为了搞清楚夜晚的天空为什么是黑的，科学家们有多拼？

　　有白天就有黑夜，没人会觉得奇怪。如果我问你，为什么夜里是黑色的呢？可能最常见的说法就是，因为太阳落山了。但是，真正的答案并没有这么简单，本文就跟各位小伙伴聊一下，为了搞清楚夜晚的天空为什么是黑的，科学家们有多拼这个话题。
　　为什么要聊这样一个话题？因为黑夜能告诉你关于宇宙的信息要远比白天多。当人类把目光投向宇宙，可能最关心的问题就是这个宇宙是有限的还是无限的呢？第一个用科学方法来论证这个问题的人是德国天文学家约翰尼斯•开普勒。
　　他认为，如果宇宙是无限的，那么亘古以来，宇宙会出现无数颗恒星发射的光芒，我们看到的天空底色应该是无比明亮的。但事实是，我们看到的并非这样，说明宇宙是有限的。毫无疑问的是，即使以今天的科技，我们看到的确实是一个有限的宇宙。（虽然没看到的不等于不存在，但是看到什么就说什么才是科学的态度。）
　　开普勒
　　物理学一个让人信服的地方就是可以对物质和运动进行定量计算，对于宇宙有限还是无限这个问题，物理学家们当然也要去发挥一下他们的特长。第一个尝试对宇宙进行定量计算的是18世纪的英国科学家埃德蒙•哈雷。
　　1720年，哈雷以宇宙无限假设且恒星在宇宙中均匀分布为前提，计算了这个假设宇宙中所有恒星所发出的亮度。他以地球为中心，把宇宙分割为一层层的同心球壳。这些球壳的容积等于4π倍半径的平方与球壳厚度的乘积。
　　哈雷
　　由于恒星的亮度与距离的平方成反比，因此，恒星亮度与恒星数量的乘积并不受距离的影响。换句话说，距离变远导致的恒星亮度减弱，抵消了由于半径增加，容纳恒星数量更多带来的亮度增加。所以，所有球壳内的恒星都是以相同的方式给地球照明。
　　如果把这些光亮加起来，则其总和是无限的，这被称作无限光亮假设。我们看到，这个结论，与事实上我们看到的夜是黑的相矛盾，由此假设错误，因此宇宙是有限的。（逻辑学上，这叫做反证法）由此可见，开普勒实在是太聪明了。
　　膨胀的宇宙
　　但哈雷自己不这么认为，他认为恒星的亮度与距离的平方成反比，减弱速度要比由于恒星数量增加造成的亮度增加快。这样的解释，就保证了哈雷的计算结果与观测事实一致，并且保留了宇宙无限这个假设。
　　还有没有其它可能呢？如果宇宙的光亮总和是无限的，是因为有一种介质吸收了恒星的光，才导致地球夜晚的黑暗呢？另一个英国天文学家约翰•赫谢尔（179--1871）否定了这个观点，他认为：如果星际介质吸收了恒星的光，就一定会升温，那么这个介质就会发亮。到此，无限光亮假设被推翻。
　　很显然，关于宇宙无限的假设到此仍然与黑夜的真实存在构成明显的理论矛盾。
　　1823年，德国天文学家海因里•奥博斯基于无限宇宙假设提出了另外一种观点，近地恒星可能会遮住距离遥远的恒星。因此，并不是无数的恒星就能带来无限的光亮，而只是最靠近地球的那些。因此，夜空背景的亮度也不是无限的，而是和一颗恒星表面的亮度相同。
　　假设恒星体积都与太阳相同，奥博斯算出这个极限距离为1022光年。现在，宇宙是不是无限，已经对于为什么夜是黑色的没有影响了，因为如果它比这个视觉极限距离更大，那么天空应该和一颗恒星表面的亮度一样。
　　1861年，德国天文学家约翰•冯•马德勒提出，由于光速是有限的（1676年，丹麦天文学家罗默通过观察木星的卫星运动得出的结论），宇宙的年龄也是有限的，所以我们无法看到所有的恒星，只能看到那些距离地球低于光在宇宙年龄增长的时间内运动的距离。
　　超过这个距离的光我们都无法看到，这个距离被马德勒称为天际线。1901年，英国物理学家开尔文运用物理学原理计算出了恒星的寿命，从而证明了马德勒的观点。但开尔文那时候并没有诞生量子力学，所以开尔文的计算结果是错误的，他算出的太阳寿命大约是3000万年。
　　这与进化论的创造者达尔文依据地质学和博物学测算的地球寿命大相径庭，产生了明显的矛盾。
　　达尔文
　　随着科学的发展，特别是量子力学的出现，在上个世纪20年代，法国物理学家让•佩兰和英国物理学家亚瑟•爱丁顿提出了恒星的能力来自原子核的理论。几年之后，德国物理学家汉斯•贝特用热核聚变反应解释了太阳发光的原理。
　　贝特的计算表明，太阳的寿命为100亿年，体积比太阳大的恒星寿命更短，因为它的亮度更高，消耗核能的速度和它体积的立方成正比。我们无法看到距离我们超过100亿光年的恒星，因为它们的光还没有传播到地球，这就使得我们可以看到的恒星数量明显减少。
　　核聚变
　　现在把贝特的计算结果重新代入到奥博斯的推理过程中，就能回答夜晚为什么是黑的问题了。在假设恒星均匀分布在宇宙中这个前提下，所有同心球壳中恒星可以带给夜晚的天空同样的亮度，当观察半径为10^10光年时，天空的亮度则为黑色。
　　简单说来，夜空之所以是黑色的，是因为我们只能看到距离我们足够近的恒星，更远球壳的光传播到地球的时间短于它们的寿命。
　　正是由于光速的有限性以及恒星寿命的有限性这两个同时存在的因素，才导致了我们只能看到无限宇宙的一小部分。天际线（哈勃球之外）阻隔了我们对宇宙光线的感知。
　　宇宙微波背景辐射
　　关于为了搞清楚夜晚的天空为什么是黑的，科学家们有多拼这个话题，就介绍到这里。文中提到的科学家，只是在为揭开这个秘密过程中贡献比较突出的科学家，还有大量的、默默无闻的科学家为此做出了巨大的贡献。
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