 即使借助望遠(yuǎn)鏡，我們也能看到大量黑暗的 “宇宙空隙”。這種理論與觀測(cè)的尖銳對(duì)立，使得奧爾伯斯悖論成為了宇宙學(xué)史上最具挑戰(zhàn)性的謎題之一，也迫使天文學(xué)家們重新審視關(guān)于宇宙的基本假設(shè)。

盡管奧爾伯斯悖論以奧爾伯斯的名字命名，但關(guān)于 “夜空為何黑暗” 的思考并非始于 1823 年。事實(shí)上，這一問題的根源可以追溯到 16 世紀(jì)末至 17 世紀(jì)初，當(dāng)時(shí)的天文學(xué)家們已經(jīng)開始對(duì)宇宙的無限性提出質(zhì)疑。其中，德國(guó)天文學(xué)家約翰尼斯?開普勒是最早系統(tǒng)性思考這一問題的學(xué)者之一。

1610 年，開普勒在研究木星衛(wèi)星的過程中，首次提出了對(duì) “無限宇宙” 的懷疑。

他認(rèn)為，如果宇宙是無限且均勻的，那么天空中應(yīng)該布滿恒星，夜空不應(yīng)是黑暗的。為了解決這一矛盾，開普勒提出了一個(gè)大膽的假設(shè)：宇宙是有限的，并且具有某種確定的形狀（例如球形）。

在有限宇宙中，恒星的數(shù)量是有限的，有限的星光無法填滿無限的夜空，因此夜空呈現(xiàn)黑暗。開普勒的觀點(diǎn)在當(dāng)時(shí)具有開創(chuàng)性，但也面臨著諸多質(zhì)疑 —— 如果宇宙是有限的，那么宇宙的邊界是什么樣子？邊界之外又是什么？這些問題在當(dāng)時(shí)的科學(xué)認(rèn)知水平下無法得到解答，因此開普勒的有限宇宙論并未被廣泛接受。

此后，英國(guó)天文學(xué)家艾薩克?牛頓在建立萬有引力定律的過程中，再次觸及了這一問題。牛頓認(rèn)為，宇宙必須是無限且均勻的，否則在有限宇宙中，所有天體都會(huì)在萬有引力的作用下相互吸引，最終聚集到宇宙的中心，形成一個(gè)巨大的天體，這與觀測(cè)到的天體分布狀態(tài)不符。

為了避免這一困境，牛頓提出了 “無限均勻宇宙” 的模型：在無限宇宙中，每個(gè)天體受到的來自各個(gè)方向的引力相互抵消，因此天體能夠保持穩(wěn)定的分布狀態(tài)。

但牛頓的模型同樣無法解釋 “夜空黑暗” 的現(xiàn)象 —— 按照他的理論，無限多的恒星依然會(huì)讓夜空變得明亮。牛頓意識(shí)到了這一矛盾，但他未能給出合理的解釋，只能將其歸因于 “上帝的安排”，認(rèn)為這是宇宙完美性的體現(xiàn)。

18 世紀(jì)，瑞士天文學(xué)家讓 - 菲利普?洛伊施納對(duì)這一問題進(jìn)行了更深入的研究。1744 年，洛伊施納在其著作《關(guān)于宇宙中眾多恒星的思考》中，詳細(xì)計(jì)算了恒星的亮度與數(shù)量對(duì)夜空亮度的影響。他得出結(jié)論：如果宇宙是無限且均勻的，那么夜空的亮度應(yīng)該與太陽表面相當(dāng)，這與觀測(cè)事實(shí)嚴(yán)重不符。

為了解決這一悖論，洛伊施納提出了兩種可能的解釋：一是宇宙中存在大量的星際塵埃，這些塵埃吸收了來自遙遠(yuǎn)恒星的星光，導(dǎo)致夜空變暗；二是恒星的分布并非完全均勻，而是存在一定的層級(jí)結(jié)構(gòu)（例如恒星聚集在星系中，星系又聚集在星系團(tuán)中），這種層級(jí)結(jié)構(gòu)使得遙遠(yuǎn)恒星的光無法均勻地到達(dá)地球。

洛伊施納的第一種解釋在當(dāng)時(shí)得到了廣泛關(guān)注，但很快就被證明是不成立的。天文學(xué)家們意識(shí)到，星際塵埃在吸收星光的同時(shí)，也會(huì)被星光加熱，最終會(huì)以熱輻射的形式將吸收的能量釋放出來，其輻射強(qiáng)度與恒星表面的溫度相當(dāng)。因此，星際塵埃只能暫時(shí)阻擋星光，無法從根本上降低夜空的總亮度。至于第二種解釋，由于當(dāng)時(shí)的觀測(cè)技術(shù)有限，天文學(xué)家們無法證實(shí)恒星的層級(jí)分布，因此這一觀點(diǎn)也未能成為主流。

