宇宙為什麼是黑色的？

宇宙永遠都是太空的熱門話題，今天和大家聊聊這個看似有簡單答案的話題，宇宙為什麼是黑色的？

18世紀，德國天文學家海因里希·奧伯斯提出了著名的奧伯斯佯謬：假如宇宙是穩定而且無限的，而且有無數的發光星體，那麼無論望向天空的哪一個位置，都應該看到一顆星體，夜空就應該是完全明亮的。

著名作家埃德加愛倫坡也提出了類似的想法：

星星是連續不盡的，然後背景的天空將呈現一致的光亮，就像銀河所顯示的——因為不會有絕對的點，在那所有的背景中，星星將不復存在。因此，在那些，在這樣的事態下，唯一的模式，我們可以體會到我們的望遠鏡在無數的方向上發現空隙，將假設無形的背景，因為距離的遙遠，光芒從未能到達我們。

對於這個問題，奧伯斯自己的解釋是，宇宙中存在氣體和塵埃，阻擋了光線，所以不是所有星星的光都能到達地球（和下面評論區的一些看法一樣）。但是，這不是一個有效的解釋。氣體和塵埃吸收了能量以後，會以電磁波的形式輻射出能量。在無限星體和無限空間的前提下，這些輻射還是會讓宇宙變得明亮。然而，夜空，或者說太空是黑色的。至少說明1）宇宙中沒有無限的星體，或者2）宇宙不是永恆的。宇宙空間可能是無限的，但是有星體的地方卻只是我們周圍有限的空間。

這樣，如果你看的足夠遠，你就會看到沒有星體的黑暗虛空。用於描述宇宙大爆炸的暴漲理論表明，宇宙空間各處密度是均衡的；宇宙的幾何結構是平坦的。這意味著1）宇宙是一個無限的空間，2）宇宙中有無限的星體。而對宇宙的觀察也表明，這很可能是正確的。那麼太空的黑暗是不是因為宇宙的年齡是有限的呢？宇宙從大爆炸到現在大約137億年。那麼距離我們137億光年以外的星體發出的光還在路上，沒有到達我們。也許如果我們等得足夠久，它們的光就會到達地球，讓我們的夜空亮如白晝。然而，這也是不可能的，這是因為宇宙空間每一處都在膨脹。

空間膨脹是均勻的，就是說每一處膨脹的速度是一樣的，但是膨脹的效果是疊加的。從上圖可以看出，距離我們（點B)越遠的地方，離我們的距離增加的越多。這個疊加效果是驚人的。不難算出，離我們足夠遠的地方，空間遠離我們的速度超過了光速。你沒有看錯，我是說超過了光速。相對論告訴我們任何物體都不能以超過光速的速度在空間中運動，但是沒有說空間本身不能超過光速。這個事實的後果是：在這部分空間里的星體發出的光永遠不能到達我們。我們等得再久，夜空也不會亮如白晝。

由於空間的膨脹，我們的可視宇宙範圍也在膨脹。現在的可視宇宙半徑也是大於137億光年的（466億光年）。隨著空間膨脹，我們可以看到的宇宙範圍也在增大。但是，邊界之外的宇宙也在以更快的速度遠離。大部分的宇宙我們是永遠看不到的，當然也永遠無法到達。由於光速的限制，我們被困在一個有限的空間內，無法得知外面的宇宙是什麼樣子。這是不是很像黑洞視界的概念。實際上，這也是一種視界，和黑洞正好相反。黑洞是光線永遠出不去，而我們的可視宇宙是光線永遠進不來。

在可視宇宙範圍內，雖然光可以到達地球，但已經不是可見光了。空間膨脹把可見光的波長拉長了，相應的降低了頻率。這種現象叫紅移 - 光紅移成了紅外線或頻率更低的微波。

這裡我們忽略了宇宙中的另外一種光。宇宙誕生於137億年前的大爆炸。大爆炸輻射出強烈的能量，它的光應該瀰漫整個宇宙空間，為什麼看不見呢？原因是，經過100多億年的空間膨脹，大爆炸的光已經紅移成了微波。人類的肉眼看不見微波，但是如果我們用看得見微波的望遠鏡對著夜空掃描，就可以看到這一副驚人的圖畫：

原來，夜空是明亮的，只是我們看不見

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