白天，陽光從四面八方涌來，陽光從我們能看到的任何地方射向我們的眼睛。到了晚上，陽光不會覆蓋頭頂的大氣層，所以天空中到處是黑暗，沒有光點，如星星、行星或月亮。

你是否對此產生過懷疑么。如果宇宙是無限大的，我們的視線不應該最終撞上恒星，不管我們朝哪個方向看？考慮到那里有數萬億個星系，望遠鏡能夠看到我們眼睛看不到的微弱星系，為什么所有這些星系發出的光都不能照亮天空的每一個點？

這是困擾科學家數世紀的難題。如果你仔細考慮它，它甚至可能對你沒有意義。是的，我們地球上的大氣層對可見光基本上是透明的，這使我們能夠在夜間看到廣闊的深空深淵。我們在銀河系中的位置很特殊，銀河平面被前景塵埃和氣體遮蔽，這些塵埃和氣體阻擋了銀河系中心區域的光。

夜色中的銀河系

（上圖說明：在美國大峽谷附近的拍攝到的銀河系，巧合的是，這是我自己第一次看到銀河系。銀河系的平面看起來很暗，與位于我們銀河系平面上的背景恒星形成了鮮明的輪廓。）

但除此之外，你可能期望在每一個方向和每一個地方看到光，理論上你是能夠看到的。畢竟，如果宇宙是真正無限的，那么深空的空虛就會永遠存在。在任何你能想象到的方向，最終你的視線將遇到一個閃亮的光點。

如果這是真的，那么夜空根本不會是黑暗的，而是會由每一個星光路徑到達地球的星星照亮。

然而，即使我們看到看似空洞的最深處，人眼或傳統望遠鏡也看不到星星或星系，我們最強大的天文臺雖然能看到許多，但它仍然只是少數在空曠的黑色背景下的光點。

是的，宇宙充滿了恒星和星系；是的，它們距離我們很遠：數百萬，數十億甚至數百億光年。星光穿過宇宙，到達我們最好的觀測設備，在很大程度上展示了一個豐富的宇宙。但是，宇宙太過浩瀚，人類的最好的觀測設備所觀測到的恒星及星系也僅僅是九牛一毛。

（上圖說明：宇宙可能是真正無限的，有無數的恒星和星系在四面八方。但是，如果情況如此，您完全預計最終，您的視線將相交發光物體。如果是這樣的話，黑暗是不可能的。）

從科學上講，對于宇宙是有限的還是無限的，還沒有定論；我們只是不知道而已。然而，我們所知道的是，我們所能觀測到的宇宙部分必須是有限的。盡管我們在20世紀后半葉之前對宇宙的大規模結構幾乎一無所知，但我們仍然知道，一個無限大的可觀測宇宙根本不可能。

早在19世紀，海因里希·奧爾伯斯（Heinrich Olbers）就注意到了一個數學悖論。如果你處在無限的宇宙里，恒星和星系的密度是恒定的，那么你最終會看到，從你觀察的每個方向發出的無限多的光。你會看到附近所有的星星，然后在星星之間的空間里，你會看到更遠的星星。在這些星星之間的空間里，隨著距離的增加，你會看到更多的星星。不管與它們的距離有多遠——數百萬、數十億、萬億、萬億光年等等——最終，無論你在哪里看，你都會碰到一顆恒星。

（上圖說明：恒星的大小、顏色和質量各不相同，包括許多明亮的藍色恒星，它們的質量是太陽的幾十倍甚至數百倍。這在半人馬座的開放星團NGC3766中得到了證實。如果宇宙是無限的，即使是這樣的星團也不會顯示恒星之間的“間隙”，因為一顆更遠的恒星最終會填補這些間隙。）

如果你愿意，可以用數學方式考慮一下。如果恒星的數密度在整個空間中是恒定的，那么你將找到的恒星總數等于恒星密度乘以宇宙的體積。一顆恒星越遠，它就越暗：它的亮度隨著反距離的平方 (~1/r2)而下降。

但是，您在特定距離處可以看到的恒星總數與球體的表面積有關，而球體的表面積隨著距離的平方而增加（球體表面積的公式為4πr2）。將星數乘以每顆恒星的亮度，得到一個常數。距離一定距離的亮度是一個特殊的值：讓我們稱之為B，兩倍的距離，亮度也是B，三倍？還是B，四倍？還是B。

如果宇宙密度均勻，你會在任何方向遇到無限多的恒星光

現在把這個系列加起來：B+ B + B + B + ...等等。你能看出這是怎么回事嗎？不幸的是，答案是走向無窮大。除非這個系列有一些截止點，否則每個方向的夜空亮度都會獲得無限值。。

