我喜歡看似簡單的問題——簡單到甚至問出來都覺得傻的問題——卻能引出深刻的，甚至是宇宙級的見解。
例如：為什麼夜空是黑暗的？
我可以想象你讀到這裡會想，“真的嗎？這很深刻？”
關於支援科學新聞報道
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道 訂閱。透過購買訂閱，您正在幫助確保未來能夠持續釋出關於塑造我們當今世界的發現和思想的具有影響力的報道。
是的。是的，它是深刻的。我也可以想象你心想，“但是答案顯而易見！星星的數量是有限的。距離較遠的星星更暗淡。所以它們之間有很多黑色空間，而且那裡沒有任何東西會被它們照亮。當然夜空是黑暗的。”
但是這個答案是錯誤的，或者充其量是不完整的，而且實際情況甚至對一個世紀左右以前的著名科學家來說也不是顯而易見的。而且第一個解決這個謎題的人——或者至少，第一個給出正確的書面科學答案的人——幾乎肯定不是你想的那個人！
需要明確的是，夜空並非完全黑暗。即使在最黑暗的地方，地球大氣層也會發出微弱的光芒。然而，我們在這裡談論的是宇宙學上的黑暗：宇宙本身處於未被照亮的狀態。即使如此，仍然存在一些背景光源——遙遠的恆星和星系太小太暗，無法單獨看到——但與太陽表面相比，天空看起來仍然非常黑。
這可能看起來像是一個極端的比較，但事實並非如此。這正是問題的核心。
歷史上，天文學家堅持宇宙在時間和空間上都是無限的想法，永遠延伸下去。它一直存在，也將永遠存在。它是靜態的，不變的。
有理由相信這一點，特別是如果你是比如 19 世紀的天文學家。你可能會認為銀河系就是整個宇宙，並且以上帝的名義，它日復一日地沒有變化。哦，當然，你會說月亮經歷了盈虧圓缺；每個行星，忠實於該詞的希臘詞源，在天空中游蕩等等。但是星星總是存在，並且一直存在。
然而，這個想法引出了一個問題：如果宇宙在空間上是無限的，並且恆星均勻分佈在整個宇宙中，那麼天空應該是明亮的——非常明亮的，基於其幾何形狀。
假設你數出所有位於以地球為中心的薄球殼中的恆星，球殼壁厚一光年，距離為 1000 光年。如果你觀察另一個距離是兩倍（2000 光年）且厚度相同的球殼，數學計算表明它的體積將是原來的四倍，因此其中恆星的數量也是原來的四倍。像這樣的薄球殼的體積隨著其距離的平方而增加。
然而，它離得更遠，這意味著恆星會更暗淡。這遵循平方反比定律：亮度隨著距離的平方而下降。因此，一顆距離是原來兩倍的恆星的亮度將是原來的四分之一。
這意味著你選擇的任何球殼看起來都與其他球殼一樣明亮，無論其距離如何。無論遠近，體積的增加和亮度的降低正好相互抵消。
好吧，這很好。但請記住，在我們的 19 世紀思維中，宇宙是無限的——這意味著有無限數量的球殼和無限數量的恆星。在這種情況下，無論你向外看多遠，你的視線總是會擊中一顆恆星，無論你觀察的天空區域有多小。這意味著整個天空應該像恆星一樣明亮！
不想讓你太難接受，但事實並非如此。天空是黑暗的。這怎麼可能呢？嗯，你可能會爭辯說，太空中存在星雲、塵埃和氣體雲。這些可能會阻擋來自更遙遠恆星的光，使天空保持黑暗。
可悲的是，這行不通。這些雲會吸收所有輻射而升溫，並很快像任何恆星一樣發光。你並沒有透過新增星雲來解決問題；你只是稍微推遲了它。而無限的宇宙是有耐心的。很快，到處都會一直明亮，而你又回到了原點。
我們將這種看似黑暗天空的矛盾稱為奧伯斯悖論，以德國天文學家海因裡希·威廉·馬蒂亞斯·奧伯斯的名字命名，他在 1823 年的論文《Über die Durchsichtigkeit des Weltraums》（《論空間的透明性》）中寫到了它。我要指出的是，按照西方的命名傳統，儘管奧伯斯不是第一個想到或寫到它的人，但它還是被這樣稱呼——這個問題已經存在了幾個世紀，16 世紀的英國天文學家托馬斯·迪格斯在提出宇宙本質上可能是無限的時就討論過它。
許多學者研究了這個問題，但沒有人提出對奧伯斯悖論的合理科學解決方案。然而，這種情況在 1848 年發生了改變，當時一位美國作家發表了一篇題為 Eureka: A Prose Poem 的文章。文章中，他提出宇宙的範圍不是無限的，並且由於光速也是有限的，因此根本沒有足夠的時間讓所有光線到達我們這裡。
因此，在這種情況下，我們能夠理解望遠鏡在無數方向上發現的空隙的唯一方式是假設不可見的背景距離如此遙遠，以至於來自它的光線尚未到達我們這裡。
儘管這篇文章沒有提供定量的數學解決方案——那會在幾十年後由著名的英國物理學家開爾文勳爵（威廉·湯姆森）提出——但它在原則上是正確的，構成了正確解釋的兩個關鍵部分之一。
這篇文章的作者是誰？埃德加·愛倫·坡。我敢打賭你再也不會用同樣的方式看他了。
答案的另一部分是相似的，即宇宙並非一直存在。在 20 世紀早期，天文學家已經懷疑宇宙遠大於銀河系，變得更加確定。宇宙膨脹的發現推翻了靜態宇宙假設，即宇宙是不變的觀點，並與其他觀測結果一起，為當前的大爆炸模型鋪平了道路。大爆炸模型並不排除空間無限的宇宙，但為了支援坡的猜想，它確實預測了一個開始，一個宇宙的第一天。最終，我們只能看到那麼遠，來自太遙遠恆星的光線無法到達我們這裡。
有趣的是，即使宇宙發生在穩態宇宙中，宇宙的膨脹仍然可以解釋夜空的黑暗。如果整個宇宙真的在不斷變大，那麼在離地球一定距離的地方，這種膨脹會以太快的速度將恆星帶走，以至於它們的光無法到達我們這裡。因此，與其說黑暗的天空證明了大爆炸模型，不如說大爆炸是理解正在發生的事情的關鍵方面。
現在我們知道宇宙大約在 138 億年前開始形成，這限制了我們能夠看到物體的最遠距離。宇宙的膨脹也使它們的光線變暗，因為它們在到達我們這裡時會損失能量（產生宇宙紅移）。此外，恆星的壽命是有限的，一旦所有星雲氣體都被消耗殆盡來製造它們，宇宙就會變暗，隨著時間的推移，夜空會變得更加黑暗。
開爾文勳爵本人說過，科學中不存在悖論；它們是由於我們理解有限而產生的虛幻衝突。我們對宇宙瞭解得越多，所謂的悖論本身就越變得黯淡並消失。