如果星星是无限多的那么夜空为什么是暗的「如果星星是无限多的那么夜空为什么是暗的」

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19 世纪的天文学家，如海因里希·奥伯斯（ Heinrich Olbers ）曾为一个难以理解的宇宙学佯谬而困惑不解。这个佯谬涉及一个简单却又十分重要的问题：夜空为什么是黑暗的？初看起来这个问题似乎不值一提。夜空之所以里黑色是因为恒星离我们很远，光线又很弱。然而，要是空间无限，就会有无限多颗恒星。无限多颗暗弱的恒星可以迭加产生大量的光芒。

假设有无限颗恒星，它们没有变化，而且大体呈空间均匀分布，那么要计算这些恒星所产生的累积星光强度并不困难。恒星的亮度与距离的平方成反比。这意味着距离增大一倍，星光减弱为四分之一；距离增大 3 倍，亮度减小为九分之一，依次类推。另一方面，给定距离越远，你看到的恒星数目就越多。事实上，简单的几何学就可以证明这一点。譬如说，200 光年远处的恒星数是 100 光年远处恒星数的 4 倍，而 300 光年远的恒星数则是后者的 9 倍。因此，恒星数按距离的平方增加，而亮度则按距离的平方减少。这样，两个因素相互抵消，便引出一个简单的结果：来自给定距离上所有恒星的累积星光强度全都一样，与距离远近无关。

200 光年远恒星的总亮度与100 光年远恒星的总亮度是相同的。当我们把各种距离上全部恒星的光累加时，问题就来了。如果宇宙没有边界，地球上所接收到的总的星光量好像是无限的。夜空根本不会是黑的，而应当是无限地亮。

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要是考虑到恒星实际上有一定的大小，情况会稍有改善。虽然肉眼看来恒星都是一些光点，但实际上都是些球体。离地球越远，恒星的视直径越小。如果两颗恒星位于相同的视线上，则近的一颗便会遮住较远的那颗。在一个无限宇宙中，这种情况会出现无限多次。考虑到这一点，前面计算的结论就变了，到达地球上的光通量不再是无限大，而只是很大而已。事实上，这等价于把太阳圆面充满整个天空。这种情况相当于把地球放在离太阳表面一百万公里的地方一样。这实在是个十分不好适的地点！地球会很快被酷热所汽化。

一个无限宇宙应当是一个宇宙熔炉这个结论，实际上是前面讨论过的热力学问题的另一种表现形式。恒星把热量和光辐射倾注入太空，这种辐射慢慢地在真空中堆积起来。

假如恒星可以一直燃烧下去，那么这种辐射看来必定会达到无限大的强度。但有些辐射在太空中旅行时，会因碰到其他恒星而被再吸收（注意这等价于近距恒星遮挡住远距恒星的星光）。因此，一旦建立起某种平衡，辐射的强度便不再上升，这时发射率正好同吸收率相平衡。当空间中辐射达到恒星温度（几千开）时，就会出现这种情况，即处于热动平衡状态。因此，整个宇宙应当充满温度为几千开的热辐射，夜晚的天空应当在这个温度上发光发热，而不是漆黑一片。

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奥伯斯提出了解决这个问题的一种方法。他注意到宇宙中存在大量的尘埃，指出这种物质会吸收大部分的星光，因而天空就变黑了。遗憾的是，他的思想虽然富于想象力，然而从根本上说是不能成立的。这种尘埃最终也会热起来，并开始发光发热，其强度与它们吸收的辐射强度相同。

另一种可能的解决办法是放弃宇宙空间上无限的观念。假定恒星很多，但数量有限，这样宇宙便由一个巨大的恒星集团组成，四周为无限的黑暗真空所包围。于是，大部分星光会通过流往外部空间而损失掉。

可惜，这个简单的解答也有致命的缺陷。对于这一点，事实上在 17 世纪艾萨克·牛顿( Issac Newton )就已很熟悉了。问题涉及到引力的本质。每颗恒星通过引力作用吸引其他所有恒星，这样，在这个集团中所有恒星会一起向引力中心跌落、集聚。因此，如果宇宙有一个确定的中心和边界，它似乎一定会自行向内坍缩。一个无支撑的、有限而静止的宇宙是不稳定的，不能阻止引力坍缩。

牛顿想了一个巧妙的方法来回避困难，其推理方式如下：宇宙会向它的引力中心坍缩，仅仅是因为假定它有一个引力中心。如果宇宙既是无限延伸的，而平均来说恒星又处于均匀分布，那么宇宙将既无中心也无边界。某颗恒星会受到它周围许多相邻恒星来自四面八方的引力作用，这情况就好比一场巨大的、四周全是绳子的拔河游戏。平均说来，所有的拉力会彼此抵消，结果恒星保持不动。

