Do wykonania jednej z najbardziej podstawowych obserwacji nie trzeba wielkich teleskopów, nie trzeba wielu nocy obserwacji. Wystarczy jedna gwiaździsta noc... i chwila zastanowienia. Zastanowienia nad tym, ile gwiazd nas otacza, a pomimo tego dlaczego niebo jest ciemne?

W okresie, kiedyAlmagest Ptolemeusza stanowił podstawę wiedzy astronomicznej, zastanowienie takie wydawało się zbyteczne. Wszechświat stanowił jedną olbrzymią, puszczoną w ruch machinę, której centrum stanowiła nieruchoma Ziemia, najdalszym ograniczeniem zaś była sfera gwiazd stałych, poza którą już nic być nie mogło. Zgodnie z koncepcjami Arystotelesa, które legły u podstaw tego modelu, przestrzeń pozbawiona materii nie istnieje, tak więc przedstawiony model Wszechświata był skończony, ograniczony przestrzennie. W modelu takim skończona liczba gwiazd przyczepionych do ostatniej sfery nie budzi zdziwienia. Warto nadmienić, że już starożytni atomiści z Demokrytem na czele głosili, że Wszechświat składa się z nieskończonej ilości poruszających się atomów, że atomy te, jak w pojemniku, muszą poruszać się w nieskończenie rozciągłej pustej przestrzeni, poglądy te jednak nie zostały zaakceptowane przez ówczesnych i nie były w stanie konkurować przez stulecia z klasycznym modelem geocentrycznym. Dopiero Newtonowi zawdzięczamy odrodzenie koncepcji nieskończonego przestrzennie Wszechświata, tym razem już na bazie ścisłych sformułowań mechaniki, a nie spekulacji filozoficznych. Ugruntowane przez Newtona koncepcje absolutnej przestrzeni i absolutnego czasu zapanowały na długo w fizyce (aż do narodzin obu teorii względności: szczególnej i ogólnej). Przestrzeń kosmiczna istniała u Newtona jak gdyby nieskończenie rozciągły pojemnik, obdarzony właściwościami geometrycznymi, ale nie fizycznymi, wypełniony różnego rodzaju ciałami niebieskimi.

A oto jak Newton uzasadniał sam nieskończoność Wszechświata:

"Gdyby cała materia naszego Słońca i planet i wszelka w ogóle materia we Wszechświecie rozłożona była równomiernie na niebie, każda zaś cząstka wykazywała właściwe sobie ciążenie ku pozostałym, jednocześnie cały obszar przestrzeni wypełniony tą rozmieszczoną w nim materią był skończony, wtedy materia znajdująca się w zewnętrznych częściach tego obszaru dążyłaby w rezultacie własnej ciężkości ku materii wypełniającej jego wnętrze. Spadałaby więc ona w kierunku do środka całej przestrzeni, w wyniku czego powstałaby tam jedna wielka kulista masa. Gdyby jednak materia rozłożona była równomiernie w przestrzeni nieskończonej, nigdy nie mogłaby zebrać się w jednej bryle. Część jej mogłaby utworzyć jedną masę, część zaś inną, i w ten sposób postałaby nieskończona liczba wielkich mas rozrzuconych w dużych odległościach wzajemnych w całej tej nieskończonej przestrzeni. I tak właśnie powstać mogło Słońce i gwiazdy stałe"

Rozumienie Newtona stanowiło próbę wyjaśnienia dlaczego "wbrew" siłom powszechnego ciążenia powstało wiele ciał niebieskich zamiast jednego.

Czyli wyjaśniając: Bazując na oddziaływaniach grawitacyjnych, które sam opisał, Newton wywnioskował, że Wszechświat musi być nieskończony, inaczej cała materia znajdująca się w nim na wskutek ciążenia ku sobie, zbiłaby się w jednym miejscu. A więc mamy niepodważalny na miarę tamtych czasów fakt, że Wszechświat jest nieskończony.

Nieskończoność przestrzeni ratowała w tym ujęciu Wszechświat przed zapaścią grawitacyjną do jednego miejsca. Ale rodziły się inne trudności, na które kolejno zwracali uwagę Halley i de Cheseaux, aż wreszcie wyraźnie sformułował je Olbers.

 

 

Po pierwsze: Wszechświat jest jednorodny w całej swej rozciągłości.

Po drugie: Wszechświat jest niezmienny w czasie.

Po trzecie: W przestrzeni kosmicznej nie występują ruchy o dużej skali.

I po czwarte: Prawa fizyki obowiązują w każdym miejscu.

W jednym pytaniu: „Dlaczego w nocy niebo jest ciemne, skoro patrząc w każdym kierunku patrzę na jakąś gwiazdę?”

Jeśli nieskończenie wielki wszechświat zawiera nieskończoną liczbę gwiazd, to niebo powinno nieustannie promieniować jednolitą jasnością, gdyż w każdym kierunku obserwacji nasz wzrok napotykałby gwiazdę. 

To tak, jak wtedy, gdy stoimy w środku gęstego lasu: Między każdymi dwoma pniami, znajdzie się kolejny, także ostatecznie gdzie się nie popatrzymy, nasz wzrok zatrzymuje się na drzewie, bo ich liczba jest bardzo duża. Gdziekolwiek nie spojrzymy, nasz wzrok w lesie zatrzymuje się na jakimś drzewie.

Pierwszą propozycję rozwiązania tego problemu przedstawił w 1576 roku Anglik Thomas Digges. Twierdził on, że światło odległych gwiazd (których liczba i tak jest nieskończona) może być zbyt słabe, żeby rozświetlić niebo aż tak mocno. Argument ten jest oczywiście nieprawdziwy, bo średnie natężenie światła, którym promieniowałyby te bardzo odległe gwiazdy i tak sprawiałoby, że są widzialne.

