3.为什么夜空是黑暗的？

除非你生活在北极圈或南极圈以内，否则你生命中的每一天都会出现昼夜交替的情形。大多数人都未曾深入思考过这个现象，不过事实证明，虽然我们认为黑暗的夜空只是一件稀松平常之事，但它明明白白地向我们揭示了一些有关宇宙的深刻真相。

太阳落下只是睡前故事的一部分，而有关星星的故事总是被我们抛在脑后。我们通常不会注意到头顶闪耀的星光，因为它们极其微弱，但真实的原因在于恒星距离我们太过遥远。以夜空中亮度等级最高的恒星天狼星为例，它的亮度实际上是太阳的25倍，但在我们眼中太阳比它亮130亿倍。这是因为天狼星距离我们80万亿千米，而太阳距离我们1.5亿千米。如果把它们放在同样远的位置上进行比较，我们就会发现太阳实际上比天狼星暗得多。

发光物体的亮度会随着距离增加而减弱，二者之间的数值关系是这样的：如果将距离扩大到原来的2倍，亮度就会变为原来的1/4；如果将距离扩大到原来的3倍，亮度就会变为原来的1/9，以此类推。宇宙中的恒星距离地球越远，它们在我们眼中就越暗。但相应地，距离越远，恒星就越多，这种数量上的增长会弥补随距离增大而变暗的亮度。据估计，仅在银河系中就有4 000亿颗恒星，现代望远镜的观测结果告诉我们，宇宙中还存在着数十亿个其他星系。那么，为什么这些光源组合而成的亮度还是那么不起眼呢？

18世纪中期，同样的难题摆在一位瑞士天文学家让-菲利普·洛伊斯·德舍索（Jean-Philippe Loys de Cheseaux）面前。德舍索偶然间想到，如果真像牛顿认为的那样，宇宙是无边无际的，无穷无尽的恒星散布在宇宙的各个角落，那么夜空应当会被星光照得亮如白昼。当然，我们的地球也会被它们炙烤得焦黄酥脆。德国天文学家海因里希·奥伯斯在1823年得出了相同的结论，所以该说法被冠以“奥伯斯佯谬”之名。

如果这些恒星分布在某一特定的距离处——除了黑暗的虚空之外什么也没有的地方，这个悖论就能得以规避。在这种情况下，星光的总和可能不会太亮。虽然这样能说得通，但我们又不得不面对那个一直困扰牛顿的问题：如果恒星的数量是有限的，又是什么阻止了它们全部聚集在一处，形成一团杂乱无章的巨大物质呢？这可真是应了那句老话，“人亦有言，进退维谷”。换言之，整个宇宙要么直接坍缩，要么变成一座永久的焚烧炉。

图3　奥伯斯佯谬。如果宇宙中的恒星数量是无穷的，那么每条视线上都会出现一颗恒星，夜空中也不应当存在黑暗之处

还有另外一条规避奥伯斯佯谬的途径。即便恒星确实无穷无尽地散布在空间中，它们在时间上的分布也有可能是有限的，对吧？现在我们知道，恒星显然不可能永远闪耀下去。无论它们的能量源于什么，迟早会有燃料耗尽的那一天。然而，这一认识在19世纪并不是常识，那时没人知道是什么让恒星发光。事实上，直到20世纪40年代，天体物理学家才弄明白恒星发光的原因。

尽管恒星无法持续发光，但我们可以确定它们此时此刻正在发光。如果真有无穷多颗恒星，为什么它们发出的光累加起来也无法将夜空点亮呢？要回答这个问题，我们得先追溯到1676年，丹麦天文学家奥勒·罗默在那一年完成了一次具有里程碑意义的观测。此前，伽利略发现了木星同样拥有卫星，罗默观测的正是木卫一的运动，木卫一绕木星的公转就像时钟上的指针那样有条不紊。罗默发现，当木星位于地球对侧（太阳的另一边）时，它的时钟似乎运行得很慢。这种不协调的现象可以解释为：光从木星出发抵达地球需要花费几个小时，考虑到木星和地球在公转轨道上所处的位置不同，光在旅途中花费的时间也有所不同。罗默知道这些行星轨道的大小，并结合木卫一精确的运动时间计算出光的速度——每秒214 000千米。考虑到当时的计算方法较为粗陋，他的计算结果和每秒299 792.458千米的实际值已经相当接近了。

在现实生活中，光速看起来就像无穷大，但在天文学尺度上并非如此。例如，来自天狼星的光要花8.6年才能抵达地球，所以当你在天空中看到天狼星时，你看到的是它8.6年前的样子。就算它现在爆炸了，我们也得将近10年后才会观测到。恒星距离我们越远，我们就能看到其越久远的过去。例如，仙女座大星云这团肉眼隐约可见的模糊光斑，就是250万年前的恒星发出的光。光在一年时间里经过的距离被称为“光年”，在天文学上是一个方便使用的单位：1光年约等于10万亿千米。

现在，我们回到奥伯斯佯谬的问题上，它的论证方法被光速的有限性完全改变了。假设有一颗恒星已经持续闪耀了10亿年，但如果它距离地球超过10亿光年，我们就无法看到它，因为它发出的第一束光尚未到达地球。因此，即使宇宙真如牛顿所说是无穷大的，我们也只能看到有限数量的恒星——它们距离我们较近，发出的光也来得及到达地球。至于那些距离超出光的行程范围之外的恒星，它们所处的位置在我们看来就是一片黑暗。

我们可以视同这片“黑暗区域”及更远处的恒星不存在，而在过去10年左右的时间里，哈勃空间望远镜实际上已经能够探测到这些恒星的存在。黑暗区域距离地球超过130亿光年，在此范围内大约有1024颗恒星。我粗略地算了一下所有这些恒星的亮度加起来有多少，得到的结果是和木星发射到地球上的光差不多亮，只不过它们均匀地分布在整个夜空中，所以肯定无法使黑夜亮如白昼。在2020年年底，一些天文学家宣布他们利用新视野号宇宙飞船成功测量了整个宇宙的累积星光。这艘飞船已经飞出了冥王星的轨道（那里是整个太阳系的极暗之地），目前仍在向太空的更深处进发。他们的测量结果显示，整个夜空的亮度还不到太阳的100亿分之一，为此前预测数值的2倍，但造成这一结果的原因尚未查明。

值得深思的是，天文学家居然花了这么长时间才根据他们掌握的信息推断出现在的结果。自17世纪至今，他们本可以再早一些得出一个显而易见的结论：夜空之所以黑暗，是因为宇宙不可能一直是现在的样子。在我们经历的时代之前，一定存在过某些非常与众不同的东西，甚至有可能空无一物。