宇宙为什么一片漆黑？
2022/10/24 17:00:00 中国科普博览
夜晚的天空为什么是黑的？很多人会回答“因为没有太阳”。的确，正因为有时能被阳光照射，而有时不能被阳光照射，我们生活的地球才有了昼夜之分。
不过，宇宙中存在无数个像太阳那样可以自己发光的星体，那么，地球为什么不会被这些星体发出的光照亮，而不再有昼夜之分呢？这个难题就是著名的“奥伯斯佯谬”，它曾困扰了科学家长达数个世纪之久。
宇宙看上去漆黑一片的原因之一在于，宇宙是什么都没有的“真空”。只有当光线射入眼睛后，我们才能感受到光的明亮。如果光只是从眼前穿过，我们并不能感受到光。白天天空会变亮是因为太阳发出的光与大气中的气体分子或尘埃等发生碰撞而散射到四面八方，最后进入了我们眼中。
在几乎没有大气层的宇宙空间里，光不发生散射，因此即便有阳光照射，但只要光线不照入我们眼中，周围看上去就是漆黑一片。在几乎没有大气层的月球，无论是白天还是黑夜，天空都是黑的。
我们之所以看到光，是因为光发生了散射
但是，仅靠上面的理由，并不能充分解释宇宙为什么一片漆黑。
实际上，直到大约100年前，科学家还普遍认为宇宙应该是明亮的。科学家们曾猜测，宇宙可能无限大，星体数量也无限多且均匀分布在整个宇宙中。如果宇宙中存在无数颗星体，在我们的视线前方必定存在发光的明亮星体(恒星)。也就是说，无论朝哪个方向看，宇宙里都应该是一个遍布闪亮繁星的明亮世界，而实际的夜空却是一片漆黑，其亮度只有假设宇宙中遍布繁星时的10万亿分之1左右。
奥伯斯本人对于这一矛盾给出的解释是“宇宙中漂浮着某种不透明的东西，它们或许遮挡住了星体发出的光”。
但是光被遮挡住，真的会改变宇宙的亮度吗？
宇宙空间里有极其稀薄的气体以及被称为“宇宙尘埃”的微小颗粒，这些物质统称为“星际物质”。星际物质密度大的区域，确实会遮挡住其背后的星体发出的光。
不过，假设星际物质真的把无数颗星体发出的光全部遮住了，但星际物质本身也会被这些光加热，最终发出与背后的天体亮度相同的光。因此，黑暗星云也就不再黑暗了。
众所周知，现在的宇宙其实是非常稀薄的，尽管其中确实存在一部分不透明区域，但也可以说宇宙几乎是透明的。因此，就算考虑到星际物质的存在，也无法解释奥伯斯佯谬。
图片是星际物质密度大的区域(黑暗星云)遮挡背后恒星光芒的示意图。然而，研究认为，即便像奥伯斯所假设的那样，光被星际物质遮挡住了，宇宙也不应该是黑暗的。因为光吸收了星际物质会很快升温，像太阳那样发出明亮的光。
科学家们也一直因这一矛盾(奥伯斯佯谬)而困惑不已，并提出了许多理论试图解释这一现象。
1907年，爱尔兰物理学家福尼尔·达尔贝提出“宇宙之所以黑暗是因为星体全部都分布在一条直线上”。他认为，就算星体数量无限多，但如果它们全都分布在一条直线上，那么只有离地球最近的星体发出的光才能抵达地球，所以夜空看上去应该是黑暗的。
在19世纪后半叶以前，科学家一直认为光是在遍布整个空间的“以太”(一种介质)中传播的。因此，加拿大天文学家西蒙·纽康(1835～1909)又提出一种观点：如果宇宙中存在没有以太的区域，光就无法抵达地球。
进入20世纪后，研究发现宇宙在不断膨胀，而且星体发出的光的波长在抵达地球之前随着空间的膨胀而被拉长了(红移现象)。当天体距离地球非常遥远时，即使天体发出人眼能看到的光(可见光)，但在其抵达地球时，也会因红移而变成人眼看不到的红外线或射电波。奥地利宇宙物理学家邦迪在1952年提出，遥远星体发出的光因红移而变得不可见，所以宇宙是黑暗的。
这些解释在今天看来无疑是“异想天开“。
实际上，奥伯斯佯谬的最合理解释是绝对温度单位的命名人——开尔文(原名威廉·汤姆孙)于1901年首次提出的。根据实际夜空的亮度、星体的分布密度以及任何星体都有寿命等信息，开尔文描绘了一个非常接近于现代宇宙论的宇宙图像——远古宇宙曾经有过不存在任何星体的时代，而且从地球能够观测到的宇宙范围是有限的。此外，开尔文认为，就算宇宙中有无数个星体，但由于每个星体的寿命都是有限的，且可观测到的宇宙范围也是有限的，所以宇宙看上去才是黑暗的。
不过，开尔文的解释在当时并未引起人们的关注。在奥伯斯生活的年代里，人们认为宇宙既无开端也无终点，夜空中闪烁的繁星自古以来就是光亮的。在这样的宇宙里，无论星体距离地球多么遥远，它们发出的光都应该能够抵达地球。
直到后来，科学家才发现实际情况并非如此。1929年，美国天文学家爱德文·哈勃(1889～1953)发现了宇宙正在不断膨胀的证据。如果时间能够倒流，宇宙在膨胀的现象也意味着远古宇宙始于一点。也就是说，宇宙是有“开端”的。
现在，我们知道宇宙诞生于大约138亿年前。我们看到的只是在宇宙138亿年漫长历史中，人类能够观测到的范围(光抵达的范围)内的天体发出的光。认为“人类能够观测到的宇宙范围是有限的”这一观点与开尔文想象的宇宙几乎相同。
本图描绘的是在某一方向上，星体发出的光没有抵达现在的地球。
研究认为，在人类可观测范围之外(自宇宙诞生以来，星体发出的光尚未抵达地球的区域)也存在广阔的宇宙空间。不过，来自这些空间的光到现在为止也没有抵达地球，所以我们无法看到它们。
此外，太阳等自身发光的恒星并不是永远都能那么明亮。任何恒星都不可能永生，从某一刻开始发光，总有一天会燃尽能量而走向死亡。假如现在这一瞬间在距离地球100光年远的地方诞生了一颗新星，我们也无法在100年后观测到它发出的光。
科学家在充分考虑到这些因素的基础上，对宇宙亮度进行了计算，结果很好地解释了宇宙的实际亮度。
如今人们所认知的宇宙，是在破解奥伯斯佯谬等各种宇宙之谜的基础上才逐渐建立的。前面所介绍的那些异想天开的“解释”也可以说是为了进一步深入讨论而不可或缺的过程。现代宇宙论中依然存在暗物质、暗能量等众多未解之谜。未来，这些未解之谜或许又将改变我们的宇宙观。
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