為什麼夜晚的天空是昏暗的？-奧伯斯佯謬

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為什麼夜晚的天空是昏暗的？畢竟，假如宇宙里充滿了數十億個星系，每個星系又匯聚數十億個恆星，而這些恆星已經發出光子達數十億年之久，那宇宙豈不是早就充滿了光子？德國天文學家奧伯斯（Wilhelm Olbers）在1820年代曾經仔細思索這個問題，後人稱這個問題為「奧伯斯佯謬」。在那之前的幾個世紀，天文學家與哲學家非常納悶夜空為何是昏暗的，以及昏暗代表的宇宙本質。事實證明，這些學者確實觸及了某些深奧的道理。

銀河背後，就是漆黑的夜空。

奧伯斯佯謬（又稱夜黑佯謬或光度佯謬）是由德國天文學家奧伯斯於1823年提出，於1826年修訂，指若宇宙是穩恆態而且無限的，則晚上應該是光亮而不是黑暗的。在此之前，類似的想法已由開普勒於1610年提出，後來於18世紀愛德蒙·哈雷及夏西亞科斯（Jean-Philippe de Cheseaux）的作品中逐漸成熟。黑暗的夜晚印證了宇宙並非穏恆態的，是大爆炸理論的證據之一。

假設

假如宇宙是穏恆態而無限，而且有無數平均分布的發光星體，則無論望向天上哪一位置都應該見到一粒星體的表面，星與星之間便不應有黑暗的位置，黑夜時整個天都會是光亮的。

更確切的表述是，如果宇宙是穩恆，無限大，時空平直的，其中均勻分布著同樣的發光體，由於發光體的照度與距離的平方成反比，而一定距離上球殼內的發光體數目和距離的平方成正比，這樣就使得距地球距離──全部發光體的照度的積分不收斂，黑夜的天空應當是無限亮的。

奧伯斯佯謬的示意圖

解釋

被接受的解釋

兩種作用能對奧伯斯佯謬給予解釋：宇宙的年齡是有限的和紅移，而後者是最重要的效應。（即使在穩態宇宙理論的模型中，也推論出宇宙是無限老和空間是無邊際的，但夜空依然是黑暗的。）

宇宙的年齡是有限的

這個解釋指出有限速度的光要游遍宇宙的空間本身就是矛盾的，當我們遙望遠處的空間，其實就是在回顧歷史。最後，我們仍只能觀察到有限年齡的宇宙。

有趣的是，作出相同解釋的還有詩人愛倫·坡在1848年的散文詩《我得之矣》，詩中他寫道：

「星星是連續不盡的，然後背景的天空將呈現一致的光亮，就像銀河所顯示的——因為不會有絕對的點，在那所有的背景中，星星將不復存在。因此，在那些，在這樣的事態下，唯一的模式，我們可以體會到我們的望遠鏡在無數的方向上發現空隙，將假設無形的背景，因為距離的遙遠，光芒從未能到達我們。」[1]

紅移

以有限的宇宙年齡所提供的星光來照耀天空時，導出了另一個問題：為什麼看不見任何一點大爆炸的貢獻？這原因是大爆炸本身的輻射因為宇宙膨脹的緣故，已經紅移到微波的波長，成為宇宙的微波背景輻射。宇宙的膨脹也限制了可觀測宇宙的大小，這意味著在此之外的光線到不了我們所在之處，這在光學效應下創造了有限的宇宙。（參考有限年齡的論據。）

其它解釋

也有人提出另一種解釋（奧伯斯本人就曾這樣解釋），指宇宙並非透明，遠處星光會被宇宙間黑暗的星體，塵埃和氣體阻隔，令極遠處的光線只可以傳播一段有限的距離而不能到達地球。然而這並不能解決問題，因為根據熱力學第一定律，能量必定守恆，故此中間的阻隔物會變熱而開始放出輻射，結果導致天上有均勻的輻射，溫度應當等於發光體表面的溫度，也即天空和星體一樣亮，然而事實上沒有觀察到這種現象。

開普勒認為奧伯斯佯謬論證說明宇宙是有限的，或最少是只有有限數量的星體。

分形學權威本華·曼德博提出了另一種不需基於大爆炸理論的解釋。他指出若星體是以分形方式在宇宙間分布（例如類似康特塵埃），不用大爆炸理論也能解釋奧伯斯佯謬。但他的理論是用於展示分形理論多於解釋夜黑問題，從天文學觀測亦沒有證據顯示星體以分形模式分布。

資料來源

Books Edgar Allan Poe Eureka--A Prose Poem

參考網站

有關奧伯斯佯謬的相對論答問
有關奧伯斯佯謬的天文學答問
有關奧伯斯佯謬的宇宙學答問
Paul Wesson, "Olbers paradox and the spectral intensity of the extragalactic background light", The Astrophysical Journal 367, pp. 399-406 (1991).
Edward Harrison, Darkness at Night: A Riddle of the Universe, Harvard University Press, 1987
Scott, Douglas, and Martin White, "The Cosmic Microwave Background".

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全文排版：天文在線（零度星系）