?繁星點(diǎn)點(diǎn)的夜空羅訥河（Starry Night Sky Rhone River）by 梵高。

撰文 | 李    然（國家天文臺）

責(zé)編 | 呂浩然

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為什么夜空是黑色的？《天問專欄》將這個問題交給我時(shí)，阿西莫夫（美國著名科幻作家）的科幻小說《日暮》在我的腦海中一閃而過。在《日暮》虛擬的世界中，星球拉蓋什身處一個具有6個太陽的天體系統(tǒng)中。在大多數(shù)時(shí)候，蓋拉什的天空至少都有兩個太陽照耀著大地，黑夜在這個星球上只是傳說。

然而，每過2050年，六個太陽會形成一次特殊的構(gòu)型：五個太陽位于星球的一側(cè)，而在星球的另一側(cè)，拉蓋什的月亮將會運(yùn)行到二號太陽和星球之間，在大地上形成一次漫長的日食。在小說的最后，太陽被黑暗吞噬，星光顯現(xiàn)，夜幕降臨，整個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）由美國著名科幻作家阿西莫夫所著。

相比于拉蓋什人，地球人在對宇宙的探索方面要幸運(yùn)得多。當(dāng)太陽落下地平線，暗夜降臨，星球上的每個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，在篝火的照耀下，人類就已經(jīng)慢慢地學(xué)會了與黑暗和平共處，看著星光給孩子們編織宇宙的故事。不同的文明都經(jīng)歷過這種用想象力編織宇宙物語的過程。

在開始的時(shí)候，人類的故事傾向于認(rèn)為世間萬物都由更高級的存在——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，他們開始意識到，世間的萬物也許并非都是神明的提線木偶；也許萬物并非都是神明創(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，無需祭祀也可以人為地治愈；而太陽和月亮的交替、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。夜空中的星星應(yīng)該都是和太陽差不多的天體，只不過由于它們距離太遠(yuǎn)了，才顯得如此的暗淡?；莞?span>（Christiaan Huyg(h)ens，1629 - 1695）也許是第一個用科學(xué)方法估計(jì)恒星距離的人。他在一個紙板上鉆了一系列大小不同的孔，然后將這個紙板安裝在望遠(yuǎn)鏡的鏡面上，再用這個望遠(yuǎn)鏡來觀察太陽。

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的三萬分之一的時(shí)候，透過小孔的亮度就和夜晚最亮的天狼星一樣明亮。這意味著，太陽的目視亮度是天狼星的3萬×3萬=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。如果一個天體的距離是太陽距離的10倍，它的目視亮度只有太陽的1/100。惠更斯據(jù)此推算，如果天狼星和太陽同樣明亮，那么天狼星應(yīng)該距離地球3萬倍的日地距離（實(shí)際上天狼星的絕對亮度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于太陽，所以實(shí)際距離更遠(yuǎn)）。

全天（整個天空）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)鏡則讓人類看到了更多夜幕中的暗淡恒星，人類也開始意識到星辰大海的浩瀚。隨著對恒星世界的認(rèn)識，太陽在宇宙中的地位開始退縮。學(xué)者們意識到地球不是世界的中心，太陽也不是。太陽的王國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》一書中，清晰地為宇宙下了一個定義：宇宙應(yīng)該是向各個方向伸展的，均勻的空間。而牛頓認(rèn)為宇宙的尺度應(yīng)該是無限的。 

站在宇宙的角度上思考問題，我們會發(fā)現(xiàn)“夜空為什么是黑色的？”其實(shí)并不是一個容易回答的問題。如果恒星在宇宙空間中均勻的分布，那么無限延伸的宇宙空間中就包含著無限多的恒星。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？我們可以用簡單的積分來計(jì)算地球接收到的來自所有恒星的光能總量，但這個積分的結(jié)果是發(fā)散的（即無限大）。也就是說，無限的恒星會理應(yīng)給地球上帶來無限的光輝，地球原本不應(yīng)該存在黑夜。甚至宇宙中的任何一個星球上都不應(yīng)該有黑夜的存在。

這個詰問在歷史上曾經(jīng)被多位天文學(xué)家提出，其中包括偉大的開普勒（Johannes Kepler，1571 - 1630）。今天，這個問題被廣泛的稱作奧伯斯佯謬（Olbers' paradox），得名于一位德國天文學(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)宇宙觀無法自洽的處理無限宇宙的問題。

