夜晚的天空是黑的原因

　　天空的顏色(也就是大氣層的顏色)實(shí)際上是光譜中藍(lán)色周?chē)暮铣深伾覀兎Q(chēng)之為“蔚藍(lán)”。如果沒(méi)有大氣層我們看見(jiàn)的太陽(yáng)就是在漆黑的太空背景中一個(gè)非常耀眼的大火球，空間站的宇航員就能看到這樣的景象，因?yàn)樘?yáng)光透過(guò)大氣層失去了大部分光譜中的藍(lán)色區(qū)域，我們透過(guò)大氣層看太陽(yáng)往往是黃顏色的。那么為什么夜晚的天空是黑的?

夜晚的天空

　　夜晚的天空是黑的原因

　　自古以來(lái)，人們就不斷地對(duì)宇宙進(jìn)行種種猜測(cè)。古代的人們?cè)?jīng)認(rèn)為星星是鑲嵌在一個(gè)透明球面上的。中國(guó)最古老的宇宙結(jié)構(gòu)學(xué)說(shuō)蓋天說(shuō)的基本觀點(diǎn)是天圓地方。托勒政的地心宇宙體系和哥白尼的日心地動(dòng)宇宙體系中都包括恒星天球的內(nèi)容。中世紀(jì)的思想家尼古拉認(rèn)為宇宙是無(wú)限的。牛頓把空間和時(shí)間的無(wú)限性作為他的理論的基本原理。他還推斷：星星的數(shù)目必定是無(wú)限的，而且相當(dāng)均勻地分布在空間。觀測(cè)上，英國(guó)著名的天文學(xué)家威廉·赫歇耳和約翰·赫歇耳父子宣布,至少某些可觀測(cè)星云是與銀河系具有相同尺度和結(jié)構(gòu)的由分立的恒星組成的系統(tǒng)。這些星系居于整個(gè)宇宙之中。

　　19世紀(jì)天文學(xué)家普遍認(rèn)為可觀測(cè)宇宙必須是靜態(tài)、無(wú)限的和均勻的。而對(duì)靜態(tài)、無(wú)限、均勻的宇宙的一個(gè)著名反對(duì)意見(jiàn)即夜黑問(wèn)題，也稱(chēng)奧伯斯佯謬。這個(gè)佯謬是說(shuō), 若恒星發(fā)出的光不變且都相同，而空間又是歐幾里得的(平直的)，則在此種宇宙中整個(gè)天空的亮度看起來(lái)是均勻的，且與太陽(yáng)一般亮。

　　因?yàn)闊o(wú)論從哪一個(gè)方向觀看天空，視線(xiàn)都會(huì)碰到一個(gè)星星。這一點(diǎn)可以用一個(gè)簡(jiǎn)單的幾何論證說(shuō)明：現(xiàn)考慮進(jìn)入人眼的一束細(xì)長(zhǎng)的錐形光線(xiàn)。雖然恒星表面的視亮度與距離平方成反比，但錐體的截面積(或恒星的數(shù)目)隨距離平方而增加，則集中在錐體內(nèi)的光與它從什么地方發(fā)出沒(méi)有關(guān)系，因而整個(gè)天空就要亮得像太陽(yáng)一樣，實(shí)際上夜空卻是黑的。

　　如何才能消除觀測(cè)與理論之間的矛盾呢?

　　奧伯斯的推導(dǎo)基于以下的宇宙學(xué)觀點(diǎn)：

　　1.宇宙物質(zhì)是均勻分布的。

　　2.宇宙是靜態(tài)的。

　　3.宇宙是無(wú)限的。

　　4.宇宙存在的時(shí)間已經(jīng)無(wú)限長(zhǎng)。為了避免夜晚的天空像太陽(yáng)那么亮的結(jié)論，我們必須重新考察上述觀點(diǎn)。一個(gè)平均密度隨觀測(cè)距離的增大而減小，并以零為極限的等級(jí)式宇宙模型可以消除佯謬，但要付出失去均勻性的代價(jià)。但迄今為止的觀測(cè)結(jié)果是：宇宙物質(zhì)在_空間內(nèi)的分布是均勻和各向同性的。這個(gè)觀點(diǎn)稱(chēng)為宇宙學(xué)原理，是現(xiàn)代宇宙學(xué)理論所必須依據(jù)的公理。上述第一點(diǎn)符合宇宙學(xué)原理，應(yīng)予保留。這樣等級(jí)式宇宙模型應(yīng)該放棄。

