為什麼宇宙是黑的

作者    Curtis Lai

在一個寧靜的晚上,躺臥在軟綿綿的草地上,有人會欣賞著點點繁星;有人會思考著世間的隱奧。但在這幅迷人的畫面中,有著一個必要的條件:天空是黑的。

 

「為什麼夜晚的天空是黑的?」

 

可能有人會覺得這問題十分無聊,並會帶著不屑的眼神說道:「夜晚的天空不是黑的,難道會是白的?」

不過,這個大家都習以為常,甚至覺得理所當然的現象,其實很可能隱藏了宇宙其中一個最大的奧秘…

 

這裡有必要說明一下什麼是黑。「黑」在嚴格的定義上,不是一種顏色,因為任何一種顏色都必定與某些波段的光相對應;而「黑」,簡單點說,就是沒有光,或幾乎沒有光;黑不是一種顏色,而是「缺乏顏色」本身。

 

夜晚為什麼是黑,第一層的答案很簡單,因為夜晚沒有足夠的光把一切照亮。若果這是你的答案,恭喜你,你答對了。但問題不應該就此打住。有一條問題一定要問,但很多人不會問的,就是「為什麼夜晚的光不夠把一切照亮?」

 

夜晚不是沒有天然光源的,頭上一閃一閃的小星星就是。為什麼星星的光不夠把一切照亮?如果有足夠的星星,能否把一切照亮…?

 

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要知道為什麼這是一條經典的天文題,我們必須把時間回溯至20世紀初,也是就愛因斯坦相對論發表的前後。請忘掉什麼大爆炸,什麼暴脹論,這些東西在那時候還未出現。宇宙是否有開始,宇宙是否無限大,這些問題在那時候依然是未知之數。

 

那時候的科學家,特別是愛因斯坦,對一個穩定的宇宙,有著一種近乎迷信的執念。他們相信宇宙是穩定的,那麼這個宇宙才能一直維持下去,人類才可能繼續繁衍不息…

 

不過,要維持一個穩定的宇宙,不是一件容易的事,原因是把蘋果砸向牛頓的力量 — 萬有引力。萬有引力相比其他力量,雖然微不足道(電磁力的強度是萬有引力的一萬億億億億倍–參考自《費曼物理學講義》),但萬有引力最厲害的地方,就是它能累積,當它累積到宇宙的程度時,它就搖身一變,成為了主宰宇宙命運的偉大力量。

 

要維持一個穩定的宇宙,必須一個平均分佈的宇宙,因為一個不平均分佈的宇宙,不可能穩定(廢話…)。不平均的宇宙,引力也就會不平均;大家都知道,引力是信奉「馬太定律」的,引力大的地方,會吸引附近的物質,而更多的物質又代表更大的引力,更大的引力又代表能吸引更多的物質…最終的結果就是幾乎所有物質都會撞在一起,那樣的世界,一點都不好玩,因為那裡不可能出現人類。對我和很多人來說,最不好玩的,莫過於人類減亡了。所以,要維持一個穩定的宇宙,宇宙的物質在宏觀上,必須是平均分佈的。

 

另外,一個穩定的宇宙,也必須是無限大才行。如果宇宙不是無限大,就好像困獸鬥一樣,物質最終也是會聚集在一起,這樣的宇宙也是不穩定的。

 

20世紀初的人,對於宇宙在時間上是否有起點,也是各自表述,莫衷一是,反正那時候也找不到什麼證據證明或否定宇宙是有起點的。當然,各位虔誠的基督教/天主教/東正教/伊斯蘭教/猶太教/祆教/…的教徒們,一定會相信,宇宙是有起點的;不過,由於20世紀初是一個宗教權威在下滑的時代,所以倒是有一大批人,相信宇宙並無起點,宇宙是一直存在的。

 

一個一直存在的穩定宇宙,多麼的吸引啊!相對於那個正在發生第一次世界大戰的混亂世界,這個宇宙更能給人安詳的感覺。可能也是這個原因,令很多人衷心相信,這就是宇宙的本來面貌。

 

可是,世事是不完美的…

 

正如一戰後那脆弱的和平一樣,這個安穩的宇宙,也是脆弱的…黎明前的黑暗,就把它徹底摧毀掉…

 

如果宇宙是無限大,平均分佈且已存在無限時間,那天空應該是光亮的!

 

道理其實很簡單,一個光源的亮度,是跟它與觀測者的距離的平方成反比的,換句話說,當一個光源與觀測者的距離變成兩倍時,它在觀測者眼中的亮度就變成四分一。所以距離我們愈遠的星星,視亮度就愈暗。

 

但若宇宙是平均分佈的,則在指定任何一個方向上,你觀看到星星的平均數目,與你觀測距離的的平方成正比。換句話說,你在二千光年內觀測到星星的平均數目,是你在一千光年內觀測到星星平均數目的四倍。

這兩個效應,剛好可以互相取消。也就是說在每一個距離上,都有平均相等份量的光線抵逹地球。而由於宇宙是無限大而且存在了無限的時間,所以將有無限量的光線有足夠的時間到達地球。天空應該是無限光亮的!

等等!有問題!誰都知道,光線是可以被阻擋的。前面的星體會把後面的星體遮蓋掉,不是一件什麼新鮮事。那麼計算下去,就不應該有無限量的光線到達地球了!不過,即使把這個效應計算下去,天空還是應該比現在的白天光亮很多倍…

一個完美的,穩定而沒有起點的宇宙模型,就是這樣被迷人的黑夜打破了…

跟據這樣的推論,宇宙要麼不穩定,要麼在時間上有其起點。這對二十世紀初的人來說,是多麼大的震撼啊!不過,科學是一個會自我修正的科目,現代天文學也不例外;一個觀念被打倒了,科學家的工作就是重建一個更能解釋這個世界的觀念,直至這個觀念再次被打破,如此循環不息,而人類也從中進步。一個要麼不穩定,要麼有起點的宇宙模型成為了必需品,這成為科學家的動力,去尋找宇宙到底是不穩定的,還是有起點的。尋找的結果出人意表:宇宙既不穩定,又有起點!於是乎,大爆炸論等宇宙理論也就因此慢慢地培育起來了…

下次當你望著美麗的黑夜時,可以想想,這個迷人的夜景,原來在訴說著宇宙的隱奧,你當會對這個世界,這個宇宙,有著另一番見解。

不過,若你與女(男)朋友看著這迷人的夜空,而你向她(他)訴說著的是宇宙的隱奧,而不是甜言蜜語時,一切後果自負…

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