專業人員字彙 取自 小小科學人 100宇宙大發現

Glossary of space professionals

太空專業人員詞彙

Space is not only a huge place – it’s also a very wide field of study. This list includes just a few of the different jobs that people do to learn about space.

太空不僅僅是一個龐大的空間，也是一個需要廣泛研究的領域。這個清單列出我們為了研究太空科學，所需要的幾種太空專業人員。

archaeoastronomer  考古天文學家

研究天文歷史的人員。

Someone who studies the history of astronomy.

astrobiologist 生物天文學家

以太空中各種天體上的有機體為研究對象的研究人員。

Someone who studies organisms in space, or on planets and moons.

astrochemist 天文化學家

這些工作人員以各種天體上發現的材料為研究對象。

Someone who studies substances found in stars, planets, moons, asteroids and comets.

astronaut 太空人

到太空探險的人員，蘇俄稱為宇宙人。

A person whose job involves going into space. Also known as a cosmonaut in Russia, or a taikonaut in China.

astronomer 天文學家

研究太空的人，常常利用光學或無線電波望遠鏡來觀測遙遠的天體。

Someone who studies space, usually using optical telescopes or radio telescopes to detect distant objects.

astrophysicist  天文物理學家

他們會研究宇宙和所有天體的物理現象。

Someone who studies how stars work.

cosmologist 宇宙學家

研究宇宙如何開始、如何結束等等演化過程的人員。

Someone who studies how the Universe began, and how it will end.

engineer 工程師

設計並建造各種建築或車輛等事物的人員。

Someone who designs and creates buildings or vehicles.

   aeronautical engineer 航空工程師

   航空工程師的工作是設計或製造可以離開地球大氣層的運輸工具，如火箭和太空船等等。

   An engineer who works on vehicles designed to leave Earth’s atmosphere, such as rockets and spacecraft.

flight controller 飛航管制人員

一個龐大的太空團隊成員，他們的工作包括計劃並監視整個太空任務，從發射到登陸都是他們的工作範圍。

One of a large team that plans and monitors space missions from launch to landing.

flight surgeon 航空外科醫師

這些外科醫師專門在太空人訓練過程負責照護太空人，並在執行任務時監視太空人健康狀態。

A doctor who looks after astronauts in training, and monitors their health while they are on space missions.

planetary scientist  行星科學家

研究行星、衛星和太陽系的科學家。

Someone who studies planets, moons and solar systems.

     atmospheric scientist 大氣科學家

     研究各種天體的大氣層和相關現象的科學家。

     Someone who studies atmospheres, especially on alien planets and moons.

exoplanetologist  系外行星學家

研究太陽系以外行星的科學家。

Someone who studies planets beyond Earth’s Solar System.

z << 1 時的哈伯紅移和都卜勒紅移相同

令FRW時空的尺度以 R_0為單位
則 a=R/R_0,  且  \dot a =H

在 a-1<<0, 則泰勒展開
a(t) = 1 − H _0(t_0 − t)

由紅移 z 的定義可知
z =（λ_0 − λ）/ λ =1/a − 1 ～H _0(t_0 − t)～H _0 r/c,

因為 z << 1 時
H_0~v/r ，
可得
z ∼ H_0r/c=v/c
得證。

其實也不需要這麼麻煩， z<<1,  宇宙膨不膨脹影響不大，光源移動速度和宇宙膨脹速度本來就很接近。上面的證明只是在說明一切合理 ，應該說 consistent 。

不合理的話，一定是理論哪裡出問題。通常我們會說廣義相對論的修正，應該在極限時逼近古典的數值，不然不是廣義相對論錯了，就是挖到寶了。

最後散射面到底是什麼面 / 電子和質子的恩怨情仇

光子無法和光子直接進行交互作用，必須透過電荷的作用來達成熱平衡。早期宇宙多數電子都和質子糾纏不清，所以光子就必須和氫原子的軌道電子眉來眼去，互通訊息。

有些天文物理學家會把3000K的宇宙，光子找不到電子的時間點，當成氫原子穩定成形的時間。這嚴格講，其實不太對。

質子和電子

光子騷擾軌道電子的方式，基本上是光子能量剛好是能階差，就可以誘發軌道電子做能階躍遷，不然就是古典電磁波造成的庫倫散射，和高能量光子碰撞（可以視為自由）電子的粒子間康卜吞散射。

