夜晚的天空是黑的原因

　　天空的顏色***也就是大氣層的顏色***實際上是光譜中藍色周圍的合成顏色，我們稱之為“蔚藍”。如果沒有大氣層我們看見的太陽就是在漆黑的太空背景中一個非常耀眼的大火球，空間站的宇航員就能看到這樣的景象，因為太陽光透過大氣層失去了大部分光譜中的藍色區域，我們透過大氣層看太陽往往是黃顏色的。那麼為什麼夜晚的天空是黑的?

夜晚的天空

　　自古以來，人們就不斷地對宇宙進行種種猜測。古代的人們曾經認為星星是鑲嵌在一個透明球面上的。中國最古老的宇宙結構學說蓋天說的基本觀點是天圓地方。托勒政的地心宇宙體系和哥白尼的日心地動宇宙體系中都包括恆星天球的內容。中世紀的思想家尼古拉認為宇宙是無限的。牛頓把空間和時間的無限性作為他的理論的基本原理。他還推斷：星星的數目必定是無限的，而且相當均勻地分佈在空間。觀測上，英國著名的天文學家威廉·赫歇耳和約翰·赫歇耳父子宣佈,至少某些可觀測星雲是與銀河系具有相同尺度和結構的由分立的恆星組成的系統。這些星系居於整個宇宙之中。

　　19世紀天文學家普遍認為可觀測宇宙必須是靜態、無限的和均勻的。而對靜態、無限、均勻的宇宙的一個著名反對意見即夜黑問題，也稱奧伯斯佯謬。這個佯謬是說, 若恆星發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天空的亮度看起來是均勻的，且與太陽一般亮。

　　因為無論從哪一個方向觀看天空，視線都會碰到一個星星。這一點可以用一個簡單的幾何論證說明：現考慮進入人眼的一束細長的錐形光線。雖然恆星表面的視亮度與距離平方成反比，但錐體的截面積***或恆星的數目***隨距離平方而增加，則集中在錐體內的光與它從什麼地方發出沒有關係，因而整個天空就要亮得像太陽一樣，實際上夜空卻是黑的。

　　如何才能消除觀測與理論之間的矛盾呢?

　　奧伯斯的推導基於以下的宇宙學觀點：

　　1.宇宙物質是均勻分佈的。

　　2.宇宙是靜態的。

　　3.宇宙是無限的。

　　4.宇宙存在的時間已經無限長。為了避免夜晚的天空像太陽那麼亮的結論，我們必須重新考察上述觀點。一個平均密度隨觀測距離的增大而減小，並以零為極限的等級式宇宙模型可以消除佯謬，但要付出失去均勻性的代價。但迄今為止的觀測結果是：宇宙物質在大尺度空間內的分佈是均勻和各向同性的。這個觀點稱為宇宙學原理，是現代宇宙學理論所必須依據的公理。上述第一點符合宇宙學原理，應予保留。這樣等級式宇宙模型應該放棄。

　　由於奧伯斯假定恆星發光不變，這一點今天看來最成問題。如果假定恆星並不是永遠那麼亮，而是在有限的過去才開始發光，由於遠處恆星的光線尚未到達我們這兒，這也可以避免整個天空像太陽那麼亮的結論。這使我們面臨著是什麼? 首次是使恆星發光的問題。如此看來一個具有有限過去的宇宙可避免奧伯斯佯謬。此時宇宙在時間上有個開端。另外一個有足夠大膨脹速率的宇宙也能避免奧伯斯佯謬，即使它具有無限的過去。因為根據量子理論的觀點，光子的能量正比與其頻率。遠距離高速追行光源的光線 將產生非常大的紅光，因而其能量將相應減小，使其總和保持有限，甚至可忽略不計。由於觀測上尚無放棄宇宙學原理的理由，第一條觀點應該接受，而第二、第四條應該重新考慮。

　　20世紀初，愛因斯坦創立了廣義相對論，這就為研究宇宙的整體結構提供了理論基礎。宇宙的整體性質由引力場方程決定。荷蘭物理學家德西特首先獲得了引力場方程的一個宇宙解，但它是動態的而不可能是靜態的：宇宙要麼是膨脹的，要麼是收縮的。觀測上，哈勃發現河外星系的視向退行速度與距離成正比，即距離越遠，視向速度越大。這說明宇宙空間中任意兩個星系間的距離都在增大，宇宙在膨脹。

　　如果一個膨脹的宇宙沿時間反溯回去將會達到一個原始的超密態，也就是宇宙於過去某一時刻創生於一次原初物質的大爆炸過程。這就是大爆炸宇宙學的宇宙模型。為了理論預言和實驗觀測相一致，宇宙在極早期曾經歷一個暴脹階段。顯然一個具有有限過去而正在膨脹的大爆炸宇宙模型能避免奧伯斯佯謬。還有一個具有無限過去的穩恆態宇宙模型，它雖能消除佯謬，但卻要破壞能量守恆且不能解釋宇宙微波背景輻射等，已經不再為人們所接受。綜上所述，現在觀測到的宇宙在膨脹，這是科學界公認的。經歷一個暴脹階段的大爆炸宇宙學模型是一個成功的模型，其理論預言與實驗觀測十分吻合。顯然這是一個動態的宇宙學模型，且宇宙在時間上可能有一個開端。這樣看來，對於一個均勻、靜態、無限的經典宇宙學模型，其第二、第四條觀點不成立。如果放棄這兩條，也就自然不會得出夜晚的天空像太陽那麼亮的荒謬結論。