夜晚的天空為什么是黑的
小朋友們，大家有沒有奇怪過，為什么我們一天二十四小時(shí)，有白天和黑夜呢？還有夜晚的天空為什么是黑的？這是經(jīng)典宇宙學(xué)中的一個(gè)著名的問題．自古以來，人們就不斷地對(duì)宇宙進(jìn)行種種猜測(cè)．
古代的人們?cè)?jīng)認(rèn)為星星是鑲嵌在一個(gè)透明球面上的．中國最古老的宇宙結(jié)構(gòu)學(xué)說蓋天說的基本觀點(diǎn)是天圓地方．托勒政的地心宇宙體系和哥白尼的日心地動(dòng)宇宙體系中都包括恒星天球的內(nèi)容．中世紀(jì)的思想家尼古拉認(rèn)為宇宙是無限的．牛頓把空間和時(shí)間的無限性作為他的論的基本原．他還推斷：星星的數(shù)目必定是無限的，而且相當(dāng)均勻地分布在空間．觀測(cè)上，英國著名的天文學(xué)家威廉&iddt;赫歇耳和約翰&iddt;赫歇耳父子宣布至少某些可觀測(cè)星云是與銀河系具有相同尺度和結(jié)構(gòu)的分立的恒星組成的系統(tǒng)．這些星系居于個(gè)宇宙之中．19世紀(jì)天文學(xué)家普遍認(rèn)為可觀測(cè)宇宙必須是靜態(tài)、無限的和均勻的．而對(duì)靜態(tài)、無限、均勻的宇宙的一個(gè)著名反對(duì)意見即夜黑問題，也稱奧伯斯佯謬．這個(gè)樣謬是說，若恒星發(fā)出的光不變且都相同，而空間又是歐幾里得的（平直的），則在此種宇宙中個(gè)天空的亮度看起來是均勻的，且與太陽一般亮．
因?yàn)闊o論從哪一個(gè)方向觀看天空，視線都會(huì)碰到一個(gè)星星．這一點(diǎn)可以用一個(gè)簡(jiǎn)單的幾何論證說明：現(xiàn)考慮進(jìn)入人眼的一束細(xì)長(zhǎng)的錐形光線．雖然恒星表面的視亮度與距離平方成反比，但錐體的截面積（或恒星的數(shù)目）隨距離平方而增加，則集中在錐體內(nèi)的光與它從什么地方發(fā)出沒有關(guān)系，因而個(gè)天空就要亮得像太陽一樣，實(shí)際上夜空卻是黑的．如何才能消除觀測(cè)與論之間的矛盾呢？
奧伯斯的推導(dǎo)基于以下的宇宙學(xué)觀點(diǎn)：
1．宇宙物質(zhì)是均勻分布的．
2．宇宙是靜態(tài)的．
3．宇宙是無限的．
4．宇宙存在的時(shí)間已經(jīng)無限長(zhǎng)．為了避免夜晚的天空像太陽那么亮的結(jié)論，我們必須重新考察上述觀點(diǎn)．一個(gè)平均密度隨觀測(cè)距離的增大而減小，并以零為極限的等級(jí)式宇宙模型可以消除佯謬，但要付出失去均勻性的代價(jià)．但迄今為止的觀測(cè)結(jié)果是：宇宙物質(zhì)在大尺度空間內(nèi)的分布是均勻和各向同性的．這個(gè)觀點(diǎn)稱為宇宙學(xué)原，是
現(xiàn)代宇宙學(xué)論所必須依據(jù)的公．上述第一點(diǎn)符合宇宙學(xué)原，應(yīng)予保留．這樣等級(jí)式宇宙模型應(yīng)該放棄．于奧伯斯假定恒星發(fā)光不變，這一點(diǎn)今天看來最成問題．如果假定恒星并不是永遠(yuǎn)那么亮，而是在有限的過去才開始發(fā)光，于遠(yuǎn)處恒星的光線尚未到達(dá)我們這兒，這也可以避免個(gè)天空像太陽那么亮的結(jié)論．這使我們面臨著是什么首次使恒星發(fā)光的問題．如此看來一個(gè)具有有限過去的宇宙可避免奧伯斯樣謬．此時(shí)宇宙在時(shí)間上有個(gè)開端．另外一個(gè)有足夠大膨脹速率的宇宙也能避免奧伯斯佯謬，即使它具有無限的過去．因?yàn)楦鶕?jù)量子論的觀點(diǎn)，光子的能量正比于其頻率．遠(yuǎn)距離高速追行光源的光線將產(chǎn)生非常大的紅移，因而其能量將相應(yīng)減小，使其總和保持有限，甚至可忽略不計(jì)．于觀測(cè)上尚無放棄宇宙學(xué)原的，第一條觀點(diǎn)應(yīng)該接受，而第二、第四條應(yīng)該重新考慮．
20世紀(jì)初，愛因斯坦創(chuàng)立了廣義相對(duì)論，這就為研究宇宙的體結(jié)構(gòu)提供了論基礎(chǔ)．宇宙的體性質(zhì)引力場(chǎng)方程決定．荷蘭物學(xué)家德西特首先獲得了引力場(chǎng)方程的一個(gè)宇宙解，但它是動(dòng)態(tài)的而不可能是靜態(tài)的：宇宙要么是膨脹的，要么是收縮的．觀測(cè)上，哈勃發(fā)現(xiàn)河外星系的視向退行速度與距離成正比，即距離越遠(yuǎn)，視向速度越大．這說明宇宙空間中任意兩個(gè)星系間的距離都在增大，宇宙在膨脹．
如果一個(gè)膨脹的宇宙沿時(shí)間反溯回去將會(huì)達(dá)到一個(gè)原始的超密態(tài)，也就是宇宙于過去某一時(shí)刻創(chuàng)生于一次原初物質(zhì)的大爆炸過程．這就是大爆炸宇宙學(xué)的宇宙模型．為了論預(yù)言和實(shí)驗(yàn)觀測(cè)相一致，宇宙在極早期曾經(jīng)歷一個(gè)暴脹階段．顯然一個(gè)具有有限過去而正在膨脹的大爆炸宇宙模型能避免奧伯斯佯謬．還有一個(gè)具有無限過去的穩(wěn)恒態(tài)宇宙模型，它雖能消除佯謬，但卻要破壞能量守恒且不能解釋宇宙微波背景輻射等，已經(jīng)不再為人們所接受．
綜上所述，現(xiàn)在觀測(cè)到的宇宙在膨脹，這是科學(xué)界公認(rèn)的．經(jīng)歷一個(gè)暴脹階段的大爆炸宇宙學(xué)模型是一個(gè)成功的模型，其論預(yù)言與實(shí)驗(yàn)觀測(cè)十分吻合．顯然這是一個(gè)動(dòng)態(tài)的宇宙學(xué)模型，且宇宙在時(shí)間上可能有一個(gè)開端．這樣看來，對(duì)于一個(gè)均勻、靜態(tài)、無限的經(jīng)典宇宙學(xué)模型，其第二、第四條觀點(diǎn)不成立．如果放棄這兩條，也就自然不會(huì)得出夜晚的天空像太陽那么亮的荒謬結(jié)論．