質子和電子在更早就已經結合成原子。就像諸侯招賢納士，剛開始來的能人電子，有可能還是會突然跑去找別的質子，但是中性的宇宙表示絕大多數的質子和電子，在還沒確認君臣關係前已經開始配對。即使君臣關係確認後，外來的光子還是會不時騷擾原子，造成部分電子跑到別人家的窘況，但是絕大多數原子在統計上還是可以說非常穩定。

38萬年可以想像成君臣關係穩固，光子騷擾的能力接近零，原子終於建立穩定的君臣狀態。但是在微觀的世界，電子還是會受到非平衡光子的騷擾，也會受到量子穿隧的影響到處亂跑。嚴格講，原子沒有一時一刻是穩定的。

回到熱平衡的物理
宇宙光子的平衡溫度降到13.6 eV（大約136000K)以下時，大多數光子都無法「直接」「有效」游離最穩定的氫原子，開始有氫原子開始不受光子的影響，穩定的結合成氫原子。但是光子仍然能透過分次的能階躍遷游離氫原子，然而這個時候多數氫原子的結構應該都相當的穩定。因此，這個時間點大致上可以說是氫原子穩定成形的時間。

除了能階躍遷，低能量的光子還是能透過康普頓散射，和湯姆生散射騷擾軌道電子，但是不影響氫原子的穩定結構。情況在大霹靂後大約三十八萬年，宇宙溫度降到三千K(絕對溫度三千度)時才發生重大的改變。這時的光子開始無法和任何氫原子的軌道電子發生任何有效的碰撞（散射），因此光子找不到任何可以騷擾的對象，開始在宇宙中通行無阻。自傲的光子只能自稱找不到適合的談話對象，宣稱自己自由自在的遨遊宇宙。

就像能見度高的晴天，光可以穿越很長的距離都撞不到擋在視線前的空氣分子，光子就像在透明的宇宙裡，無法無天的自由闖蕩宇宙。這時我們就說宇宙變成透明的。

能見度高低，涉及光子的能量和氣體分子的密度。光子的能量越低波長越大，越不容易和電子糾纏，電子密度越低，光子越不容易找到軌道電子騷擾。這個光子看到上一個電子到看到下一個電子中間所走過的距離，我們稱為平均自由徑，就是光子保持單身、自由的距離。平均自由徑越長，能見度越高。

因為宇宙不斷膨脹，溫度持續下降，所以宇宙越老，電子密度越低、光子能量也越低，就在38萬年時，光子走過整個宇宙也找不到騷擾的對象，宇宙也正式進入透明的狀態。

這個光子散射不再發生的時間點，稱為最後散射面。面，指的是四維時空裡以時間為分界的切面，不是一般的空間表面。

因為散射不可能說停就停，所以真正的最後散射面，指的是38萬年前後一段時間的現象，不是真的指一個時間點。最後散射面就是多數氫原子不用再擔心有人來騷擾軌道電子的轉捩點。

CMB光子是熱平衡光子/不是原子的俘虜

有的文獻會提到，CMB光子是「物質在大霹靂後三十八萬年釋出的光子。」
我們看到的CMB光子，只有一丁點是在「38萬年前後」和電子有過遭遇，其他的光子多數早就已經「自由自在」很久了，雖然他們確實已經在宇宙初始到38萬年間，和電子遭遇過無數次，也是如此才有辦法達成熱平衡。但是，宇宙裡的軌道電子實在太侷限了，大多數光子想找電子聯誼，已經找到急昏頭，還是一事無成。
我其實都不會說這些光子是「原子釋放出來」，都是說「碰撞或散射後」，這也是「最後散射面」的本意。因為光子多數在宇宙太初就已經存在，碰撞過程有時會被吸收，再釋出，被吸收、被釋出只是一個過程，說「被原子釋出」，感覺有點怪怪的，好像光子原本就應該是俘虜。
說我們隨時都可以看到和原子遭遇過的光子，嚴格講也還可以勉強說得通。因為我們現在觀看CMB的重點，確實是要看這些有過遭遇的少數光子，藉以了解當時宇宙的大結構（原子分布的狀況）。這些「少數」特別的光子，就是38萬年遭遇現場的目擊者，是第一現場的目擊者，身負重任。