1823 年，奧爾伯斯在《關(guān)于天空為何黑暗的宇宙學(xué)思考》一文中，重新闡述了這一悖論，并對(duì)前人的解釋進(jìn)行了批判。

奧爾伯斯認(rèn)為，洛伊施納的星際塵埃假說無法成立，因?yàn)閴m埃最終會(huì)被加熱到與恒星相同的溫度；而恒星的層級(jí)分布也無法解釋夜空的黑暗，因?yàn)榧词勾嬖趯蛹?jí)結(jié)構(gòu)，無限宇宙中的恒星總量依然是無限的，總光通量依然會(huì)達(dá)到無限大。在批判前人觀點(diǎn)的基礎(chǔ)上，奧爾伯斯提出了自己的解決方案：宇宙并非無限古老，而是有一個(gè)開端。

他認(rèn)為，恒星的形成需要時(shí)間，來自遙遠(yuǎn)恒星的光還未到達(dá)地球，因此夜空是黑暗的。這一觀點(diǎn)在當(dāng)時(shí)具有革命性，因?yàn)樗状螌?“時(shí)間” 因素引入了宇宙學(xué)研究，挑戰(zhàn)了 “宇宙永恒存在” 的傳統(tǒng)觀念。

然而，奧爾伯斯的解釋同樣存在缺陷。

按照他的觀點(diǎn)，宇宙的年齡應(yīng)該足夠年輕，以至于最遙遠(yuǎn)恒星的光還未到達(dá)地球。但根據(jù)當(dāng)時(shí)的天文學(xué)觀測(cè)，恒星的距離至少有數(shù)十光年（例如，離地球最近的恒星比鄰星距離約 4.2 光年），如果宇宙的年齡只有幾千年，那么我們只能看到距離地球幾千光年范圍內(nèi)的恒星，這與觀測(cè)到的大量遙遠(yuǎn)恒星相矛盾。

此外，奧爾伯斯未能解釋為何宇宙會(huì)有一個(gè)開端，這一問題在當(dāng)時(shí)的科學(xué)框架下依然無法解答。因此，盡管奧爾伯斯悖論引起了廣泛關(guān)注，但在 19 世紀(jì)的大部分時(shí)間里，天文學(xué)家們未能找到令人滿意的解決方案，這一悖論也逐漸被邊緣化，成為了一個(gè) “懸而未決的小問題”。

進(jìn)入 20 世紀(jì)，隨著觀測(cè)技術(shù)的飛速發(fā)展，天文學(xué)家們獲得了更多關(guān)于宇宙的觀測(cè)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)逐漸動(dòng)搖了 “宇宙無限、均勻、靜態(tài)” 的傳統(tǒng)假設(shè)，為奧爾伯斯悖論的解決提供了新的思路。其中，最具決定性的突破來自于對(duì)星系紅移的觀測(cè)和宇宙微波背景輻射的發(fā)現(xiàn)。

1915 年，阿爾伯特?愛因斯坦提出了廣義相對(duì)論，這一理論徹底改變了人類對(duì)時(shí)空和引力的認(rèn)知。根據(jù)廣義相對(duì)論，時(shí)空并非平坦的，而是會(huì)被物質(zhì)和能量彎曲，引力的本質(zhì)是時(shí)空的彎曲。

愛因斯坦在將廣義相對(duì)論應(yīng)用于宇宙學(xué)時(shí)發(fā)現(xiàn)，靜態(tài)的宇宙是不穩(wěn)定的 —— 即使初始時(shí)宇宙是靜態(tài)的，微小的擾動(dòng)也會(huì)導(dǎo)致宇宙膨脹或收縮。為了維持宇宙的靜態(tài)性，愛因斯坦在其引力場(chǎng)方程中引入了一個(gè) “宇宙學(xué)常數(shù)”（Λ），這一常數(shù)可以產(chǎn)生一種 “排斥力”，抵消物質(zhì)之間的萬有引力，從而讓宇宙保持穩(wěn)定。

然而，愛因斯坦的靜態(tài)宇宙模型很快就受到了挑戰(zhàn)。1929 年，美國(guó)天文學(xué)家埃德溫?哈勃利用威爾遜山天文臺(tái)的 100 英寸胡克望遠(yuǎn)鏡，對(duì)大量遙遠(yuǎn)星系進(jìn)行了觀測(cè)。哈勃發(fā)現(xiàn)，這些星系的光譜都存在著紅移現(xiàn)象 —— 即星系發(fā)出的光的波長(zhǎng)被拉長(zhǎng)，向光譜的紅端移動(dòng)。

