星光不會消失，只是改由其他氣體重新發出：《宇宙黎明》選摘（2）

直到18世紀，瑞士天文學家尚－菲利浦．德．歇索（Jean-Philippe Loys de Cheseaux，1718-1751）終於意識到這個問題，遙遠星光的總和並不是理所當然的黯淡，所以夜空悖論並不能以「遙遠星光必定變暗」來自圓其說。他採取另一條特別的思路：考慮星球的大小，有限數量的星球即可把整片天空的視野填滿。

愛德華．羅伯特．哈里森（Edward Robert Harrison，1919-2007）《夜晚的黑暗：宇宙之謎》（Darkness at Night: A Riddle ofthe Universe）詳述歷史上的科學家對於奧伯斯悖論的觀點。書中用森林來比喻歇索的對夜空的思路—我們身處一片寬廣無際的森林中，而森林裡的巨木是均勻排列。放眼望去，第一排樹木只填滿視野中的一小部分，樹木之間還有寬闊的空隙，可以看見後面許多排樹木。第二排樹木填充了視線中的許多空隙，不過仍然留下不少間隔。繼續看第三排、第四排，又有一部分的間隙填滿了。直到某一排，所有空隙全部填滿，觀察者無法再看到背後的樹木。

歇索設想的夜空，相當於一個又一個由內到外的球殼構成，球殼上都有均勻分布的星球。第一個球殼上的星球填充小部分的天空，接著由第二、第三個球殼上的星球繼續填充空隙，最後到某一個球殼的星球將天空全部填滿。在歇索的計算中，假設每個球殼厚度4光年，則760兆個球殼會把夜空填滿星星。然而，760兆這個數字實在太大了，要是我們能看到760兆個球殼的星星，那麼夜空顯然會非常明亮，不符合實際情況。

歇索想到了一個解方，來解釋夜空悖論，那就是星際中的流體會吸收星光，阻止過多的星光傳向我們。哈里森比喻，這個情境不只是在森林裡看見一排又一排的樹木，而是在雲霧瀰漫的森林裡看那些樹木，所以遠方的樹木會看起來比視線清晰時黯淡許多。歇索發現，假如太空中不是完全透明，而是稍微帶有一點不透明度，則抵達地球的所有星光就會明顯比透明的宇宙黯淡很多。他估算，即使宇宙中的流體比水還要清澈330,000兆倍，也可有效減低星光的亮度，使得抵達地球的星光只比新月的地球照（earthshine）亮33倍，所以夜空不會太明亮。所謂的地球照，是指太陽光經由地球反射後，稍微照亮月面上的昏暗部分。

被掛名在「奧伯斯悖論」上的奧伯斯也意識到，哈雷推論星球因為距離遙遠而太暗不可見，是個錯誤的想法。奧伯斯指出，如果宇宙中有無限多個太陽，則整個天空應該都與太陽一樣亮。他提出另一個思路，在無限多個太陽的假設下，無論視線指向天空中的任何一個方向，必定都會遇上與太陽光一樣亮的星光。奧伯斯想到的解方與80年前的歇索其實是一樣的，也就是宇宙中其實不是完全透明的，如果星光在星際空間中被吸收，夜空就不會像太陽一樣亮。事實上，奧伯斯可能有看過歇索的書，只不過我們已經習慣把這個問題稱為「奧伯斯悖論」，而不是「歇索悖論」。 （相關報導： 夜空悖論─夜是黑的，只因星星距離太遙遠？《宇宙黎明》選摘（1） ｜ 更多文章 ）

然而，歇索與奧伯斯的解方也有重大缺陷。事實上，星光由星際空間中的氣體吸收了以後，能量並不會憑空消失，而是會把氣體加熱。氣體吸收太多星光以後，就會達到與太陽表面一樣的高溫，重新發出熱輻射，也就是會發光。也就是說，星光不會消失，只是改由其他氣體重新發出。因此，星際物質的吸收很難有效降低星光的總量。既然以上解方都不正確，我們更加困惑了，究竟為何夜空是黑暗的呢？

20世紀，人類對宇宙樣貌的認識大幅改變，進入「物理宇宙學」的時代，不但近代物理的基礎上逐漸建構理論，也開始可以精確觀測宇宙的樣貌與演化。宇宙膨脹以及大爆炸理論的確立後，奧伯斯悖論終於得到完善的解答，不再是真正的悖論。

發現宇宙膨脹

說到宇宙膨脹，一定要談到那位叼著煙斗的天文學家哈伯（Edwin Hubble，1889-1953），著名的哈伯太空望遠鏡（HubbleSpace Telescope）就是以他為名。他曾經志願加入美軍，參與第一次世界大戰。戰爭後，他從歐洲回到美國，1919年加入加州的威爾遜山天文台（Mount Wilson Observatory），開始使用當時最先進的100吋（約2.5米）胡克望遠鏡（Hooker telescope）。接下來幾年間，哈伯有個重要的研究目標是測定星系（在當時的觀點是「星雲」）的距離。

乍聽之下，測定距離不難吧？我們都知道，某光源離我們越遠則越暗，離我們越近則越暗。如果能知道星系中的某個天體本身的發光功率（稱為光度），再測量它在我們面前看起來有多亮（稱為亮度），就可以換算出天體與我們的距離。

但是問題來了，我們必須先知道某種天體絕對的發光功率（光度），才能拿它當作「標準燭光」（圖1.4），作為關鍵的量天尺。星系中是否有哪種天體，可以作為標準燭光呢？這個問題就不簡單了。

1912年， 美國女性天文學家亨麗埃塔．史旺． 勒維特（Henrietta Swan Leavitt，1868-1921）從觀測數據發現，有一種稱為造父變星（Cepheid variable）的天體，很容易藉由觀測推知它的光度。造父變星是一種周期性脈動的變星，以穩定的周期反覆膨脹及收縮，導致光度有周期性波動。勒維特發現，這類變星有個特殊的規律，它們的光度與光度變化的周期呈現固定關係，可用簡單的數學函數表達，稱為「周光關係」。既然這個關係是固定的，我們只要測量造父變星亮度變化的周期，就可以換算出光度。一旦有了光度和亮度的數據，就可以算出變星的距離。運用這個聰明的辦法，造父變星就可以作為量天尺，告訴我們這顆變星所在星系的距離。 （相關報導： 夜空悖論─夜是黑的，只因星星距離太遙遠？《宇宙黎明》選摘（1） ｜ 更多文章 ）

＊作者歐柏昇，國立臺灣大學物理學系博士、歷史學系學士。現為中央研究院天文及天文物理研究所博士後研究學者、德國海德堡理論研究所訪問科學家，《科學月刊》編輯委員。本文選自作者新著《宇宙黎明》（允晨文化）