夜晚天空 為何一片漆黑?

文/郭詠澧 |2026.07.07
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圖/琪琪

文/郭詠澧

「白天是蔚藍的,夜晚卻是一片漆黑,夜晚的天空為何是黑的?」

多數人的回答是「因為地球在自轉,晚上太陽在我們背後,陽光只能照到地球的另一面,天空自然是漆黑的。」

但是長久以來,物理學家懷疑這個答案不夠完整,有直覺上的矛盾存在。19世紀物理學家認為宇宙有三項條件:宇宙無限大,沒有邊界;恆星無限多,均勻分布;宇宙永恆存在。在上述條件的宇宙模型裡,想像你站在宇宙中任意一點,向任意方向畫一條射線,這條線在無限遠的距離上,終究會碰上某顆發光的恆星,以此推理,整個夜空應該會被無數恆星的光芒填滿,而不是黑的。這個問題於1823年由德國天文學家奧伯斯正式提出,在物理學史上稱為「奧伯斯悖論」(Olbers' Paradox):「無限多恆星+無限長時間=無限亮的天空」,但現實卻是「夜空很黑」。

20世紀物理學家發現用光的傳播、能量衰減和宇宙演化知識解開了這個謎題。先從「白天為什麼是亮的?」說起。人類生活在地球上被大氣層包裹著,太陽光包含波長各不相同的紅橙黃綠藍靛紫顏色的光,當陽光穿過大氣層時,會遇到無數微小的氣體分子與水滴;這些粒子比可見光的波長還要小,於是就發生了散射現象,波長愈短的光,愈容易被散射。藍光與紫光波長較短,被強烈地散射,布滿了整個天空,而紅光與橙光的波長較長,直線穿透,不容易被散射,所以白天我們看到的天空是藍色的。

光會衰減 亮度稀釋



物理學家發現第一個原因:光會衰減,距離會「稀釋」亮度。因為光源亮度隨著距離平方衰減。例如:

距離增加2倍時,亮度變成1/4。

距離增加10倍時,亮度變成1/100。

在無限宇宙中,雖然恆星數量很多,但絕大多數都極其遙遠;愈遠的恆星,到達地球的光就愈弱。然而距離衰減只是讓夜空變暗,但不會讓夜空變黑。

宇宙有齡 傳光受限



然後,天文學家發現宇宙誕生在138億年前的一次大爆炸;從那時起,空間、時間、物質才開始存在。物理學家發現第二個原因是宇宙有年齡,光從某顆恆星出發,那些距離超過138億光年的恆星,它們的光還沒有足夠的時間傳到地球。這打破了奧伯斯悖論的前提:宇宙不是無限古老的,因此夜空不會無限光亮。

紅移效應 光源遠離



物理學家發現第三個原因是宇宙正在膨脹,光被「拉」紅了(紅移效應)。物理教到一種能理解的現象:多普勒效應。救護車朝你開來,聲音變尖(頻率變高);救護車遠離而去,聲音變低(頻率變低);光源靠近你,光波被壓縮,產生藍移(頻率升高),光源遠離你,光波被拉長,產生紅移(頻率降低)。哈伯在1929年發現宇宙正在膨脹,而且愈遠的星系退行速度愈快。當一個星系高速遠離時,它發出的可見光會被拉長,變成紅外線、微波,甚至無限電波,這些光不再屬於可見光波段,這讓遠方恆星的貢獻大幅減弱。簡言之,宇宙膨脹把大量星光「紅移」出了可見範圍,讓夜空變得更暗。

吸收阻擋 散射削弱



第四個原因是星際介質也會吸收與阻擋光亮。因為宇宙中並不完全是真空,星際空間中存在稀薄的氣體、塵埃等離子,它們會吸收一部分星光;散射一部分星光,進一步削弱了到達地球的星光。

夜空為什麼是黑的?物理學家終於總結為上述四種原因;並且認為奧伯斯悖論的意義不只是尋求解釋「夜空為什麼是黑的」,更讓人類重新審視自己的宇宙觀:從「永恆不變的無限宇宙」,轉變成「宇宙有起點,並且一直在變化,是正在不斷膨脹的宇宙」。

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