根據(jù)多普勒效應(yīng)，紅移意味著星系正在遠(yuǎn)離地球；而哈勃進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，星系的紅移幅度與距離成正比，距離越遠(yuǎn)的星系，紅移幅度越大，這一規(guī)律被稱為 “哈勃定律”。

哈勃定律的發(fā)現(xiàn)具有劃時(shí)代的意義，它表明宇宙并非靜態(tài)的，而是正在膨脹。如果宇宙正在膨脹，那么回溯過去，宇宙必然是從一個(gè)密度極大、溫度極高的奇點(diǎn)開始的 —— 這一觀點(diǎn)直接催生了宇宙大爆炸理論。愛因斯坦在得知哈勃的觀測(cè)結(jié)果后，承認(rèn)引入宇宙學(xué)常數(shù)是自己 “一生中最大的錯(cuò)誤”，并放棄了靜態(tài)宇宙的觀點(diǎn)，轉(zhuǎn)而支持宇宙膨脹的理論。

宇宙膨脹的發(fā)現(xiàn)為奧爾伯斯悖論提供了一個(gè)關(guān)鍵的解決方案。根據(jù)宇宙大爆炸理論，宇宙的年齡是有限的（目前的觀測(cè)結(jié)果顯示，宇宙的年齡約為 138 億年）。由于光速是有限的，我們只能觀測(cè)到距離地球 138 億光年范圍內(nèi)的宇宙，這一范圍被稱為 “可觀測(cè)宇宙”。

可觀測(cè)宇宙之外的恒星，其發(fā)出的光還未足夠的時(shí)間到達(dá)地球，因此無法被我們觀測(cè)到。此外，宇宙的膨脹還會(huì)導(dǎo)致遙遠(yuǎn)星系的紅移 —— 距離越遠(yuǎn)的星系，遠(yuǎn)離地球的速度越快，當(dāng)星系的退行速度超過光速時(shí)，其發(fā)出的光將永遠(yuǎn)無法到達(dá)地球（這一現(xiàn)象并不違背相對(duì)論，因?yàn)樾窍档耐诵兴俣仁菚r(shí)空膨脹的結(jié)果，而非星系本身的運(yùn)動(dòng)速度超過光速）。因此，盡管宇宙可能是無限的，但我們能夠觀測(cè)到的恒星數(shù)量是有限的，有限的星光無法填滿夜空，這就解釋了夜空為何是黑暗的。

除了星系紅移，宇宙微波背景輻射的發(fā)現(xiàn)進(jìn)一步證實(shí)了宇宙大爆炸理論，也為奧爾伯斯悖論的解決提供了更多證據(jù)。1965 年，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的阿諾?彭齊亞斯和羅伯特?威爾遜（Robert Wilson）在調(diào)試一臺(tái)射電望遠(yuǎn)鏡時(shí)，意外發(fā)現(xiàn)了一種各向同性的微波輻射 —— 這種輻射來自宇宙的各個(gè)方向，溫度約為 3K（-270℃），被稱為 “宇宙微波背景輻射”。

宇宙微波背景輻射的發(fā)現(xiàn)具有重大意義，它被認(rèn)為是宇宙大爆炸的 “余輝”。根據(jù)宇宙大爆炸理論，宇宙在誕生之初是一個(gè)溫度極高、密度極大的等離子體，隨著宇宙的膨脹，等離子體逐漸冷卻，當(dāng)宇宙的年齡約為 38 萬年時(shí)，質(zhì)子和電子結(jié)合形成中性原子，宇宙變得透明，光子得以自由傳播。這些光子在宇宙膨脹的過程中，波長(zhǎng)被逐漸拉長(zhǎng)，從可見光和紅外線轉(zhuǎn)變?yōu)槲⒉ǎ纬闪宋覀兘裉煊^測(cè)到的宇宙微波背景輻射。

宇宙微波背景輻射的各向同性表明，在可觀測(cè)宇宙的大尺度上，物質(zhì)的分布是均勻的，這與穩(wěn)態(tài)宇宙觀中 “宇宙均勻” 的假設(shè)一致。但與此同時(shí)，宇宙微波背景輻射的存在也證實(shí)了宇宙并非靜態(tài)的，而是有一個(gè)開端和膨脹的過程。這一發(fā)現(xiàn)進(jìn)一步支持了宇宙大爆炸理論，也為奧爾伯斯悖論的解決提供了更堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ) —— 由于宇宙有一個(gè)開端，且正在膨脹，我們能夠觀測(cè)到的星光是有限的，因此夜空是黑暗的。

