22.1. 宇宙学分部序言¶
严格地说，这个庞大的部分不是行星遥感部分的必要部分，因为后者几乎只属于我们的太阳系——宇宙的一个极小的组成部分。然而，遥感是观测天文学的一个支柱，它本身是宇宙学的一个密切相关的领域，宇宙学是研究宇宙整体起源、演化和行为的科学。通过望远镜进行的视觉和仪器观测都使用了类似于（但通常更为复杂和先进）的解释技术，这些技术是我们用来研究地球和邻近行星的。越来越多的天文观测是从在扭曲的大气层上方运行的空间平台上进行的。整个电磁频谱的光谱测量是支持各种现代宇宙学模型的主要数据源。天文学家是遥感界的真正成员。
这些面板是在美国宇航局戈达德太空飞行中心的天体物理数据中心使用那里和其他地方研制的卫星的结果组装而成的。要查看每个区域的高分辨率版本并了解如何获取数据，请单击位于以下地址的网站： http://adc.gsfc.nasa.gov/mw/milkyway.html
宇宙学是作家（NMS）的爱好和特殊兴趣之一——从高中开始，他就对科学有了第一次的了解。这曾经是一个尝试性的职业选择，直到我的数学能力变得明显，以至于我无法掌握物理学的基本概念，达到在天文学和宇宙学方面取得卓越成就所需的程度。但是，多年来，我“吞食”了许多文本和流行的叙述（从艾萨克阿齐莫夫的平装本开始），它们涉及物理学的三个主要领域：量子力学，它涉及非常小的领域；牛顿物理学，它涵盖了“日常世界”尺度的物理学，以及相对论/天体物理学，它研究了非常大的领域。（宇宙尺度），特别是在 相对论的 以接近光速的速度对物体进行测量的条件。这使我有足够的基础知识来尝试这一小节，这是对宇宙学基础的当前知识的浓缩调查，呈现在一个广义的描述性叙述中，而不是一个严格的，数学发展的概要。我已经寻求-但还没有获得-由专业的天文学家审查，希望验证和改进其内容（如果你的评论，如果你是这样的资格，将非常感谢和作出相应的改变）。但就目前而言，我对不可避免地在本文中出现的错误和疏忽承担全部责任。
我的出发点是阅读（并重新阅读） 大爆炸 ，作者约瑟夫·西尔克，1989年第2版，W.H.弗里曼公司，我也概述了这一点。 在TOTO。 从此，第一版就准备好了。然后，通过哈勃太空望远镜制作的许多壮丽的插图在他们的主页上被互联网“发现”，被下载并合并到文本中，然后被扩展和重写。接下来，1997年秋天， The Whole Shebang: A State-of-the-Universe(s) 1997年，蒂莫西·费里斯在华盛顿特区的一次访问中，在书店里发现了西蒙和舒斯特。在全面阅读之后——这是一个非常推荐的外行语言账户——进行了更多的修改。
又一次去那里，发现了一本刚刚出版的教科书。 现代宇宙学基础， 由J.Hawley和K.Holcomb于1998年出版的《牛津出版社》（Oxford Press）将这一调查范围定为高中阶段的一项调查，我以谨慎的速度进行了调查，尽管一直很着迷。我认为它是我读过的最好的科学书籍之一。它从爱因斯坦狭义和广义相对论的观点出发，以恰当的方式对待宇宙学。（首先是狭义相对论，它根据运动系统的电动力学来处理时空问题；广义相对论是一种对引力作用的完善。）直到那时，我才完全意识到，本教程中（仍然）使用的宇宙学方法是不完整的，过于简单化的，尽管它是充分的，而且是重新定义的。在其上下文中合理有效，尽管它没有在适当的相对论框架中呈现。我并没有根据相对论宇宙学重写整个小节——这将大大延长它的长度——而是从他们的书中提取了一些重要的思想和信息，并通过拼接到文本中来将它们结合起来。但是，如果你对宇宙学有一种持久的好奇心，或者从这一小节中得到发展，并且想用一本包含相当简单和易于管理的数学的专著来学习更多，我强烈建议你订购这本书（在通常的书店不太可能找到它），并留出一个月左右。需要去研究宇宙学的“基础”（我建议每天大约10页，因为你需要消化和思考它的许多意义）。
