天空為何是藍色（下）：人類150年前就知道「藍天」原理，但一世紀後才清楚「黑夜」的原因

• 天空為何是藍色（上）：天空本該是紫色？日出日落天空怎麼又變橘紅色？

恆星與沙粒

夜空為什麼是黑色的？也許這個問題聽起來有點荒謬，你一定會回答：太陽沉入地平線後，自然而然就沒有光線了，夜晚當然就是黑色的，只剩下月光和星點。

其實這麼回答也沒有錯，因此，且讓我們重新組織一下這個問句——既然夜空中充滿星點，為什麼依然是黑色的？或者更進一步——充滿著無數星星的太空，為什麼總是一片漆黑？

Photo Credit: Castaly Fan (范欽淨)

早在古希臘時代，這個問題早就被討論過。隨著科技日新月異，人們對於太空的觀測設備日漸新穎，我們發現宇宙中的星系比想像中來得多更多。目前天文學家推測，宇宙中至少有兩兆（2,000,000,000,000）個星系，且每個星系「平均」至少有一億顆（100,000,000）恆星，光是我們的銀河系就有1000億顆至4000億顆（100,000,000,000–400,000,000,000）恆星。加總起來，科學家估計可觀測宇宙中至少有10²²至10²⁴顆恆星。

這個數字究竟有多大？將地表上每一個沙漠、海灘的沙粒加總起來，科學家估計有7.5 × 10¹⁸顆沙粒，而宇宙中恆星的數量則高於地表沙粒總數四至六個數量級——換句話說，正所謂「一沙一世界」，如果你指尖的「一顆沙粒」相當於10,000至1,000,000個恆星的集合體，得要將全世界所有沙粒加總起來、才能對應宇宙中恆星的總數量！

並且，這裡所指的恆星並不包含地球、火星、木星這種行星，每一顆被納入計算的都是像太陽一樣的恆星。試著想像一下：你抬頭所望見的夜空中，實際上囊括了比世界上所有沙粒總數還多數萬至百萬倍、和太陽一樣巨大且耀眼的星體，但為什麼——即使站在月球眺望太空深處——宇宙仍然一片漆黑、寂靜？

圖片來源：NASA官網

奧伯斯悖論

西元1820年代，天文學家開始正視這個問題，提出了「奧伯斯悖論」（Olbers’ Paradox）。是的——這個看似簡單、宛若童言童語的問題，竟然困惑著天文學家，甚至為此提出了一個「悖論」。這個悖論的提出有幾個先決條件：首先，人們假定宇宙是無限大的；其次，假設星星是均勻分布的；再者，宇宙是「穩態」的，即使宇宙有在擴張、長遠來看依然如同穩定且靜止的。

如果宇宙中的星體是均勻分布的，即使愈遙遠恆星會顯得更暗，但由於愈遙遠的恆星數量會更多（想像太空是由一層層沾滿星子的球殼所包覆，我們位在中心向外觀測），因此，按理來說每一層恆星加總起來的亮度是不相上下的，夜空也應當被均勻照亮。

就好像我們站在森林外處看過去一樣，一層層枝葉由近而遠相互交疊，即使看不見樹林最深處那排樹木，我們依然可以看出整片森林是深綠色的。同理，宇宙中星星數量如此繁多，按理來說我們所見的夜空應該也是一片光亮、耀眼奪目的，就像成千上萬顆太陽填滿夜空一樣。

但事實卻不然——夜空比想像中的更為漆黑；即使是到外太空，依然是一望無際的黑暗。

圖片來源：維基百科

1848年，美國詩人愛倫．坡（Allan Poe）在一首小詩中提及了這麼一句：

夜空星芒遙遠，它們從未抵達。

（“supposing the distance of the invisible background so immense that no ray from it has yet been able to reach us at all.”）

這句話看似詩情畫意，實際上卻誤打誤撞給了奧伯斯悖論其中一個合理的解釋：縱使宇宙的空間無限大，由於宇宙年齡是有限的、光速也是有限的，當我們眺望夜空，遙遠的星光在有生之年也無法抵達地球進入我們的眼中；換言之，我們所看到的星點其實都是數百、數萬、甚至數十億年前的樣貌，觀測星空相當於觀測歷史。

即使貌似合理，但這套說詞區區出自於詩人的作品集，並無法被追求嚴謹的科學家們所接受；況且，當時科學家尚未能證明宇宙的年齡與狀態，因此奧伯斯悖論依然被視為無解。

20世紀的解答

隨著物理學家對於宇宙模型的建構，愈來愈多人相信宇宙是動態的、並且不斷在擴張。1929年，愛德溫．哈伯（Edwin Hubble）透過實驗觀測發現「星系正不斷遠離我們」，且距離愈遠的星系遠離速度似乎愈快；1931年，喬治．勒梅特（Georges Lemaître）提出了宇宙起源於一個「原子一般大小的點」這套假說。

上述提到的「哈伯定律」（Hubble’s law）可以說是當代天文學最重要的發現之一，它證明了「宇宙正在膨脹」的事實；結合勒梅特的理論，說明了宇宙起源於一個「點」，而這正是當今宇宙學「大霹靂（Big Bang，或譯大爆炸）理論」的雛形。

哈伯利用紅移（redshift）效應發現遠方的星系正加速遠離我們，其原理大致如下：由於宇宙正在擴張，愈遙遠的星系發射出的光線會愈接近光譜紅色的那一端，由於哈伯發現了遠方星系的紅移現象、從而推導出星系退行的速度，這也就證實了宇宙正不斷在膨脹。

由於愈遙遠的星系紅移的效應愈顯著，降低了觀測的亮度，因此遙遠的星光肉眼是不可見的。那麼，宇宙誕生、大霹靂時期的光源，我們為何無法觀測得到？這是因為，距離愈遙遠的光來自於宇宙愈早期的星系，推算至宇宙大霹靂初期的光源，它們紅移的尺度已經超越了可見光譜、到達紅外線、甚至微波的波段——想當然爾，我們肉眼無法見到微波，自然也就無法用眼睛觀測到宇宙大霹靂初期的輻射。

如果你熟悉天文學，那麼，你一定聽過所謂的「宇宙微波背景輻射」（CMB），它象徵著宇宙誕生之後的「第一道光」、也是現今物理學家能「觀測」到的最早期宇宙樣貌，而這也成為了大霹靂理論最有力的證據之一，於1964年才被發現。從宇宙微波背景中，我們也能發現太初宇宙的輻射是不均勻的，而這也意味著現今宇宙中的星系、星體並非想像中那樣均勻分布。