因此，如果我们接受牛顿关于坍缩宇宙佯谬的解答，我们就会再次退回到一个无限的宇宙，出现奥伯斯佯谬的问题。看来我们必然面临进退维谷的两难境地。但是，利用以后的认识，我们可以在进退两难的夹缝中找到一条出路。

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错的并不是假定宇宙在空间上无限，而是假定它在时间上无限。火焰般天空的佯谬是由于天文学家假定宇宙不变而产生的，即假定恒星是静止的，并以相同的强度永恒燃烧。但是，现在我们知道，这两个假定都是错误的。首先，宇宙不是静止的，而是在不断膨胀。其次，恒星不能永恒燃烧，尽管它们在用完燃料后还会长久存在。它们现在正在燃烧的事实意味着宇宙必定诞生于过去某个确定的时刻。

如果宇宙年龄有限，奥伯斯佯谬马上可以解决。为了说明这一点，不妨考虑一颗非常遥远的恒星。因为光以有限的速度（每秒 30 万公里）穿越空间，我们看不到今天的这颗恒星，看到的只是光离开它时的星象。例如，亮星参宿四位于约 650 光年处，所以现在我们看到的其实是大约 650 年前的星象。如果宇宙诞生于 100 亿年以前，那么我们不可能看到任何离地球距离远于 100 亿光年的恒星。宇宙在空间范围上也许是无限的，不过要是它的年龄有限，那么在任何情况下，我们都不能看到某个有限距离以外的东西。因此，有限年龄而无限数目的恒星所累积的星光应是有限的，而且可能很微弱。

从热力学角度得到了同样的结论。恒星的热辐射充满空间，并达到相同的温度所需要的时间非常之长，原因在于宇宙空间茫无边际。简单地说，从宇宙创生至今还没有足够的时间来达到热动平衡。

因此，所有的证据表明：宇宙的寿命是有限的。它诞生于过去某个确定时刻，这样看来，宇宙真是很奇妙呢！

参考书籍

宇宙的最后三分钟. 保罗·戴维斯（Paul Davies）

天上无论哪一个方向都有无数的星星,夜空为什么还是黑的?

在偏远的市郊乡村，每当夜幕降临，我们抬头仰望繁星，会看见满天的星斗，或有银河如白练一般悬于漆黑的夜空之中。这一幕我们习以为常，可能很少人深思其中缘由。

但19世纪初的德国就有这么一个吃饱了撑的天文学家，他指出假如宇宙无限且星星均匀分布，那么我们看到的夜空应该是明亮的。这位名字很长还吃饱了撑的天文学家名叫海因里希·威廉·马提亚·奥伯斯。

奥伯斯提出的这个问题困扰了科学界100多年，史称奥伯斯佯谬。但其实类似的问题同为德国天文学家的开普勒（就是发现行星运动定律的那个）在四百年前就提出过，可见这真不是一个吃饱了撑的问题。

你没看错，既然我们习以为常理所当然地认为夜空就应该是黑的，那我们要先反问一下奥伯斯同志夜空为啥不是黑的？……

奥伯斯提出这个问题其实是有前提条件的：1、宇宙是永恒和无限的。2、星星均匀地分布。这两个条件在两百年前是理所当然的，那时的科学家都认为宇宙是永恒无限的，这样我们就不需要考虑宇宙创生的问题，而星星均匀分布也符合保持牛顿万有引力理论所必须的引力平衡。

假设以上两个条件均成立，那么我们会得到这样一个结果：宇宙永恒无限，平均分布的星星也无限，每一颗星星发出的每一缕光都可以并已经传播到无穷远处。由此我们就会得到奥伯斯相同的结论：我们看向任何方向，视线最终都会停留在有限远的一颗明亮的星星上面，那么我们向任何方向看去，夜空都应该是明亮的。

这个推理似乎无懈可击，但其实即使在永恒宇宙无限星光的前提下，它依然是存在争议的，其中重要一点就是宇宙虽然无限，但星星的寿命并不是无限久远的，这意味着它只能在有限的生命周期里发出有限的光芒并传播到有限的距离上。比如一颗50亿年寿命的恒星，它能发出的光只能分布在一个50亿光年的径向范围内，在这个范围以外都是看不到的。这样，纵使有这么一颗星星在某个距离上遮挡了我们的视线，它也可能是一个漆黑的星球不发出任何一丝光芒。

奥伯斯佯谬这么简单就破了？当然不是！在永恒宇宙下，无限的星星发出无限的光都携带着能量，这些能量会加热任何它照射到的星球，那么在无限宇宙下，每一个星球吸收的热量都超过了其耗散的热量，最终每一个星球都会被点亮，无论它自身是否发光。

另一个争议点是远处的星光可能被星际尘埃遮挡，但基于以上相同的原因，在无限的星光照耀下，尘埃最终也会被加热和照亮，直至迸发出耀眼光芒……

也就是说，在永恒宇宙里无限星光下，奥伯斯佯谬是无解的！夜空就该是明亮的……当然，现实这是不可能的，否则不单夜空会亮如白昼，我们也早就被无限星光烧焦并迸发出耀眼光芒了，也就没有人来思考这个奇怪的问题了……