我故意避免在本小节中解释更多 先锋派 宇宙学的各个方面，如：一切理论（包括宇宙起源的所有物理方面的统一模型）；自发的自我创造；量子宇宙学；霍金辐射（利用量子力学、热力学和相对论）；超维空间（大于3到至少10维）；多重宇宙韵律；超对称；超弦；磁单极子；虫洞和时间旅行。也许关键的答案来自于将在21世纪初发射的“普朗克探索者”宇宙飞船的观测。同时，考虑到这些想法的平装本是 超空间 由Michio Kaku，1994年，锚定书（Doubleday）在一个清晰的阐述中对待上述许多主题，是另一个推荐阅读。另外一个极好的评论是 宇宙蓝图 由保罗戴维斯，试金石书籍，1992年；他的两个更哲学的大部头，试图调和现代科学世界和形而上学的问题（包括上帝在创造中的作用）列在本小节的末尾。另外两篇由牛津出版社出版的优秀评论是 创造的左手 作者：John Barrow和Joseph Silk，1993年更新版，以及 宇宙的生命 李斯莫林，1997年。
我忍不住要说几句话（实际上是几段）来谈论相对论下最基本的观点。在20世纪初，相对论是爱因斯坦关于非牛顿框架中运动和重力的思想的产物（牛顿的物理学，特别是在力学领域，在三维空间的动力学和日常经验中常见的速度下运作良好）。狭义相对论最早于1905年提出，它是基于这样一个前提：光速确实是一个常数——一个绝对值——它决定了人们必须如何接近宇宙物理现象的测量值。许多关于物理宇宙中时间和运动的相对方面的结论都是从这个简单的陈述中得出的：当从所有的运动（惯性）参照系中测量时，光的速度是相同的，而不管它们的（相对）速度如何。换句话说，光的速度是不变的，并且无论是从地球上以天体速度运动的点还是从超高速飞行的宇宙飞船上测量，d的精确值都将始终为299792公里/秒（186282英里/秒）。从这一原理得出的推论是，对于以不同的匀速运动的任何两个系统，所有力学定律（在物理学中）在两个系统中以相同的方式运行，即不受其相对速度的影响或缓和。然而，相对论是最相关和适用的现象，其中涉及非常高的速度，以及物理方面涉及的量子态的物质和能量。
在地球生命中行驶的低速（与光相比）下，我们都经历过汽车中的小差速对州际公路的影响，而在下一条车道上，汽车的速度稍低（实际上，我们感觉到我们走得很快，因为我们的眼睛能看到站在路边的特征。生病了）。但相对而言，运动差异的感觉是最小的。但是，一个旁观者（比如一个行人）注意到两辆车都开得很快。然而，当我们将向前运动与在对向车道上反向运动的汽车进行比较时，我们的相对运动感会更加强烈。
现在，假设我们占据了一个以极端速度移动的航天器（接近光速）。如果我们能以某种方式测量出光在宇宙飞船外移动时的速度，不管我们的速度如何，我们发现光以大约300000公里/秒的固定值移动。从我们船上的参照系来看，我们在航天器内的相对运动是相对于航天器本身静止不动，但相对于外部物体和观察者移动得相当快。对于快速移动的航天器乘客来说，船上的时钟相对于其他地方的静止时钟（例如地球上的时钟）似乎移动得更慢，因此时间会延长（秒之间的间隔增加）（强烈的引力场也会产生同样的效果）。我们不仅看起来像在减速，而且在运动方向上，我们在维度上也在缩短。对于一个遥远的观测者来说，由于光线离开快速前进的飞行器的不同部分的时间不同，我们的航天器将出现扭曲。实际上，对于任何以相对论速度运动的人来说，时间都会延长，空间也会缩小。如果我们在20年的高速旅行之后回到地球上，我们将只经历短暂的老化，而观察者留下的20年从我们的旅程开始就为他的生命增添了活力。
根据这种推理，爱因斯坦得出结论，解释相对论运动产生的不寻常现象所需的适当维度是4，而不是传统的3（空间：长度、宽度、深度或高度）。第四维度，即时间维度，在牛顿力学中被认为与空间维度无关。在爱因斯坦的推论中，时间和空间是可以互换的。宇宙基本上是一个四维的状态。时间的作用在测量运动中物体的位置上变得至关重要：时间进入是因为位置在变化，即使在从一个源头到另一个观察者的旅行中消耗了时间。
从狭义相对论这一方面得出的一个推论是，宇宙的巨大维度要求我们在测量距离时总是考虑时间。因此，今天从100亿光年外的星系到达我们这里的光实际上记录了100亿年前星系过去的那一刻。我们看到的是当时的银河系，而不是现在的银河系（事实上，到目前为止，它已经有了很大的进化，失去并获得了许多恒星）。同样，它当时相对于我们的位置和现在不一样。物体在整个空间中的分布，在我们今天所观察到的信息中，反映了过去不同的时间和地点，体现了 时空 .
