3.為什么夜空是黑暗的？

除非你生活在北極圈或南極圈以內，否則你生命中的每一天都會出現晝夜交替的情形。大多數人都未曾深入思考過這個現象，不過事實證明，雖然我們認為黑暗的夜空只是一件稀松平常之事，但它明明白白地向我們揭示了一些有關宇宙的深刻真相。

太陽落下只是睡前故事的一部分，而有關星星的故事總是被我們拋在腦后。我們通常不會注意到頭頂閃耀的星光，因為它們極其微弱，但真實的原因在于恒星距離我們太過遙遠。以夜空中亮度等級最高的恒星天狼星為例，它的亮度實際上是太陽的25倍，但在我們眼中太陽比它亮130億倍。這是因為天狼星距離我們80萬億千米，而太陽距離我們1.5億千米。如果把它們放在同樣遠的位置上進行比較，我們就會發現太陽實際上比天狼星暗得多。

發光物體的亮度會隨著距離增加而減弱，二者之間的數值關系是這樣的：如果將距離擴大到原來的2倍，亮度就會變為原來的1/4；如果將距離擴大到原來的3倍，亮度就會變為原來的1/9，以此類推。宇宙中的恒星距離地球越遠，它們在我們眼中就越暗。但相應地，距離越遠，恒星就越多，這種數量上的增長會彌補隨距離增大而變暗的亮度。據估計，僅在銀河系中就有4 000億顆恒星，現代望遠鏡的觀測結果告訴我們，宇宙中還存在著數十億個其他星系。那么，為什么這些光源組合而成的亮度還是那么不起眼呢？

18世紀中期，同樣的難題擺在一位瑞士天文學家讓-菲利普·洛伊斯·德舍索（Jean-Philippe Loys de Cheseaux）面前。德舍索偶然間想到，如果真像牛頓認為的那樣，宇宙是無邊無際的，無窮無盡的恒星散布在宇宙的各個角落，那么夜空應當會被星光照得亮如白晝。當然，我們的地球也會被它們炙烤得焦黃酥脆。德國天文學家海因里希·奧伯斯在1823年得出了相同的結論，所以該說法被冠以“奧伯斯佯謬”之名。

如果這些恒星分布在某一特定的距離處——除了黑暗的虛空之外什么也沒有的地方，這個悖論就能得以規避。在這種情況下，星光的總和可能不會太亮。雖然這樣能說得通，但我們又不得不面對那個一直困擾牛頓的問題：如果恒星的數量是有限的，又是什么阻止了它們全部聚集在一處，形成一團雜亂無章的巨大物質呢？這可真是應了那句老話，“人亦有言，進退維谷”。換言之，整個宇宙要么直接坍縮，要么變成一座永久的焚燒爐。

還有另外一條規避奧伯斯佯謬的途徑。即便恒星確實無窮無盡地散布在空間中，它們在時間上的分布也有可能是有限的，對吧？現在我們知道，恒星顯然不可能永遠閃耀下去。無論它們的能量源于什么，遲早會有燃料耗盡的那一天。然而，這一認識在19世紀并不是常識，那時沒人知道是什么讓恒星發光。事實上，直到20世紀40年代，天體物理學家才弄明白恒星發光的原因。

盡管恒星無法持續發光，但我們可以確定它們此時此刻正在發光。如果真有無窮多顆恒星，為什么它們發出的光累加起來也無法將夜空點亮呢？要回答這個問題，我們得先追溯到1676年，丹麥天文學家奧勒·羅默在那一年完成了一次具有里程碑意義的觀測。此前，伽利略發現了木星同樣擁有衛星，羅默觀測的正是木衛一的運動，木衛一繞木星的公轉就像時鐘上的指針那樣有條不紊。羅默發現，當木星位于地球對側（太陽的另一邊）時，它的時鐘似乎運行得很慢。這種不協調的現象可以解釋為：光從木星出發抵達地球需要花費幾個小時，考慮到木星和地球在公轉軌道上所處的位置不同，光在旅途中花費的時間也有所不同。羅默知道這些行星軌道的大小，并結合木衛一精確的運動時間計算出光的速度——每秒214 000千米。考慮到當時的計算方法較為粗陋，他的計算結果和每秒299 792.458千米的實際值已經相當接近了。

在現實生活中，光速看起來就像無窮大，但在天文學尺度上并非如此。例如，來自天狼星的光要花8.6年才能抵達地球，所以當你在天空中看到天狼星時，你看到的是它8.6年前的樣子。就算它現在爆炸了，我們也得將近10年后才會觀測到。恒星距離我們越遠，我們就能看到其越久遠的過去。例如，仙女座大星云這團肉眼隱約可見的模糊光斑，就是250萬年前的恒星發出的光。光在一年時間里經過的距離被稱為“光年”，在天文學上是一個方便使用的單位：1光年約等于10萬億千米。

現在，我們回到奧伯斯佯謬的問題上，它的論證方法被光速的有限性完全改變了。假設有一顆恒星已經持續閃耀了10億年，但如果它距離地球超過10億光年，我們就無法看到它，因為它發出的第一束光尚未到達地球。因此，即使宇宙真如牛頓所說是無窮大的，我們也只能看到有限數量的恒星——它們距離我們較近，發出的光也來得及到達地球。至于那些距離超出光的行程范圍之外的恒星，它們所處的位置在我們看來就是一片黑暗。

我們可以視同這片“黑暗區域”及更遠處的恒星不存在，而在過去10年左右的時間里，哈勃空間望遠鏡實際上已經能夠探測到這些恒星的存在。黑暗區域距離地球超過130億光年，在此范圍內大約有1024顆恒星。我粗略地算了一下所有這些恒星的亮度加起來有多少，得到的結果是和木星發射到地球上的光差不多亮，只不過它們均勻地分布在整個夜空中，所以肯定無法使黑夜亮如白晝。在2020年年底，一些天文學家宣布他們利用新視野號宇宙飛船成功測量了整個宇宙的累積星光。這艘飛船已經飛出了冥王星的軌道（那里是整個太陽系的極暗之地），目前仍在向太空的更深處進發。他們的測量結果顯示，整個夜空的亮度還不到太陽的100億分之一，為此前預測數值的2倍，但造成這一結果的原因尚未查明。

值得深思的是，天文學家居然花了這么長時間才根據他們掌握的信息推斷出現在的結果。自17世紀至今，他們本可以再早一些得出一個顯而易見的結論：夜空之所以黑暗，是因為宇宙不可能一直是現在的樣子。在我們經歷的時代之前，一定存在過某些非常與眾不同的東西，甚至有可能空無一物。