為了搞清楚夜晚的天空為什么是黑的，科學(xué)家們有多拼？

有白天就有黑夜，沒人會(huì)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?yàn)樘柭渖搅恕５牵嬲拇鸢覆]有這么簡(jiǎn)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(xué)家們有多拼這個(gè)話題。

為什么要聊這樣一個(gè)話題？因?yàn)?strong>黑夜能告訴你關(guān)于宇宙的信息要遠(yuǎn)比白天多。當(dāng)人類把目光投向宇宙，可能最關(guān)心的問題就是這個(gè)宇宙是有限的還是無限的呢？第一個(gè)用科學(xué)方法來論證這個(gè)問題的人是德國天文學(xué)家約翰尼斯?開普勒。

他認(rèn)為，如果宇宙是無限的，那么亙古以來，宇宙會(huì)出現(xiàn)無數(shù)顆恒星發(fā)射的光芒，我們看到的天空底色應(yīng)該是無比明亮的。但事實(shí)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(shí)是一個(gè)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(xué)的態(tài)度。）

開普勒

物理學(xué)一個(gè)讓人信服的地方就是可以對(duì)物質(zhì)和運(yùn)動(dòng)進(jìn)行定量計(jì)算，對(duì)于宇宙有限還是無限這個(gè)問題，物理學(xué)家們當(dāng)然也要去發(fā)揮一下他們的特長(zhǎng)。第一個(gè)嘗試對(duì)宇宙進(jìn)行定量計(jì)算的是18世紀(jì)的英國科學(xué)家埃德蒙?哈雷。

1720年，哈雷以宇宙無限假設(shè)且恒星在宇宙中均勻分布為前提，計(jì)算了這個(gè)假設(shè)宇宙中所有恒星所發(fā)出的亮度。他以地球?yàn)橹行模延钪娣指顬橐粚訉拥耐那驓ぁ＿@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(shù)量的乘積并不受距離的影響。換句話說，距離變遠(yuǎn)導(dǎo)致的恒星亮度減弱，抵消了由于半徑增加，容納恒星數(shù)量更多帶來的亮度增加。所以，所有球殼內(nèi)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(shè)。我們看到，這個(gè)結(jié)論，與事實(shí)上我們看到的夜是黑的相矛盾，由此假設(shè)錯(cuò)誤，因此宇宙是有限的。（邏輯學(xué)上，這叫做反證法）由此可見，開普勒實(shí)在是太聰明了。

膨脹的宇宙

但哈雷自己不這么認(rèn)為，他認(rèn)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(shù)量增加造成的亮度增加快。這樣的解釋，就保證了哈雷的計(jì)算結(jié)果與觀測(cè)事實(shí)一致，并且保留了宇宙無限這個(gè)假設(shè)。

還有沒有其它可能呢？如果宇宙的光亮總和是無限的，是因?yàn)橛幸环N介質(zhì)吸收了恒星的光，才導(dǎo)致地球夜晚的黑暗呢？另一個(gè)英國天文學(xué)家約翰?赫謝爾（179--1871）否定了這個(gè)觀點(diǎn)，他認(rèn)為：如果星際介質(zhì)吸收了恒星的光，就一定會(huì)升溫，那么這個(gè)介質(zhì)就會(huì)發(fā)亮。到此，無限光亮假設(shè)被推翻。

很顯然，關(guān)于宇宙無限的假設(shè)到此仍然與黑夜的真實(shí)存在構(gòu)成明顯的理論矛盾。

1823年，德國天文學(xué)家海因里?奧博斯基于無限宇宙假設(shè)提出了另外一種觀點(diǎn)，近地恒星可能會(huì)遮住距離遙遠(yuǎn)的恒星。因此，并不是無數(shù)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(shè)恒星體積都與太陽相同，奧博斯算出這個(gè)極限距離為1022光年。現(xiàn)在，宇宙是不是無限，已經(jīng)對(duì)于為什么夜是黑色的沒有影響了，因?yàn)槿绻冗@個(gè)視覺極限距離更大，那么天空應(yīng)該和一顆恒星表面的亮度一樣。

1861年，德國天文學(xué)家約翰?馮?馬德勒提出，由于光速是有限的（1676年，丹麥天文學(xué)家羅默通過觀察木星的衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)得出的結(jié)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(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)運(yùn)動(dòng)的距離。

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

這與進(jìn)化論的創(chuàng)造者達(dá)爾文依據(jù)地質(zhì)學(xué)和博物學(xué)測(cè)算的地球壽命大相徑庭，產(chǎn)生了明顯的矛盾。

達(dá)爾文

隨著科學(xué)的發(fā)展，特別是量子力學(xué)的出現(xiàn)，在上個(gè)世紀(jì)20年代，法國物理學(xué)家讓?佩蘭和英國物理學(xué)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(xué)家漢斯?貝特用熱核聚變反應(yīng)解釋了太陽發(fā)光的原理。

貝特的計(jì)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?yàn)樗牧炼雀撸暮四艿乃俣群退w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?yàn)樗鼈兊墓膺€沒有傳播到地球，這就使得我們可以看到的恒星數(shù)量明顯減少。

核聚變

現(xiàn)在把貝特的計(jì)算結(jié)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(shè)恒星均勻分布在宇宙中這個(gè)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(dāng)觀察半徑為10^10光年時(shí)，天空的亮度則為黑色。

簡(jiǎn)單說來，夜空之所以是黑色的，是因?yàn)槲覀冎荒芸吹骄嚯x我們足夠近的恒星，更遠(yuǎn)球殼的光傳播到地球的時(shí)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(gè)同時(shí)存在的因素，才導(dǎo)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(duì)宇宙光線的感知。

宇宙微波背景輻射

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

相似的靈魂總會(huì)相遇，我是@郭哥聊科學(xué)，喜歡科學(xué)話題的小伙伴點(diǎn)下關(guān)注吧，我將持續(xù)為您提供高質(zhì)量的科普文章。