在爱因斯坦的一个思想实验中，他设想了一束光以相对论速度加速穿过宇宙飞船内部会发生什么。将狭义相对论的概念应用到机载观测者身上，光沿着直线传输，因为光源和车辆都以相同的速度行驶。但是对于一个静止的外部观察者来说，光束看起来是弯曲的，因为当它从高速行驶的车辆中出来时，它的光子的位置会逐渐移动。因此，在重力加速度的影响下，必须在两点（a，源；b，目标）之间移动最短距离的光将受到a在相对于b处观察者的传输时间内移动了有限距离的影响-因此，光沿着一条曲线移动，由此得出空间本身在东南方向弯曲。穿过它的光沿着一条曲线路径移动，这条曲线仍然代表点之间的最短距离。（球体上的任何一段纵线都是弯曲的，但仍然是该段两端点之间最短的距离。）
爱因斯坦的另一个结论是，质量和能量是一个连续统一体，在某些条件下，能量可以“凝结”成质量，反之，质量可以转换成能量（因此：e=mc2 ，c是光速）。从这个方程可以推断，当物体以接近光速的速度移动时，其能量将开始显著增加。同样地，对于外部观察者，质量本身将向无穷大方向增加（尽管在船上测量时，质量保持不变，即，被视为“静止质量”）。这种质量-能量等效与时空等效并列在他所取得成就的榜首。它还构成了从原子核“攻丝”中回收大量能量的方案的基础；原子弹爆炸释放的能量来自这一关系。
爱因斯坦在1916年提出的广义相对论，是他试图将引力纳入时空图的努力。根据我们的经验，重力强烈地依赖于质量。爱因斯坦认识到重力也依赖于运动和空间的几何学。因此，他还假设了另一个等价物：加速度和重力。这个 电梯落球 示例说明了这一点。如果电梯停下来，一个球落下，它将以适合地球重力的加速度直线向下移动。相反，如果在快速下降（从而加速）的电梯中释放，当电梯的速度变化刚好与标准重力平衡时，球将“悬挂”在电梯中，而不是下降。（这类似于飞机加速快速俯冲时短时间内诱发失重的效应；这一效应由自由漂浮证明，航天飞机上的宇航员在以平衡的角速度运行时也会经历这种效应 [抵消] 地球引力。）
在大尺度上（恒星和星系），重力可以被认为是一种影响几何学的力，换句话说，重力弯曲或扭曲了时空结构。物质/能量决定了时空的曲率，并被称为“扭曲”空间（这可以被可视化如下：考虑一个固定的橡胶板，上面画了一个网格图案；一个重物，如岩石，如果允许落在板上，将产生一个凹陷，并扭曲该压痕周围的网格）。那么，在爱因斯坦看来，引力只是质量在四维空间延伸中引起曲率的效应。对广义相对论有效性的“酸性检验”是在一次日全食期间，对来自遥远恒星的光线进行弯曲（轻微，但可测量）的实际观测，以便太阳边缘外的恒星看起来相对于它们在天空中的通常位置在位置上移动。
那么，这些都是相对论的一些基本概念，可能在这里用这种凝聚的方式如此肤浅地表达出来，以至于只有对其特性、性质和影响的模糊洞察才会被植入。有关更多详细信息，请参阅以上引用的任何参考文献。还要记住，很多相对论对于日常生活经验来说都是陌生的，因此很难想象高速发生的物理过程的后果。与宇宙相比，地球上的重力很弱，相比之下，我们受到的运动非常缓慢。对我们来说，牛顿物理学工作得很好；对于整个宇宙来说，爱因斯坦物理学和量子力学都需要得到一个正确的运行图。
这是序言的结尾。现在回到宇宙学部分，它有广泛的范围和许多相关的信息，但仍然是必要的如此简短，如果你，像大多数人一样，缺乏对宇宙学家和天体物理学家如此深奥的先进知识和训练，可能只会出现一个广阔的画面理解。量子力学和相对论的“世界”远远超出了日常生活的经验，只有通过数学才能充分了解。非常小和非常大的领域确实很奇怪。作为一个离别的想法，请记住，宇宙学，如天文学和所有科学，在解决问题和揭示原则的同时，仍在不断发展，这将不可避免地改变已经发展为工作思想的基本概念。因此，当今世界存在着宇宙膨胀的竞争模式，关于“创造”早期的规则仍在争论中，甚至大爆炸本身也在其细节和本质正确性方面受到质疑。宇宙学仍然是一门不精确的科学，仍在进行中。