文／郭詠澧

「白天是蔚藍的，夜晚卻是一片漆黑，夜晚的天空為何是黑的？」

多數人的回答是「因為地球在自轉，晚上太陽在我們背後，陽光只能照到地球的另一面，天空自然是漆黑的。」

但是長久以來，物理學家懷疑這個答案不夠完整，有直覺上的矛盾存在。19世紀物理學家認為宇宙有三項條件：宇宙無限大，沒有邊界；恆星無限多，均勻分布；宇宙永恆存在。在上述條件的宇宙模型裡，想像你站在宇宙中任意一點，向任意方向畫一條射線，這條線在無限遠的距離上，終究會碰上某顆發光的恆星，以此推理，整個夜空應該會被無數恆星的光芒填滿，而不是黑的。這個問題於1823年由德國天文學家奧伯斯正式提出，在物理學史上稱為「奧伯斯悖論」（Olbers' Paradox）：「無限多恆星+無限長時間=無限亮的天空」，但現實卻是「夜空很黑」。

20世紀物理學家發現用光的傳播、能量衰減和宇宙演化知識解開了這個謎題。先從「白天為什麼是亮的？」說起。人類生活在地球上被大氣層包裹著，太陽光包含波長各不相同的紅橙黃綠藍靛紫顏色的光，當陽光穿過大氣層時，會遇到無數微小的氣體分子與水滴；這些粒子比可見光的波長還要小，於是就發生了散射現象，波長愈短的光，愈容易被散射。藍光與紫光波長較短，被強烈地散射，布滿了整個天空，而紅光與橙光的波長較長，直線穿透，不容易被散射，所以白天我們看到的天空是藍色的。

光會衰減 亮度稀釋



物理學家發現第一個原因：光會衰減，距離會「稀釋」亮度。因為光源亮度隨著距離平方衰減。例如：

距離增加2倍時，亮度變成1/4。

距離增加10倍時，亮度變成1/100。

在無限宇宙中，雖然恆星數量很多，但絕大多數都極其遙遠；愈遠的恆星，到達地球的光就愈弱。然而距離衰減只是讓夜空變暗，但不會讓夜空變黑。

宇宙有齡 傳光受限



然後，天文學家發現宇宙誕生在138億年前的一次大爆炸；從那時起，空間、時間、物質才開始存在。物理學家發現第二個原因是宇宙有年齡，光從某顆恆星出發，那些距離超過138億光年的恆星，它們的光還沒有足夠的時間傳到地球。這打破了奧伯斯悖論的前提：宇宙不是無限古老的，因此夜空不會無限光亮。

紅移效應 光源遠離



物理學家發現第三個原因是宇宙正在膨脹，光被「拉」紅了（紅移效應）。物理教到一種能理解的現象：多普勒效應。救護車朝你開來，聲音變尖（頻率變高）；救護車遠離而去，聲音變低（頻率變低）；光源靠近你，光波被壓縮，產生藍移（頻率升高），光源遠離你，光波被拉長，產生紅移（頻率降低）。哈伯在1929年發現宇宙正在膨脹，而且愈遠的星系退行速度愈快。當一個星系高速遠離時，它發出的可見光會被拉長，變成紅外線、微波，甚至無限電波，這些光不再屬於可見光波段，這讓遠方恆星的貢獻大幅減弱。簡言之，宇宙膨脹把大量星光「紅移」出了可見範圍，讓夜空變得更暗。

吸收阻擋 散射削弱



第四個原因是星際介質也會吸收與阻擋光亮。因為宇宙中並不完全是真空，星際空間中存在稀薄的氣體、塵埃等離子，它們會吸收一部分星光；散射一部分星光，進一步削弱了到達地球的星光。

夜空為什麼是黑的？物理學家終於總結為上述四種原因；並且認為奧伯斯悖論的意義不只是尋求解釋「夜空為什麼是黑的」，更讓人類重新審視自己的宇宙觀：從「永恆不變的無限宇宙」，轉變成「宇宙有起點，並且一直在變化，是正在不斷膨脹的宇宙」。