为什么晚上这么黑？看似“正常”，实则让人“绝望”

简介

白天，来自四面八方的阳光充斥着我们的大气层，直射和反射的阳光从四面八方到达我们这里。到了晚上，阳光不会淹没大气层，因此天空中没有光点的地方，如星星或月亮，会变得黑暗。

你可能会开始思考更深层次的问题：如果宇宙是无限的，那么我们的视线无论从哪个方向看，都应该是星星吗？

既然外面有数万亿个星系，而望远镜可以看到我们肉眼看不到的微弱星系，为什么所有星系的光不能照亮天空中的每一点呢？这并不容易回答，但科学可以受到挑战。

为什么晚上这么黑？

为什么夜空是黑暗的？

这是一个困扰了科学家几个世纪的谜题，深入思考未必有意义。

我们地球上的大气层在很大程度上对可见光是透明的，因此我们可以在晚上看到深沉的黑暗。

我们在银河系中的位置也会导致尘埃和气体混合在一起，从而阻挡来自银河系中心区域的光线。但除此之外，您可能认为光应该在每个方向和每个位置都可见。

毕竟，如果宇宙真的是无限的，深空将在你能想象到的每个方向上永远延伸下去，最终你的视线会汇聚在一个明亮的光点上。如果这是真的，夜空将不会是黑暗的，而是会被每颗前往地球的长途旅行的明亮星星照亮。

但是，即使我们观察到看似空无一物的最深处，那里的恒星或星系是人眼甚至传统望远镜都看不到的，我们最强大的天文台也会显示出有许多，但在空旷的黑色背景下，存在着。仍然只有几个光点。

宇宙确实充满了恒星和星系，而且非常遥远，数百万、数十亿甚至数百亿光年。星光穿越宇宙，到达最好的观测仪器，展现浩瀚宇宙的丰富。但无论它有多大，它仍然很长，远不是无限的。

我们仍然不知道宇宙是有限的还是无限的，我们所知道的是宇宙的可观察部分一定是有限的。

尽管直到20世纪下半叶，我们对浩瀚宇宙的结构一无所知，但我们仍然知道，一个无限大的可观测宇宙是不可能的。

奥尔伯斯悖论

早在19世纪，海因里希·奥尔伯斯(HeinrichOlbers)就看到了一个悖论：

如果宇宙是无限的，恒星和星系的密度恒定，那么你会看到来自各个方向的无限量的光。你将能够看到附近所有的星星，然后在星星之间的间隔中，你会看到更远的星星。无论与它们的距离有多远——数百万、数十亿、数万亿或数十亿光年，无论你看向哪里，你的视线都会落在恒星表面。

如果你不明白，我们可以从数学的角度来思考。如果恒星的密度在整个空间都是恒定的，那么将恒星的密度乘以它们占据的体积等于你在其中可以找到的恒星总数。

恒星越远，它显得越暗，其亮度随着距离的平方而降低。但在给定距离内能看到的恒星总数与视线距离处半径的表面积有关，随着距离的平方而增加。

将星星的数量乘以每颗星星的亮度，即可得到常数。一定距离的光是一定的值，姑且称它为B，距离的两倍，亮度也是B，四倍？

或...

现在添加这个常量列：B+B+B+B+B+.....等等。你能看到这里发生了什么吗？是的，答案是去无穷大。除非此序列的条目数量有限，否则您将获得无限多的夜空亮度，每个方向都无限明亮。

从19世纪开始，奥伯斯就用这种推理方法得出可观测宇宙不可能无限大的结论，但他不能确定，因为还有很多天文问题没有答案。

这些反对意见中最常见的是，这种分析过于天真，无法考虑仅通过观察银河系平面就能看到的所有挡光尘埃。即使在现代，许多最著名的天文景观也充满了挡光的尘埃。

从“宇宙有限”的角度思考，这种尘埃的亮度甚至可以与星光相提并论，因为尘埃会被吸收并以较低能量再次辐射的可见光。

但如果我们的宇宙是无限的，那么奥尔伯斯悖论就有一个漏洞：所有尘埃颗粒都必须吸收无限量的星光，直到它们也发出与它们吸收的所有光相同的温度！

换句话说，有些事情是不正常的。我们的宇宙不可能是静止的、无限的，并且均匀分布着闪亮的星星。如果是这样，夜空将无处不在，四面八方。显然，这里有些麻烦。

扩大宇宙

当艾萨克·牛顿发现万有引力定律时，他意识到具有质量的物体总是具有引力，并且宇宙中的每个大物体都会吸引所有其他物体。

从有限宇宙的角度思考，宇宙中所有物体的万有引力必然导致整个宇宙自我坍缩的结局。事实显然并非如此，因此天文学家提出了一个悖论。当爱因斯坦在广义相对论中发展他的引力理论时，他认为他遇到了与牛顿相同的问题：他的方程式说宇宙必须膨胀或坍缩，但他认为它是静止的。

