夜晚的天空为什么是黑的？

这是经典宇宙学中一个著名的问题。自古以来，人们一直在猜测宇宙。在古代，人们曾经认为星星镶嵌在一个透明的球体上。中国最古老的宇宙结构理论盖天论认为天空是圆的。托勒的地心宇宙系统和哥白尼的日心说宇宙系统都包含了恒星天球的内容。中世纪的思想家尼古拉斯认为宇宙是无限的。牛顿认为空间和时间的无限性是他理论的基本原则。他还得出结论，恒星的数量必须是无限的，并且在空间中相当均匀地分布。在观察中，英国著名天文学家威廉·赫歇尔和约翰·赫歇尔宣布，至少一些可观察到的星云是由大小和结构与银河系相同的离散恒星组成的系统。这些星系存在于整个宇宙中。

19世纪的天文学家普遍认为哈勃体积必须是静态的、无限的和均匀的。然而，一个著名的反对静态的，无限的，甚至宇宙，即夜黑问题，也被称为奥尔勃斯悖论。矛盾的是，如果恒星发出的光是恒定不变的，并且空间是欧几里得的(直的)，那么宇宙中整个天空的亮度看起来是均匀的，并且像太阳一样明亮。

因为不管从哪个方向看天空，视线都会碰到星星。这可以用一个简单的几何论证来说明:现在考虑一个进入人眼的细长光锥。尽管恒星表面的表观亮度与距离的平方成反比，但圆锥体的横截面积(或恒星的数量)随着距离的平方而增加，而聚集在圆锥体中的光与它的来源无关，因此整个天空将像太阳一样明亮，但夜空实际上是黑色的。

我们如何消除观察和理论之间的矛盾？

奥尔勃斯的推导基于以下宇宙学观点:

1.宇宙物质分布均匀。

宇宙是静止的。

宇宙是无限的。

宇宙已经存在了无限的时间。为了避免得出夜空像太阳一样明亮的结论，我们必须重新审视上述观点。一个平均密度随着观测距离的增加而减小的分层宇宙模型和一个零极限可以消除这个悖论，但代价是失去一致性。然而，迄今为止的观测结果表明，宇宙物质在大尺度空间中的分布是均匀和各向同性的。这种观点被称为宇宙学原理，是现代宇宙学理论必须依据的公理。上面的第一点符合宇宙学原理，应该保留。这种分层的宇宙模型应该被抛弃。

这似乎是今天最成问题的一点，因为奥尔勃斯假设恒星不会发光。如果假设恒星并不总是那么明亮，而是在有限的过去才开始发光，这也可以避免整个天空像太阳一样明亮的结论，因为来自遥远的恒星的光还没有到达我们。这让我们面对什么？首先是让恒星发光的问题。因此，一个过去有限的宇宙似乎可以避免奥尔勃斯悖论。这时，宇宙在时间上有了一个开端。另一个具有足够大膨胀率的宇宙也可以避免奥尔勃斯悖论，即使它有无限的过去。因为根据量子理论，光子能量与其频率成正比。来自长距离高速跟踪光源的光将产生非常大的红光，因此其能量将相应减少，使其总量保持有限甚至可以忽略不计。既然没有理由在观测中放弃宇宙学原理，第一种观点应该被接受，而第二种和第四种观点应该被重新考虑。

20世纪初，爱因斯坦创立了广义相对论，为研究宇宙的整体结构提供了理论基础。宇宙的整体性质由引力场方程决定。荷兰物理学家德西特首先获得了引力场方程的普遍解，但它是动态的，不能是静态的:宇宙不是在膨胀就是在收缩。观察到，哈勃发现银河系外星系的表观后退速度与距离成正比，也就是说，距离越远，表观速度越大。这表明空间中任何两个星系之间的距离都在增加，宇宙也在膨胀。

如果一个膨胀的宇宙回到过去，它将达到一个原始的超密度状态，也就是说，宇宙是在过去某个时间原始物质的大爆炸中产生的。这是大爆炸宇宙学的宇宙学模型。为了与理论预测和实验观察相一致，宇宙在极早期经历了一个膨胀阶段。显然，一个有着有限过去的膨胀的大爆炸宇宙模型可以避免奥尔勃斯悖论。还有一个有着无限过去的稳态宇宙模型。虽然它能消除悖论，但它会破坏能量守恒，并且不能解释宇宙微波背景辐射。它不再被人们接受。总而言之，科学界公认观测到的宇宙正在膨胀。经历了一段膨胀期的大爆炸宇宙学模型是一个成功的模型，它的理论预测与实验观察结果非常一致。显然，这是一个动态的宇宙模型，宇宙可能有一个时间上的开始。这样，统一的、静态的和无限的经典宇宙学模型的第二和第四种观点是无效的。如果你放弃这两篇文章，你自然不会得出夜空像太阳一样明亮的荒谬结论。