宇宙大爆炸理論的提出，讓 “宇宙有限還是無限” 的問題再次成為焦點(diǎn)。根據(jù)目前的觀測(cè)結(jié)果，可觀測(cè)宇宙的直徑約為 930 億光年（這是因?yàn)橛钪嬖谂蛎洠捎^測(cè)宇宙的邊界并非簡(jiǎn)單的 “光速 × 宇宙年齡”，而是考慮了宇宙膨脹的因素）。但可觀測(cè)宇宙之外的區(qū)域是什么樣子？宇宙整體是有限的還是無限的？這些問題仍然沒有明確的答案。

天文學(xué)家們普遍認(rèn)為，可觀測(cè)宇宙之外的區(qū)域很可能與可觀測(cè)宇宙內(nèi)部相似，同樣分布著大量的星系和恒星。

如果宇宙整體是無限的，那么恒星的數(shù)量也是無限的，但由于宇宙有一個(gè)開端（約 138 億年），且正在膨脹，我們只能觀測(cè)到可觀測(cè)宇宙內(nèi)部的恒星，這些恒星的數(shù)量是有限的（約 10^22 顆），無法填滿夜空。即使宇宙整體是無限的，無限的恒星也無法讓夜空變得明亮，因?yàn)閬碜赃b遠(yuǎn)恒星的光還未到達(dá)地球，或者由于宇宙膨脹而永遠(yuǎn)無法到達(dá)地球。

此外，可觀測(cè)宇宙的邊界并非固定不變的。隨著宇宙的膨脹，可觀測(cè)宇宙的邊界正在以超光速向外擴(kuò)張，但由于宇宙膨脹的速度也在加快（這一現(xiàn)象被稱為 “宇宙加速膨脹”，歸因于暗能量的作用），越來越多的遙遠(yuǎn)星系將以超過光速的速度遠(yuǎn)離地球，它們的光將永遠(yuǎn)無法到達(dá)地球。因此，即使宇宙的年齡無限增長(zhǎng)，可觀測(cè)宇宙的范圍也不會(huì)無限擴(kuò)大，我們能夠觀測(cè)到的恒星數(shù)量依然是有限的。這一結(jié)論進(jìn)一步鞏固了宇宙大爆炸理論對(duì)奧爾伯斯悖論的解釋。

盡管宇宙膨脹是解釋奧爾伯斯悖論的核心因素，但天文學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，還有其他多種因素共同作用，導(dǎo)致了夜空的黑暗。這些因素包括星際介質(zhì)的遮擋、恒星的有限壽命、暗物質(zhì)和暗能量的影響等。

宇宙并非絕對(duì)真空，而是充斥著大量的星際介質(zhì)，包括氣體、塵埃、星云等。這些星際介質(zhì)會(huì)對(duì)星光產(chǎn)生吸收、散射和阻擋作用，就像一層 “宇宙濾鏡”，讓我們無法看到遙遠(yuǎn)恒星的光芒。

在銀河系內(nèi)部，星際塵埃的分布非常廣泛。

銀河系的直徑約為 20 萬光年，厚度約為 1000 光年，其中分布著大量的塵埃云。這些塵埃云主要由硅酸鹽、碳化物等物質(zhì)組成，顆粒直徑通常在 0.1 微米至 1 微米之間。當(dāng)星光穿過塵埃云時(shí)，會(huì)被塵埃顆粒吸收或散射，導(dǎo)致亮度衰減。對(duì)于銀河系中心方向的恒星，由于塵埃的遮擋，我們用肉眼幾乎無法觀測(cè)到，只能借助紅外線或射電望遠(yuǎn)鏡才能穿透塵埃云，看到銀河系中心的景象。

除了銀河系內(nèi)部的塵埃，星系際空間中也存在著大量的氣體和塵埃。這些星系際介質(zhì)的密度雖然遠(yuǎn)低于銀河系內(nèi)部，但由于距離極其遙遠(yuǎn)（數(shù)百萬至數(shù)十億光年），星光在穿越星系際介質(zhì)時(shí)，依然會(huì)受到顯著的衰減。例如，哈勃太空望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到的遙遠(yuǎn)星系，其亮度往往比理論值低，這就是由于星系際介質(zhì)的遮擋作用。

需要注意的是，星際介質(zhì)的遮擋作用與 18 世紀(jì)洛伊施納提出的 “塵埃吸收假說” 并不完全相同。洛伊施納認(rèn)為塵埃會(huì)完全吸收星光，從而導(dǎo)致夜空黑暗，但實(shí)際上，塵埃在吸收星光的同時(shí)，也會(huì)被加熱，產(chǎn)生熱輻射。不過，由于星際介質(zhì)的溫度極低（通常在 10K 至 100K 之間），其熱輻射主要集中在紅外線和微波波段，而非可見光波段。因此，星際介質(zhì)雖然無法完全阻擋星光，但會(huì)將可見光轉(zhuǎn)化為不可見的紅外線和微波，從而減少了夜空的可見光亮度，讓夜空呈現(xiàn)黑暗。