原始解决方案包含一个“常数”项，称为宇宙学常数，它在大尺度上抵消了引力的影响并产生了一个静态宇宙。

后来哈勃发现宇宙在膨胀后，爱因斯坦称宇宙常数为“最大的错误”。

同时，望远镜构造强大，可以测量昏暗的光线。利用新数据，天文学家正试图了解他们观察到的大量昏暗、昏暗和遥远的星系发出的光。

1912年至1922年间，亚利桑那州洛厄尔天文台的天文学家VestoSlisher发现其中许多天体的光谱线向红端移动。很快，其他天文学家发现这个毛茸茸的物体来自一个遥远的星系。

与此同时，研究爱因斯坦引力理论的其他物理学家和数学家发现，该方程的一些解描述了一个膨胀的宇宙。

在这些解决方案中，来自遥远物体的光在穿过膨胀的宇宙时会根据波长进行重塑。随着与物体的距离增加，红移也会增加。

1929年，加利福尼亚州帕萨迪纳卡内基天文台的埃德温·哈勃测量了几个遥远星系的红移。他们还通过测量一类恒星的表观亮度来测量相对距离，这些恒星在每个星系中的亮度波动称为造父变星。

当他绘制红移与距离的关系图时，他发现距离越远的星系红移越大，这一现象只能用宇宙膨胀来解释。

当科学家意识到宇宙正在膨胀时，自然而然地认为宇宙很小。

在过去的某个时刻，整个宇宙将是一个点。在这一点上，大爆炸发生了，这就是宇宙的开始。

演化的宇宙在时间和空间上是有限的。正如牛顿和爱因斯坦的方程式所暗示的那样，宇宙之所以没有坍缩，是因为宇宙自诞生以来一直在膨胀。宇宙处于不断变化的状态。宇宙演化是一个基于现代物理学的新概念，它解释了一个从古代到20世纪初一直困扰着天文学家的悖论。

科学家通常利用红移现象来测量遥远星系与地球的距离，而哈勃望远镜的极限是波长为1.8微米的近红外光，这也限制了哈勃望远镜的观测范围。

当光束距离很远时，它们的波长超出了哈勃的可观测范围。

由于宇宙膨胀，观测者无法观测到逆行速度超过光速的区域。这个可观测范围形成的球形区域称为哈勃球体或哈勃体积。哈勃体积通常被认为等于可观测宇宙。事实上，可观测宇宙的体积比哈勃的体积还要大。

夜并不是真的“黑”。

奥尔伯斯在他那个时代无法知道，因为世界是无限的（也许）。我们生活的宇宙有一个开始：没有昨天的一天，这个“开始”被称为大爆炸，它为可观测宇宙中可能存在的所有物质、辐射、能量和光提供了起点。

但这带来了另一个谜题，如果宇宙是热的、致密的、充满物质和早期辐射的，就像大爆炸所解释的那样，那么最初的辐射一定会进入我们的眼睛。无论我们向哪个方向看，都无法逃脱这种辐射。

事实上，根据目前的观察，我们可以计算出今天充斥宇宙的大爆炸遗留下来的光子数量，答案是每立方厘米空间有411个。

如果你把一台带兔耳的非常老旧的电视机带到银河系深处，远离任何星星，将它调到第3频道，你会看到与你在地球上看到的相比，“雪花”大约是“雪花”的1%，那是大爆炸的辐射。

我们从大爆炸中接收到这种光，它以一种不可避免的方式出现在天空的各处。你无法用肉眼看到它的唯一原因是宇宙在历史上一直在膨胀，所以这种曾经可见的光现在被转换成你的眼睛看不到而你的皮肤可以看到的长波长。它没有感觉，你的身体甚至无法检测到它。

但是你的微波炉和收音机天线可以接收到它。事实上，这就是最初发现辐射的方式，也是确认大爆炸的方式：一个巨大的无线电天线接收信号，无论何时何地操作它的科学家都在寻找它。

如果我们的眼睛适应了看微波或无线电光的条件，我们就会在各个方向看到一个均匀明亮的夜空，任何地方都没有黑点。

结语

然而，这个发现是绝望的。宇宙永远在膨胀，人就像困在笼子里的动物。我们看不到外面，甚至看不到所有的光。

当然，如果我们能用微波观测天空，天空在任何时候都会显得四面八方明亮。今天，我们已经建造了卫星来精确测量这种辐射，它使我们能够比我们有限的感官更多地了解宇宙的起源和特性。

夜空对我们来说似乎是黑暗的，但永远存在的光为这个宇宙悖论提供了最好的答案。

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