早在19世紀，奧爾伯斯就用這一推理來得出結論，可觀測到的宇宙不可能是無限的，但他不能肯定。畢竟，還有其他天文問題。一個常見的反對意見是，這種天真的分析沒有考慮到客觀存在的遮光塵埃，你只要看看銀河系平面就能看到這些塵埃。即使在現代，我們許多最著名的天文景點都充滿了遮光的塵埃。

（上圖說明：像我們銀河系中發現的黑暗的、多塵的分子云，會隨著時間的推移而坍塌，并產生新的恒星，其中最密集的區域形成了最巨大的恒星。然而，即使它后面有許多恒星，星光也不能穿透塵埃，它會被吸收。）

在一個有限的宇宙中，塵埃可以與星光競爭，因為撞擊塵埃的可見光被吸收并以較低的能量重新輻射。但是如果宇宙真的是無限的，奧爾伯斯悖論的問題就會出現在每一顆遮光塵埃中：每一顆塵埃都必須吸收無限量的星光，直到它也在它吸收的所有光的相同溫度下輻射出來！

（上圖說明：從我們的角度來看，可觀測的宇宙可能有460億光年，但肯定還會更遠，甚至可能是無限的。宇宙可能是無限的，但我們只能看到138億年來的光：大爆炸以來的時間。）

我們知道，宇宙不可能是靜止的、無限的和充滿了永遠閃耀的星星。如果是這樣的話，在所有的地方和方向，夜空將永遠是永遠的明亮。顯然，這里還有其他工作要研究。

事實上，由于對太空認識的限制，奧爾伯斯在他那個時代根本不可能知道的，并不是宇宙的范圍不是無限的（它仍然可以是無限的），而是它在無限長的時間內不會以當前的形式返回。我們今天居住的宇宙有一個開始，這個開始被稱為大爆炸，它為所有可能存在于可觀測宇宙中的物質、輻射、能量和光劃出了一條起始線。

藝術家對可觀測宇宙的對數尺度概念圖

（上圖說明：星系讓位給了大規模的結構和邊緣地帶創世大爆炸的熾熱、稠密的等離子體。試圖弄清楚可見宇宙中有多少星系是我們這個時代的一大宇宙任務。）

宇宙不是永遠存在，因此我們只能觀測到距離特定和有限距離的恒星和星系。因此，我們只能從它們獲得有限數量的光、熱和能量，我們的夜空中不能有任意大量的光。

但這又引出了另一個難題。如果像大爆炸所說的那樣，宇宙在早期是熱的、稠密的、充滿物質和輻射的，那么早期的輻射最終應該會到達我們的眼睛。無論我們往哪里看，無論從哪個方向看，都不應該有輻射逃逸。

事實上，根據現代觀測，我們可以計算出今天宇宙中還剩下多少光子，答案是每立方厘米的空間有411個光子。如果你問我們為什么不檢測到它，答案是我們一直這樣做。如果你要帶一臺非常老式的電視，一臺帶有兔耳天線的電視，深入到星際空間的深處，遠離任何恒星或地面無線電源，你可以把它調到3頻道。你可以看電視屏幕上布滿了“雪花點”，這就是來自大爆炸的輻射。

（這臺老式電視機上有老式的天線，用來接收電視信號。在地球上，只有一小部分"雪花"信號，大約1%，是由于大爆炸的輻射。）

事實上，我們確實從大爆炸中接收到了這種光，而且它在天空中以一種不可避免的方式被發現。你肉眼看不到它，是因為宇宙在宇宙歷史的進程中不斷膨脹，所以這一曾經可見的光現在已經轉變成如此長的波長，以至于你的眼睛看不到它們，你的皮膚感覺不到它們，你的身體也無法檢測到它。

但是你的微波和無線電天線可以接收到它們。事實上，這就是這種輻射最初被發現的方式，也是大爆炸最初被證實的方式：一個巨大的無線電天線，無論操作它的科學家在何時何地尋找這個信號，都能夠接收到這個信號。如果我們的眼睛已經適應了微波或無線電波，事實上，我們會看到一個明亮的“夜空”，它在各個方向上都是均勻明亮的，在任何地方都沒有黑點。

如果我們能用眼睛看到微波，整個夜空看起來就像綠色的橢圓形。

它需要兩個事實，一起解釋為什么夜空是黑暗的。第一個是宇宙只存在了有限的時間，這限制了我們目前可觀測到的輻射的范圍和數量。第二，我們只能看到電磁光譜的有限部分的光，那就是可見光部分。

相反，如果我們能用微波光觀察天空，天空在任何時候，都從四面八方閃爍著光芒。有點諷刺的是，夜晚在人類眼中看上去顯得黑暗，那是因為我們人類眼睛對光局限性所導致。