夜空其实是明亮的，只是我们看不见

来源：纪录片《旅行到宇宙边缘》

你有没有想过宇宙为什么是黑色的？这个简单的问题里其实隐藏着你意料之外的宇宙秘密。

18 世纪，德国天文学家海因里希·奧伯斯提出了著名的奥伯斯佯谬：假如宇宙是稳定而且无限的，而且有无数的发光星体，那么无论望向天空的哪一个位置，都应该看到一颗星体，夜空就应该是完全明亮的。

著名作家埃德加·爱伦·坡也提出了类似的想法：星星是连续不尽的，然后背景的天空将呈现一致的光亮，就像银河所显示的——因为不会有绝对的点，在那所有的背景中，星星将不复存在。因此，在那些，在这样的事态下，唯一的模式，我们可以体会到我们的望远镜在无数的方向上发现空隙，将假设无形的背景，因为距离的遥远，光芒从未能到达我们。

对于这个问题，奥伯斯自己的解释是，宇宙中存在气体和尘埃，阻挡了光线，所以不是所有星星的光都能到达地球（和下面评论区的一些看法一样）。但是，这不是一个有效的解释。气体和尘埃吸收了能量以后，会以电磁波的形式辐射出能量。在无限星体和无限空间的前提下，这些辐射还是会让宇宙变得明亮。

然而，夜空，或者说太空是黑色的。至少说明 1）宇宙中没有无限的星体，或者 2）宇宙不是永恒的。

宇宙空间可能是无限的，但是有星体的地方却只是我们周围有限的空间。这样，如果你看的足够远，你就会看到没有星体的黑暗虚空。用于描述宇宙大爆炸的暴涨理论表明，宇宙空间各处密度是均衡的；宇宙的几何结构是平坦的。

这意味着1）宇宙是一个无限的空间，2）宇宙中有无限的星体。而对宇宙的观察也表明，这很可能是正确的。

那么太空的黑暗是不是因为宇宙的年龄是有限的呢？宇宙从大爆炸到现在大约 137 亿年。那么距离我们 137 亿光年以外的星体发出的光还在路上，没有到达我们。也许如果我们等得足够久，它们的光就会到达地球，让我们的夜空亮如白昼。然而，这也是不可能的，这是因为宇宙空间每一处都在膨胀。

图片来自 www.timeone.ca

空间膨胀是均匀的，就是说每一处膨胀的速度是一样的，但是膨胀的效果是叠加的。

从上图可以看出，距离我们（点 B）越远的地方，离我们的距离增加的越多。这个叠加效果是惊人的。不难算出，离我们足够远的地方，空间远离我们的速度超过了光速。你没有看错，我是说超过了光速。

相对论告诉我们任何物体都不能以超过光速的速度在空间中运动，但是没有说空间本身不能超过光速。这个事实的后果是：在这部分空间里的星体发出的光永远不能到达我们。我们等得再久，夜空也不会亮如白昼。

由于空间的膨胀，我们的可视宇宙范围也在膨胀。现在的可视宇宙半径也是大于 137 亿光年的（466 亿光年）。随着空间膨胀，我们可以看到的宇宙范围也在增大。但是，边界之外的宇宙也在以更快的速度远离。

大部分的宇宙我们是永远看不到的，当然也永远无法到达。由于光速的限制，我们被困在一个有限的空间内，无法得知外面的宇宙是什么样子。这是不是很像黑洞视界的概念。

实际上，这也是一种视界，和黑洞正好相反。黑洞是光线永远出不去，而我们的可视宇宙是光线永远进不来。

在可视宇宙范围内，虽然光可以到达地球，但已经不是可见光了。空间膨胀把可见光的波长拉长了，相应的降低了频率。这种现象叫红移 - 光红移成了红外线或频率更低的微波。

图片来自电磁波_百度百科

这里我们忽略了宇宙中的另外一种光。宇宙诞生于 137 亿年前的大爆炸。大爆炸辐射出强烈的能量，它的光应该弥漫整个宇宙空间，为什么看不见呢？

原因是，经过 100 多亿年的空间膨胀，大爆炸的光已经红移成了微波。人类的肉眼看不见微波，但是如果我们用看得见微波的望远镜对着夜空扫描，就可以看到这一副惊人的图画：

「WMAP image of the CMB anisotropy」。来自维基共享资源

原来，夜空是明亮的，只是我们看不见。

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