奥伯斯佯谬提出约一百年后，伟大的德国物理学家爱因斯坦（怎么又是德国的……）发表广义相对论，并据此预言了宇宙并非恒态，它要么在膨胀，要么在收缩，假如是前者，就能完美解决奥伯斯佯谬。但作为稳恒态宇宙的支持者，爱因斯坦放弃了这个伟大的发现，选择在广义相对论的引力场方程中添加一个参数——宇宙常数，使宇宙保持稳恒状态。

不过很快他就后悔做出这画蛇添足的决定。在他为引力场方程增加宇宙常数的十年后，美国天文学家哈勃（终于有个不是德国的了……）通过星系红移的观测数据发现宇宙正在膨胀！

根据宇宙正在膨胀的现状沿时间方向回溯回去，宇宙中所有星系都必然聚集到一点，这意味着宇宙必然有一个开端，宇宙并非永恒无限。因为至少在可观测范围内，它在时间上是有限的，现在科学家根据对宇宙膨胀率的测算推测，宇宙从诞生至今仅有138.2亿年，根据光速恒定原理，这意味着最远的星光，也只传播了138.2亿光年，当然随着宇宙的膨胀，这个数字实际上要稍大一点。根据测算目前的可观测宇宙半径约为465亿光年，我们的可观测宇宙是一个约930亿光年的球体。在这个球体以外的任何星光，此刻都还没传播到我们这里。

既然我们能观测的宇宙无论在时间上还是在空间上都有限，自然星星的数量也有限，那么奥伯斯佯谬的前提条件就不成立了，奥伯斯悖论不攻自破。我们向宇宙的任意方向看去，也许并不会被任何星光阻挡，我们依然会看到一个漆黑的宇宙，正如我们现在所看到的一样。

虽然在可见光的范围内，夜空仅有点点星光，但其实在漆黑的宇宙背景里却布满了我们无法察觉的微弱之光，那是宇宙诞生后射向远方的第一缕光——宇宙微波背景辐射。它遍满了宇宙，在它发出时是3000K高温下明亮的橙红色光芒，但随着宇宙的膨胀，它的频率不断衰减，现在仅剩2.7K的低于人眼可识别范围的低温微波辐射。

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天空中有那么多星星，晚上的天空为什么还是黑暗的？

有时候，看似最简单的问题，却是最难回答的，比如为什么1+1等于2。在天文学上，也有一个简单到令人发指的问题，困扰了科学家数百年，那就是晚上为什么会黑。晚上虽然没有太阳的光芒，但是宇宙中依然有无数恒星在闪耀，如果这样的话，我们的夜晚也该跟白天一样明亮才是。

太空也是如此。太空中既然有无数颗恒星，每一个都跟太阳一样光芒万丈，为什么在我们的眼中，太空却是漆黑一片呢？这种看似不合理的现象，被称为奥伯斯悖论。奥伯斯是19世纪的一位天文学家，他认为，宇宙无边无际，太空里有无数颗发光恒星。虽然距离很远，但这么多星光聚集在一起，地球的夜空应该跟白天一样明亮才对，但这一理论背离了我们的经验和常识。夜空只能是黑色，所以叫黑夜，而不能叫白夜。

就算是现在，你用这个问题问你身边的人，他估计也会一头雾水。天文学家曾提出过许多理论来解释，但都无法让人信服。

有的人猜测，太空中弥漫着一种可以吸收光线的物质，正是这种物质的存在，将恒星的光芒吸收，才让夜空变成黑色。然而这仅仅是一种猜测，无法被证实，也无法被证伪。宇宙中的光线无法被彻底遮挡，这就跟大雨下的树木一样，树叶能够遮挡雨水，但很快雨水就会顺着树叶落到地面上，光线也是如此。

也有人认为，宇宙中的恒星并非是均匀分布的，有的地方密集，有的地方稀少。而地球恰好就处于恒星稀少的那一片区域，因而到达地球的光线不足，所以夜空是黑的。这同样也是一种猜测，宇宙中没有明显的恒星聚集地带。

第一个解释这个悖论的，并不是天文学家，而是一位诗人。美国的爱伦·坡。爱伦·坡认为，宇宙的星光之所以没有照亮地球的夜空，是因为这些光线还没有到达地球。所以，黑色的夜空就是宇宙诞生和存在的证据。后来，经过科学家的精密计算，如果想让地球的夜空和白天一样明亮，那至少需要上万亿光年的星光照耀。

但迄今为止，人类能看到的宇宙也不过150亿光年。我们的宇宙还太年轻，想要让整个太空变得明亮，就像用一根蜡烛照亮整个房屋一样。蜡烛的光芒四周，依然是无边的黑暗。