为什么入夜之后天色会变暗

多年以前，我偕同家人以及一群朋友前往法国度假。我们住在中央高原利木赞地区一间清幽的乡间小屋里，该地区是法国人烟最稀少的区域之一。有一天夜里，在小孩都上床之后，我们几个大人坐在户外，一边啜饮当天最后几杯的当地葡萄酒，一边抬头欣赏闪烁无垠的夜空，谈论着法国的领土是多么广大，居然还找得到像这样杳无人迹且光害稀少的乡下地方，而我们这几个住在人口稠密东南英格兰的城市俗人，在有幸见到满天星斗时又多么不习惯。令人印象最深刻的，是一条横过天空微微发亮的稀薄带状物，有如一抹浅浅的云。

云会挡住背后的星光，然而在浅浅的亮带中闪烁的众多星星却清晰可见，数量约与夜空的其他区域相当。看来亮带位于遥远的星星之后。身为团体中唯一的专业科学家，我热切地向大家指出，我们所见的亮带其实是银河系中央圆盘的侧面，而这条亮带比所有肉眼可见、一颗一颗的星星都要远得多。令我惊讶的是，有几位朋友承认他们从来没见过银河，但对于我的解说极感兴趣：这条亮带包含了构成银河系本体数以亿计的恒星，由于这些恒星过于遥远，我们无法辨别出它们各自的星芒，只看得到一片弥漫的稀薄亮光。

当然，并非我们在夜空中所见的所有星芒都来自于恒星。最明亮的天体（月亮除外）是我们的行星邻居：金星、木星与火星。他们之所以发光，是因为反射来自太阳的光线，而太阳因为夜间在地球的另一侧，所以我们看不到。太阳系以外离我们最近的星星有数光年之遥。请注意，光年是距离单位而不是时间单位，别搞混了。它是光在一年之内所走的距离，将近10兆公里。用比较容易理解的方式来说就是：地球与太阳相距1.5亿公里，相当于0.000016光年。事实上，较为合理的讲法是地球与太阳之间的距离为8.3光分，这是光走完这段距离所需的时间（八分钟多一点）。

在太阳之外，离我们次近的恒星是半人马座的比邻星，距离稍远于4光年。然而它并不是天空中最亮的恒星，最亮的头衔归天狼星所有，距离我们大约是比邻星的两倍远。只有月亮、木星与金星一年四季的亮度都超过天狼星。除了在北极圈北方数百英里以北之外，地球上几乎任何位置都看得见天狼星。它与参宿四和南河三共同形成北半球可见的“冬季大三角”。找天狼星可以先从猎户座腰带的三颗星下手，向下延伸就能找到，很难错过。

其他的亮星包括距离甚远但巨大的参宿七，它是一颗蓝超巨星，大小是太阳的78倍，亮度为太阳的85000倍，使它成为我们银河系周遭最明亮的星体。它在夜空中却不像其他星星（例如天狼星）这么亮，因为它距离地球远得多（约700到900光年之间）。此外还有跟参宿七差不多远，体积比它还大但稍暗的红超巨星参宿四，这颗巨大的星体亮度约为太阳的13000倍，体积是太阳的1000倍。它大到如果放在太阳系中心取代太阳的话，将会吞噬掉水星、金星、地球、火星与木星的轨道！

当人类开始使用望远镜，探索比肉眼可见更遥远的太空时，我们才明白原来星星在宇宙里并不是均匀分布；相反地，它们集结成群，形成星系，犹如巨大的星星之城，星系之间则隔着大到不可思议的虚无空间。夜空中肉眼可见的星星（包括天狼星、参宿七与参宿四）都位于我们所在的银河系，而且都只位于我们周遭的局部区域而已。

在完备的条件下（也就是位于地球上刚好的位置与刚好的时间），用肉眼可辨识出数以千计的星星，使用够好的小型天文望远镜则能看到数十万颗。不过这只是银河系2000亿到4000亿颗星星里微不足道的一小部分而已，甚至还不到1％。这个数目相当于当今全世界人口平均每人可分配到50颗星星。

这就是为什么银河系的星系盘看起来像是横过天空无数块淡淡的光晕连结在一起。银河系中心距离地球约25000光年，星系本身的直径大小约为10万光年。这么遥远的距离使星星变得极暗淡，也意味着我们看见的不再是分开而清晰的光点，而是由数十亿颗星星的光芒共同累积形成的一片微光。

