宇宙学是什么

作者简介

美国航空航天局STEM教育资源发展项目主任，执行长期飞行任务的航天员，他对科学教育充满热情。他曾在哈佛大学与史密森尼学会任教，曾参与美国国家地理频道的节目，并在《科学美国人》《天文学》等多本杂志发表文章。他已出版多本天文类科普图书。他同时运营着一个科学博客“天文学咖啡馆”，希望使宇宙学与天文学被更多人关注。

内容简介

宇宙学这门科学的现代定义是：将整个宇宙作为一个物理系统，对其现有结构、起源、演化及未来的研究。这一领域的目标是基于我们现有的关于物质、空间和时间的最好理论，建立能解释科学家多年来积累的大量观测结果的完整图景。这些观测结果来自包括望远镜在内的各种地面上和太空中的精密天文学仪器。 宇宙学的发展与我们对宇宙基本组成的理解密切相关，这些基本组成包含物质、能量、空间和时间。它们构成了物理学家和天文学家为辨明支配我们宇宙的基本自然定律所进行的研究的核心。以上信息大量涵盖于量子力学以及广义相对论的理论范畴中。量子力学借助名为标准模型的理论对物质的基本组成做出了详细描述，而广义相对论则阐释了引力运行的机制：通过一套完善的数学体系，引力场与四维时空连续体的几何性质被等同起来。 现代宇宙学起源于英国科学家艾萨克·牛顿爵士在17世纪做出的工作。后来，他对引力细致的数学描 述迅速得到拓展，用以解释曾经十分神秘的行星运动，乃至构造出宇宙在万有引力下运行的首个科学模型。早先对宇宙无限尺度的“证明”主要是哲学或宗教性的。有了牛顿的理论，首个基于物理学的对于无垠宇宙空间的动力学解释终于诞生。时至今日，在德国物理学家阿尔伯特·爱因斯坦创立的名为广义相对论的具有相对论性的引力理论的基础上，研究者提出了“大爆炸宇宙学”的构想。这一成功的数学框架是如今所有现代宇宙学理论的基础。 宇宙学追求的是揭开宇宙的奥秘，例如宇宙中两种主要“暗”成分——“暗物质”和“暗能量”的性质。在世界各地主要的物理实验室同时进行的各类研究有助于回答这些问题。最近，对引力波的成功探测再次证明了爱因斯坦的广义相对论作为首屈一指的引力理论的地位。同时，天文学家以直接成像的方式观 测了宇宙“诞生”后1亿年内第一批恒星和星系的形成，并继续利用望远镜获取着有关宇宙大尺度结构及其自身早期历史的信息。科学家还量化并解释了宇宙微波背景（CMB）辐射，它如今被认为是记录下早期宇宙“暗物质”团演化，以及宇宙历史中最早的“暴胀”时期痕迹的物理介质。 对宇宙演化早期阶段的探索已经到了将所谓的量子引力研究中的复杂物理学理论应用于阐释宇宙形成的最初时刻的阶段。在这方面，宇宙学基本上已成为高能理论物理学及对自然界统一理论的研究的子领域。这类高度数学化的工作将宇宙“起源”的问题视为深入了解物理世界和现实本身性质的关键：时间和空间是量子化的吗？是否存在多元宇宙？天文学观测或许能帮助理论物理学家回答许多这种非常微妙而深刻的问题。我们对宇宙已经了解了很多，有待探索的部分也很多。对任何想攻读一个宇宙学学位的人来说，现在是学习和了解我们神奇的宇宙——它是如何诞生的，宇宙中现在正发生着什么，以及一切将如何终结——的最好时机。 “打开”大学通识课系列：《哲学是什么》《心理学是什么》《艺术史是什么》《宇宙学是什么》《人类学是什么》 一本书纵览人类认识星空到宇宙学前沿研究的探索历程，全彩印刷，大开本，领略浩瀚星空与无垠宇宙的奥秘 思维导图、趣味图表，引人入胜的书写帮你清晰把握宇宙学的学科结构 哈勃、普朗克、爱因斯坦、霍金……伟大科学家带你探索宇宙深处