　　由于奧伯斯假定恒星發(fā)光不變，這一點(diǎn)今天看來(lái)最成問(wèn)題。如果假定恒星并不是永遠(yuǎn)那么亮，而是在有限的過(guò)去才開(kāi)始發(fā)光，由于遠(yuǎn)處恒星的光線(xiàn)尚未到達(dá)我們這兒，這也可以避免整個(gè)天空像太陽(yáng)那么亮的結(jié)論。這使我們面臨著是什么? 首次是使恒星發(fā)光的問(wèn)題。如此看來(lái)一個(gè)具有有限過(guò)去的宇宙可避免奧伯斯佯謬。此時(shí)宇宙在時(shí)間上有個(gè)開(kāi)端。另外一個(gè)有足夠大膨脹速率的宇宙也能避免奧伯斯佯謬，即使它具有無(wú)限的過(guò)去。因?yàn)楦鶕?jù)量子理論的觀點(diǎn)，光子的能量正比與其頻率。遠(yuǎn)距離高速追行光源的光線(xiàn) 將產(chǎn)生非常大的紅光，因而其能量將相應(yīng)減小，使其總和保持有限，甚至可忽略不計(jì)。由于觀測(cè)上尚無(wú)放棄宇宙學(xué)原理的理由，第一條觀點(diǎn)應(yīng)該接受，而第二、第四條應(yīng)該重新考慮。

　　20世紀(jì)初，愛(ài)因斯坦創(chuàng)立了廣義相對(duì)論，這就為研究宇宙的整體結(jié)構(gòu)提供了理論基礎(chǔ)。宇宙的整體性質(zhì)由引力場(chǎng)方程決定。荷蘭物理學(xué)家德西特首先獲得了引力場(chǎng)方程的一個(gè)宇宙解，但它是動(dòng)態(tài)的而不可能是靜態(tài)的：宇宙要么是膨脹的，要么是收縮的。觀測(cè)上，哈勃發(fā)現(xiàn)河外星系的視向退行速度與距離成正比，即距離越遠(yuǎn)，視向速度越大。這說(shuō)明宇宙空間中任意兩個(gè)星系間的距離都在增大，宇宙在膨脹。

　　如果一個(gè)膨脹的宇宙沿時(shí)間反溯回去將會(huì)達(dá)到一個(gè)原始的超密態(tài)，也就是宇宙于過(guò)去某一時(shí)刻創(chuàng)生于一次原初物質(zhì)的大爆炸過(guò)程。這就是大爆炸宇宙學(xué)的宇宙模型。為了理論預(yù)言和實(shí)驗(yàn)觀測(cè)相一致，宇宙在極早期曾經(jīng)歷一個(gè)暴脹階段。顯然一個(gè)具有有限過(guò)去而正在膨脹的大爆炸宇宙模型能避免奧伯斯佯謬。還有一個(gè)具有無(wú)限過(guò)去的穩(wěn)恒態(tài)宇宙模型，它雖能消除佯謬，但卻要破壞能量守恒且不能解釋宇宙微波背景輻射等，已經(jīng)不再為人們所接受。綜上所述，現(xiàn)在觀測(cè)到的宇宙在膨脹，這是科學(xué)界公認(rèn)的。經(jīng)歷一個(gè)暴脹階段的大爆炸宇宙學(xué)模型是一個(gè)成功的模型，其理論預(yù)言與實(shí)驗(yàn)觀測(cè)十分吻合。顯然這是一個(gè)動(dòng)態(tài)的宇宙學(xué)模型，且宇宙在時(shí)間上可能有一個(gè)開(kāi)端。這樣看來(lái)，對(duì)于一個(gè)均勻、靜態(tài)、無(wú)限的經(jīng)典宇宙學(xué)模型，其第二、第四條觀點(diǎn)不成立。如果放棄這兩條，也就自然不會(huì)得出夜晚的天空像太陽(yáng)那么亮的荒謬結(jié)論。