恒星在星系内也不是均匀分布。恒星多半两两成对，或者聚集成群，并且相互绕行。有些年轻的恒星会成百地聚集成疏散的星团，而更大群数以千计的恒星则形成球状星团。

我们当然无法分辨其他星系中的个别星体。事实上，如果不用强力望远镜的话，几乎不可能看得到其他星系。即使是离我们最近的仙女座星系以及大小麦哲伦星云，单凭肉眼也很难看见；它们看起来只是一小点极微弱的光晕而已。

仙女座星系比我们的星系稍大，距离我们200万光年。如果将银河系缩小到地球的尺寸，仙女座差不多与月亮一样远。仙女座星系有5亿颗恒星。我仍然记得，第一次在望远镜里见到它昏暗模糊的螺旋状身影时内心的激动。特别令人震撼的，是我所看见的并不是这个星系目前的面貌，而是200万年前的模样。这些远早于人类出现在地球之前就离地球而去的光线，直到现在才进入我的眼帘，完成漫长的旅程。那一刻我觉得不可思议的荣幸，竟能身在此处，透过视网膜接收这些远道而来的光子，诱发神经电讯号传递到脑神经细胞，进而感受我所目睹的一切。

物理学家往往以这种古怪的方式进行思考。

不仅恒星会在星系内部形成星团，星系本身也会集结成星系团。我们的银河系是构成“本星系群”的约莫40个星系之一，其他成员还有大小麦哲伦星云以及仙女座星系。随着更强大的天文望远镜不断被制造出来，我们能够探索太空中更深远之处。现今天文观测技术精确度与复杂度之进步，已经让我们知道甚至连星系团本身都会聚集成超星系团。我们的本星系群其实隶属于本超星系团。我们的宇宙最远到哪里？它是否真的无穷大呢？我们根本不知道答案。这个问题已经困扰天文学家好几个世纪，并且引出我们所要探讨的下一个悖论。

当我们抬头凝望夜空时，可能会提出一个非常深奥的问题：

为什么入夜之后天色会变暗？

读者也许认为这不过是个无聊的问题。毕竟连小孩子都知道，当太阳“落”到地平线以下，夜幕便降临。而且，地球附近的夜空也没有像太阳这么明亮的天体，足以压过月亮的微弱光芒以及来自遥远星体更微弱的光芒。

然而，这个问题远比乍看之下更为深奥。事实上，在天文学家找到答案之前，这个问题困惑他们好几百年。它就是“奥伯斯佯谬”。

问题是这么来的：我们有足够的理由相信，即使宇宙不是无穷大（而且很可能真的不是），它也大到我们无法到达其边界。当我们从每个方向遥望天空，都应该会看到一颗星星，它让白天的天空变得更明亮——它应该一直都很亮，不管日升日落、白日黑夜。

以另外一个例子来说明。请读者想象自己站在一座一望无际的森林里，森林大到往任何方向都延伸到无穷远。接着，水平射出一支箭。在这个理想化的例子里，先假设这支箭会一直水平飞行，射中树干之前不会落地。即使这支箭一开始错过较近的树，它终究必定会命中一棵。因为森林的范围是无穷的，只要飞得够远，一定有一棵树刚好位在箭的飞行路径上。

现在，假设我们的宇宙一直往外延伸，有无限多颗星星均匀分布在其中。这些星星发出的光线正如上例中的箭，但是行进方向相反。不论我们朝天空的哪个方向看去，视线里总会有一颗星星，也就是每个缝隙里都看得到星星，所以整个天空不论在任何时刻都会跟太阳表面一样明亮。

当各位读者头一次面对这个难题时，也许会从此章开头里的说明提出两个疑点。首先，你会问：遥远的星星不是因为太暗，所以我们看不到吗？第二个疑点是：星星并不是均匀分布在宇宙里的，对吧？它们不是聚集成星团，星团再聚集成星系吗？这两个课题都无关紧要。第一个问题的回答是，虽然较远的星体显得比较近的星体暗，不过由于前者距离较远，它们其实在太空中所占的区域较大，也包含了为数较多的星星。本章稍后将提到的简单几何运算结果显示，这两种效应正好互相抵销——以太空中任一小区块而言，其中较近但为数较少的星星所产生的总亮度，将会与较远但为数较多的星星相同。至于第二个疑点，星星在宇宙中的确不是均匀地分布，而是集中在各个星系里，就像秋天的落叶被扫成一堆一堆这样。然而论点并未因此改变，只要将星星换成星系即可：也就是夜空将会跟一般的星系一样亮——尽管不像恒星的表面那么亮，却依旧亮得令人睁不开眼睛。

事实当然不是这样。而且，我们即将明了答案之所以为否，原因来自人类有史以来对于宇宙真相最深刻的发现。为了圆满解决这个悖论，我们得先回顾一下它的发展史。