Question

为什么星星那么多，宇宙还是黑色的？

Answer 1

1720年，英国著名天文学家哈雷提出这个问题：宇宙中的星星不计其数，但银河系就有成百上千亿颗恒星，因此，无论往那个方向看去，天空都应该是明亮的，但为什么天空一片漆黑呢？后来法国人乔梭和德国人奥伯斯重新提出了这个问题，还给出了自己的答案，因为奥伯斯对这个问题研究最深入，因此后人把这个问题称为奥伯斯佯谬。

奥伯斯提出的答案是，星际空间中存在吸光的物质，这当然是错误的，因为能量是守恒的，不管是什么物质，吸收能量之后，最终一定要把能量释放出来，吸收能量会导致温度上升，最终把能量辐射出来。

实际上，只要你认为宇宙是无限的，同时是均匀静态的，通过积分，，一定可以得出天空应该是明亮的，这也很好理解。

严格来说（从数理上来说），奥伯斯佯谬要满足四个条件：

1. 宇宙是均匀的，即天体在宇宙中的分布和单位时间发出的能量分布到整个宇宙是大致相同的；

2. 宇宙是无限大的；

3. 天体发射能量的平均值，不随时间变化；

4. 宇宙是静态的，不会随时间变化。

而我们现在对奥伯斯佯谬的解释是建立在宇宙大爆炸理论上的。我们发现，宇宙在膨胀并在过去曾将快速膨胀，即宇宙暴涨。即，今天的宇宙比昨天更大，这意味着，顺着时间往上，宇宙存在一共起点，这就是奇点，即宇宙从奇点开始，奇点爆炸以后快速膨胀，直到今天。宇宙大爆炸理论会带来两个问题。

一是宇宙并非是无限大的，直到我们能观测到的宇宙不是无限大的，我们的可观测宇宙半径约为460亿光年，关于可观测宇宙大小的推导非常复杂，就不展开了，总之，由于宇宙膨胀，以我们为观测者，在可观测宇宙的边界，天体正以光速远离我们，对我们而言，他们的光线永远无法到达这里，因此，我们看不到这些天体的光。这里再进一步解释一下，光速最快是对局域参考系而言的，即你相对你周围的物体的速度不能超过光速，但宇宙膨胀的是全空间的固有属性，与相对论无关，因此，可观测宇宙边缘的天体对我们有一个额外的速度增量，这个增量来自宇宙膨胀，而他们离我们的距离太过遥远，这并不违反相对论。总之，可观测宇宙边缘或之外的天体正以光速甚至超光速远离我们是符合狭义相对论的，我们能观测到的宇宙大小是有限的，我们能看到的天体也是有限的。

二是辐射红移，由于宇宙在膨胀，离我们越远的天体，正在加速远离我们，由于多普勒效应，这会导致远处的天体发射的光子往长波方向移动，即我们观测到的远方的天体的光子波长增加，频率变小。即能量在变小。

因此，实际是我们只能观测到有限的天体，接受有限的天体的光线，这些光线能量还在减小，所以，我们的夜空并不是明亮的，而是黑暗的。

当然，这是建立在宇宙大爆炸理论上的解释，宇宙大爆炸理论本身也有一些未解决的问题。