深度科普：宇宙為什么是黑色的？科學(xué)家：假象而已

夜晚，沒有了太陽的光照，天空露出了宇宙的本色——黑色。凝望著深邃的夜空，你是不是很好奇：宇宙為什么是黑色的？這個問題其實也不難解釋：宇宙中的可見光太稀缺。

浩瀚的宇宙

我們的眼睛看到的宇宙不是真實的宇宙，至少是不完整的宇宙。為什么這么說呢？我們看到什么樣的宇宙取決于我們眼睛的視覺能力。人的眼睛只能感知380納米到750納米范圍內(nèi)的電磁波，也就是可見光波段。在這個范圍外的光波我們就看不到了。而可見光波段在我們能探測到的整個電磁波譜范圍中占比極小，遠(yuǎn)小于1%。
不難想象，如果我們有一雙能夠感知全波段的“眼睛”，我們就會看到一個完全不同，充滿各種輻射和能量、極其明亮的宇宙。可事實上，我們沒有這樣的眼睛。我們憑借肉眼觀察宇宙只能停留在可見光波段。宇宙中的可見光是非常“稀缺”的。

可見光波長范圍

宇宙為什么是黑色的？19世紀(jì)，德國天文學(xué)家海因里希·奧伯斯就曾經(jīng)困惑于這個問題。那時候普遍觀點認(rèn)為“宇宙是無限、靜態(tài)和永恒的”。奧伯斯認(rèn)為如果這個觀點是正確的，那么無限的宇宙中應(yīng)該包含無數(shù)顆恒星，那么無論你朝著夜空的哪個方向看，你都會看到某顆恒星。那么整個夜空就應(yīng)該像白天一樣明亮，甚至比白天還要明亮才對！但結(jié)果并非如此，宇宙中的可見光不但沒有像假設(shè)的那樣充滿整個宇宙，反而是極其“稀缺”的。這也就是所謂的“奧伯斯佯謬”。

星空

宇宙中的可見光究竟有多“稀缺”呢？蘇聯(lián)的科普作家雅科夫·伊西達(dá)洛維奇·別萊利曼在他的科普著作《趣味天文學(xué)》中做過一個有趣的計算：夜空中所有肉眼可見的恒星（大約6000顆）的光輝疊加起來只相當(dāng)于一顆-4等星，跟金星的亮度差不多。不難想象，一顆-4等星怎么會照亮整個夜空呢？宇宙中的可見光這么稀少，我們看到的宇宙只能是黑色的啊！
為什么宇宙中的可見光這么稀少？除了可見光波段在整個電磁波譜范圍占比極小外，主要還有3個原因：

可觀測宇宙

首先，宇宙的年齡是有限的，光速是有限的，我們看不到“全部”的恒星。可觀測宇宙的半徑為460億光年，在此之外的天體發(fā)出的光還沒有足夠的時間抵達(dá)地球。因而我們視線所能及的恒星數(shù)量是有限的，不足以讓整個天空都變亮。
其次，紅移讓可見光變得不可見。宇宙并非靜止，而是在不斷的膨脹，星系之間彼此遠(yuǎn)離。當(dāng)一個光源遠(yuǎn)離我們時，它發(fā)出的光波就會被拉長，波長向著光譜的紅色端移動（紅移），光子的能量會降低，來自遙遠(yuǎn)星系的可見光會變成肉眼不可見的紅外線。

最后，星際物質(zhì)并非完全透明。宇宙空間中并非絕對的真空，存在大量稀薄的氣體和塵埃云，它們會遮擋一部分可見光，并輻射出肉眼不可見的紅外線。

由于上述原因，原本占比就不高的可見光能抵達(dá)地球的少之又少，自然無法灑滿整個夜空。于是在我們的眼中，除了那些依稀可見的星光外，剩下的就是無盡的黑暗了。

雖然我們?nèi)祟惖难劬o法感知可見光波段以外的電磁波，但是我們可以通過一些特殊的儀器和望遠(yuǎn)鏡看到可見光以外更加“寬廣”的宇宙。

韋伯空間望遠(yuǎn)鏡拍攝的紅外光波段下的宇宙

例如2021年發(fā)射升空的韋伯空間望遠(yuǎn)鏡就是一款大型紅外線望遠(yuǎn)鏡。它可以讓我們看到肉眼無法看到的紅外波段（600納米~28000納米）的宇宙。通過韋伯空間望遠(yuǎn)鏡我們可以看到更古老的宇宙。著名的哈勃空間望遠(yuǎn)鏡觀測范圍不僅局限于可見光波段，還具備強(qiáng)大的紫外光觀測能力。

宇宙微波背景輻射

如果借助于射電望遠(yuǎn)鏡，我們還會看到整個天空都散發(fā)著微弱的背景輝光，它就是宇宙大爆炸后的殘余熱量，其溫度約為 2.7 開爾文（接近絕對零度）——充滿整個宇宙的宇宙微波背景輻射。

近紅外，紅外光，X光波段的銀河系中心

通過這些特殊的望遠(yuǎn)鏡，我們發(fā)現(xiàn)黑色不再是宇宙的主色調(diào)。宇宙是明亮而豐富多彩的。宇宙為什么是黑色的？這是因為我們的眼睛只能看到宇宙中少之又少的可見光。而那些我們無法看到的光就只能用黑色來填充了。你覺得是這么回事兒嗎？