Thursday, April 16, 2015

Why is the night sky dark?


網誌夜空為何是暗黑的?

看月蝕、看流星、看銀河,一般要待太陽下山,夜幕低垂。夜間天空暗黑,本是直覺。然而,這問題竟然困擾了天文學家好幾百年,到半世紀前才出現較簡單的科學解釋。

1952年出版的一本英文教科書,首度提出了「奧伯斯悖論」一詞。是這樣說的,宇宙雖不是無窮大,但難以到達其邊界。如果我們從任何角度仰望天空,都應該看到一顆星星。所以,不論是否在晚上,上空應該是明亮而非昏黑的。

就像一片一望無際的森林,如果向它射一支不會墮地的箭,箭終會命中一棵樹。每棵樹就是天空的一顆星,發出的光線就循箭的相反方向走進我們的視線。即是說,每個缺縫都看得見星星,夜空應如太陽一樣明亮。

悖論是十九世紀德國醫生兼業餘天文學家奧伯斯 (Heinrich Wilhelm Matthias Olbers, 1758-1840) 正式提出。然而,首次提出的並不是他,而是比他早兩百年的英國天文學家迪格斯 (Thomas Digges, 1546-1595),隨之後還有幾位著名的天文學家,包括德國的開普勒和英國的哈雷。

迪格斯當時解釋說,是由於遙遠的星星隨距離而顯得昏暗。但這並沒有考慮到,中間阻隔的星塵和氣體,雖吸收了星光,但本身會因吸取了能量而自行發光,而亮度會跟它們所遮蔽的星星相同。

合理解釋的首度出現,竟然隱藏於美國作家、詩人愛倫坡 (Edgar Allan Poe, 1809-49) 1848年寫下的一段:

「假若星星延綿不盡直至無窮,那麼穹蒼會呈現均勻的亮光,就像銀河一樣 --- 整個背景全無一點沒有一顆星存在。但是透過望遠鏡,我們卻在四面八方的夜空體會到虛無。此情下,唯一能讓我們作出解釋的做法,乃是假設那無形的背景深不可測,以至任何來自它的光迄今仍未抵達我們這裡。」

具完整計算的科學解釋,要到上世紀初開爾文勳爵 (Lord Kelvin, William Thomson, 1824-1907) 撰文,悖論總算獲解決。

但事情尚未完結,這是因為大霹靂理論的出現。大霹靂的始創者是誰,眾說紛紜。一些教科書及科普書上有不同說法或暗示:可以是霍伊爾 (Fred Hoyle)、或哈勃 (Edwin Hubble)、或傅里德曼 (Aleksandr Friedmann)、甚至霍金 (Stephen Hawking),不一而足。查實該理論是比利時教士、科學家勒梅特 (Georges Lemaitre, 1894-1966) 1930年代提出 (霍伊爾為其理論冠名The Big Bang Theory,此名一出即大行其道),指宇宙起始時體積極細,密度極大,之後便不斷膨脹並加速擴張。這理論迄今已得到三項證據支持 (即:透過望遠鏡觀測到清晰可見的宇宙擴張、元素的相對比例、以及可理解為大霹靂餘暉的宇宙背景輻射)
Georges Lemaitre

宇宙擴張的證據,主要來自美國天文學家哈勃 (1889-1953) 的觀測:a) 銀河系以外其他星系發出的光線均出現「紅移」現象,即望遠鏡接收到的光線波長比預料的長,偏向光譜上紅色的一方。物理學上稱此現象為多普勒效應,意味著這些星系均正在遠離地球。現實生活上,可從救護車接近及遠離時警笛聲音的變化察覺到,車子遠離時音調變得低沉,即音波波長增加了;b) 基於上述效應的數據,得出星系遠離的速度,隨著星系與地球之間的距離而增加。

勒梅特利用紅移現象,進一步指出大霹靂起始時發出極熾熱的輻射,已隨宇宙膨脹而冷卻,期間其波長已增加了一千多倍,而移至微波範圍。此即宇宙背景輻射 (cosmic microwave background radiation),家中的收音機或電視機可接收到。微波當然不再是可見光 (否則微波爐應發光!),肉眼不可看到。

宇宙壽命近乎140億年,仍繼續擴張。只有離地球夠近的星系,我們才可看到其發出的光線。因為我們所見到的星空,只是整個宇宙的一小部分,餘下的部分就只有昏暗。

按照愛倫坡/開爾文說法,解釋悖論仍需假設宇宙有限 (我們仍然不知宇宙有限或無垠)。然而,單憑紅移現象,大霹靂的理論已能提供足夠解釋,毋須顧慮宇宙的大小有限。故此,大霹靂除有科學觀測支持之外,以其解釋奧伯斯悖論的論據亦較為簡單到位。
 

15-4-2015

〔作者保留版權。〕

參考

Wikipedia.

No comments:

Post a Comment