Następnie w 1610 roku tę zagadkę próbował rozwiązać Kepler. Jako pierwszy zauważył, że idea nieskończonego wszechświata kłóci się z rzeczywistością, bowiem patrząc na nocne niebo dostrzegamy pustą przestrzeń pomiędzy gwiazdami.

Nad zagadnieniem tym jeszcze przed Olbersem myślał wspomniany już wcześniej de Cheseaux, któremu wydawało się, że znalazł wyjaśnienie. Obłoki ciemnej materii (pyłu) mogłyby zakrywać odległe gwiazdy. Było to jednak wyjaśnienie pozorne. Olbers poszedł dalej, rozpatrując krytycznie, co będzie się dziać z obłokiem, pochłaniającym padające nań promieniowanie. Obłok taki będzie się stopniowo nagrzewać, w końcu temperatura jego wzrośnie, ale wtedy i on będzie promieniować, rozżarzy się. Wiemy dziś, że przy ustaleniu się równowagi obłok taki będzie wypromieniowywać tyle energii, ile sam dostaje (choć może być to w innym zakresie widma). Tak więc ani wprowadzenie przesłaniających obłoków, ani też innych ciemnych (czy jasnych) ciał na drodze promieniowania, docierającego do nas, nie jest w stanie usunąć paradoksalnej konsekwencji rozumowania.

Różnica między przewidywaniem wyprowadzonym przez Olbersa, a wyglądem nocnego nieba oznacza, że prawdziwy Wszechświat nie spełnia co najmniej jednego z założeń wyjściowych. I znowu wyobraźmy sobie, ze stoimy w lesie. Tym razem niech to będzie niewielki zadajnik. Człowiek stojący pośrodku niewielkiej kępy drzew dostrzeże pomiędzy pniami teren leżący poza lasem. Analogia między gwiazdami a pniami drzew nasuwa przypuszczenie, że w prawdziwym Wszechświecie drobny ułamek powierzchni sfery niebieskiej jest pokryty gwiazdami, pomiędzy którymi sięgamy wzrokiem w przestrzeń pozbawioną gwiazd. Nie oznacza to jednak, że nasza Galaktyka znajduje się w środku obszaru wypełnionego "lasem" galaktyk, poza którym znajduje się pusta przestrzeń. Obecnie wiemy, że Wszechświat powstał w wyniku Wielkiego wybuchu miliardy lat temu, a zatem skończony jest jego wiek. Zatem nawet, jeśli Wszechświat jest nieskończony przestrzennie, to ze względu na skończoną prędkość światła, dociera do nas promieniowanie jedynie ze skończonego obszaru. Co więcej, z powodu ekspansji Wszechświata, światło dalekich galaktyk jest osłabione tym bardziej, im dalej dane źródło się znajduje. Ciemne tło nieba wynika przede wszystkim (choć nie jedynie) z tego faktu. Kilkanaście miliardów lat temu materia we Wszechświecie nie była jeszcze skupiona w gwiazdach. Zatem obszary na tyle odległe, że światło biegło stamtąd do nas wiele miliardów lat, są ciemne i stwarzają wrażenie, jakby były wolne od materii. Poza skończonym czasem trwania, rzeczywisty Wszechświat różni się od założonego przez Olbersa również innymi własnościami; przede wszystkim rozszerza się, czyli nie jest stacjonarny, oraz ulega przemianom ewolucyjnym.

Temat ten nadal drążono. W 1955 roku, amerykański kosmolog Hermann Bondi zauważył, że skoro odległe galaktyki są czerwieńsze niż te bliskie, na skutek przesunięcia ku czerwieni. To redukowałoby ilość energii, otrzymywaną przez ziemskiego obserwatora, sprawiając, że widziane przez niego niebo faktycznie byłoby ciemne. Rozwiązanie to dość powszechnie uważano za obowiązujące w kosmologii relatywistycznej, jednak Edward Harrison w swoich dogłębnych studiach wykazał, że zależy ono od fizyki konkretnego modelu, który przyjmiemy.

Edward Harrison nie spoczął jednak na krytyce rozumowania Bondiego – sam zaproponował rozwiązanie paradoksu Olbersa. W 1964 roku obliczył ilość energii potrzebnej do rozświetlenia całego nieba. Okazało się, że jest to niewiarygodnie duża liczba: widoczny Wszechświat potrzebowałby 10 trylionów razy więcej energii świetlnej, niż obecnie widzimy. To oznacza, że nawet jeśli cała materia we Wszechświecie zostałaby przekształcona w energię świetlną, nocne niebo byłoby tylko troszeczkę jaśniejsze niż jest obecnie.

Obecnie za poprawne uważa się dwa rozwiązania: albo Wszechświat jest zbyt młody, albo energia Wszechświata jest zbyt mała. Pozostałe, jego hierarchiczna struktura i przesunięcie ku czerwieni traktuje się bardziej jako potwierdzenie ciemności nocnego nieba, a nie jej przyczynę.

Pytanie o ciemność nocnego nieba, które mogło wydawać się nam dosyć błahym, sprawiło, że zaczęliśmy głębiej zastanawiać się nad jego rzeczywistą konstrukcją. Dzięki niemu zaczęliśmy drążyć temat. Kto wie, jaka byłaby teraz nasza wiedza o Wszechświecie, gdyby kilkaset lat temu ktoś nie zadał sobie tego prostego, jakby się mogło wydawać, pytania?