?圖2：德國天文學(xué)家Heinrich Wilhelm Olbers，圖片來源：Wikipedia。

不過直到二十世紀(jì)，這個問題并沒有十分困擾天文學(xué)家。因?yàn)閺挠^測上看，彼時(shí)尚沒有充分的證據(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系統(tǒng)——銀河系。在銀河系之外也許仍然有無限的空間，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。人類第一次確認(rèn)，在夜幕中那些一個個旋渦狀的發(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，無限宇宙的問題又一次嚴(yán)肅地?cái)[在了研究者面前。不過這一次，理論家的工具已經(jīng)從牛頓的萬有引力理論升級到愛因斯坦的廣義相對論。在相對論的體系下，奧伯斯佯謬有兩種不同的解決方案。

愛因斯坦自己構(gòu)造了第一種方案：他假設(shè)廣義相對論方程中存在一個宇宙學(xué)常數(shù)，構(gòu)造出了一個穩(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“威脅”到地球的夜空。

但好景不長，哈勃在1929年發(fā)現(xiàn)了星系的紅移-距離關(guān)系：距離我們越遠(yuǎn)的星系會以越快的速度遠(yuǎn)離我們。這個現(xiàn)象，很快被解讀為宇宙空間的膨脹。這給了愛因斯坦的靜態(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)出一個不平凡的結(jié)論：宇宙必然有一個開端。因?yàn)橛钪孀蛉毡囟ū冉裉烀芏纫?，而前天密度則會更高一些。如果我們逆著時(shí)間的流逝回溯過去，我們可以觀察到宇宙變得越來越致密，直到今天我們在宇宙中看到的一切結(jié)構(gòu)都無法存在。

當(dāng)我們回溯到宇宙的極早期，宇宙的密度會高過原子，甚至是原子核。另一方面，光子在膨脹的宇宙中旅行，會損失能量，發(fā)生紅移（波長增大）。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，我們會發(fā)現(xiàn)終有一個時(shí)刻，宇宙中光子的能量會變得非常高，以至于今天宇宙中存在的一切實(shí)物粒子都會被光子擊碎。我們甚至沒有一個完整的物理理論可以描述宇宙這個高溫狀態(tài)下的行為。我們今天一般將這個時(shí)刻定義為宇宙的開端，那時(shí)距今138億年。

宇宙的年齡有限，意味著我們無法觀測到無限的宇宙。換句話說，即使宇宙真的無邊無際，但因?yàn)檫b遠(yuǎn)宇宙中的星光還來不及傳遞到地球上，地球今天能夠接受到的星光總是來自于有限的恒星。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，這會進(jìn)一步降低地球上接收到的光能。

不過，正如我們在前面討論的，在宇宙早期有一段時(shí)間，宇宙中充滿了高能量的光子，整個宇宙極為明亮。在那個時(shí)刻，宇宙中確實(shí)不存在夜晚這個概念。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。如果人類的眼睛可以接收微波信號，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，在任何一個視角，隨著觀測距離的增加，恒星在一個空間薄層里的數(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。如果將無限宇宙中所有恒星的貢獻(xiàn)加起來，那么觀測者接收到的光能回趨于無窮大。圖片來源：文獻(xiàn)[1]。

如果人類的視力可以變得任意好, 那么夜空看起來會是什么樣子呢？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1萬億的星系。差不多向天上任何一個方向看過去，都會有80%的可能性看到一個超過一百萬太陽質(zhì)量的星系。不過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)都太過暗淡。

?圖4. 哈勃超級深場照相，圖片來源：文獻(xiàn)[3]。

2014年，哈勃空間望遠(yuǎn)鏡對著天上一塊看上去空無一物的區(qū)域曝光了一百萬秒，結(jié)果2億個星系從虛空中浮現(xiàn)出來，猶如璀璨的寶石箱（圖4）。這張照片只拍攝了月球視覺面積的大約百分之一的天空，但大概是人類有史以來最激動人心的照片之一。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個星系的顏色疊加了起來。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，圖片來源：文獻(xiàn)[5]。

太陽落山，黑夜降臨，群星閃耀。從遠(yuǎn)古時(shí)代開始，人類日復(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，夜空顏色這一簡單的問題，實(shí)際上卻和宇宙的本性有著深刻的聯(lián)系。對我而言，這正是天文學(xué)研究最令人著迷的地方。