1 googol

1 googol = 10¹⁰⁰ =

10,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000

傳說這個名詞是1938年數學家愛德華·卡斯納（Edward Kasner）好奇的問他九歲的侄子米爾頓·西羅蒂（Milton Sirotta），10¹⁰⁰ 所該如何命名時，小孩子隨口發出的怪聲音。

數學有公設，物理的公設不清不楚

https://en.m.wikipedia.org/wiki/There_are_known_knowns

世界上只有兩個系知道自己在幹什麼？

美國前國防部長倫斯斐在國防記者會回答記者提問時，表示「有些事情是我們知道我們知道，有些事情是我們知道我們不知道，有些事情是我們不知道我們知道，有些事情是我們不知道我們不知道。」

天文學家喜歡借用倫斯斐的話來描述科學家面對浩瀚宇宙的困境。

其實，沒錯，世界上只有兩個系的人知道自己在幹什麼。一個是數學系，一個是物理系。

數學人知道自己知道什麼，物理人則是知道自己不知道什麼。

嚴格講，數學都從公設出發，物理則是不知道自己做了什麼假設。因此，數學家很清楚，知道自己知道什麼。物理學家也很清楚，知道自己大部分事情都不知道。

很多其他系的先生小姐，由於工作性質，容易以為自己知道很多，也很會拼湊有趣的玩具，但是很容易因此而認為自己真的很厲害，什麼都知道，連自己什麼都不知道也不知道。

不過，回頭來看，公設也是來自觀察大自然的啟發，因此嚴格講，數學家也不是很清楚公設的由來，還能在公設上動什麼手腳。因此說有些數學家不知道自己不知道，也不會太離譜。

如果有物理學家宣稱他什麼都知道，只要問他「質量哪來，電荷哪來，萬有引力常數哪來，庫倫常數哪來」，偉大的科學家就會打回原型。碰到數學家就可以問他「為何有自然數，為何1是自然數，為何所有自然數都有後繼元素」。

嚴格講，there is nothing we know we know.

但是別以為物理學家和你一樣不知道。愛因斯坦的不知道，和你我的不知道天差地遠。

*爲了給自然數一個嚴格的定義，皮亞諾採用序數理論提出自然數的5條公設，稱爲皮亞諾公設：

1. 1是自然數；
2. 每一個自然數n都有一個後繼元素，記作 n+1。n+1也是自然數；
3. 每個自然數都有唯一的後繼元素；
4. 1不是任何自然數的後繼；
5. 如果一些自然數的集合S具有性質：
   • 1在S中；
   • 若n在S中，則n+1也在S中。

那麼S = N。

大霹靂的起點，那個singularity不是一個（單一的奇）點

Singularity 常被翻譯成奇點，其實 singularity 指的是某個物理量極限不存在的現象。更常被用到的地方是幾何流形或空間上某個點，物理量趨近無窮大的現象。

大霹靂起點也出現 singular 的現象，這時說有某個區域有 singularity ，指的是在時間大約 t0 = 10^-45 秒時，所有物理量都趨近無窮大，或嚴格講，物理量大到我們已知的理論無法處理的現象。

在 t0 之後，我們才有「可以描述物理現象的模型」，那時時空已經存在，物理學家目前還是無法描述 t0 之前的物理，也不清楚，我們現在認知的「時、空」是怎麼產生，是什麼時候產生的。

即使如此， t0 時的模型，是植基於量子力學、廣義相對論是正確下所寫下的「量子重力」模型。我們卻是還不知道如何處理量子力學和廣義相對論的矛盾，有進展但是沒有大家都滿意的結論。套句李登輝的話，目前的量子重力理論，我們「不滿意、只能勉強接受」。

時間的起點是來自量子重力理論的幾個作用常數，G、h 和 c，反應的是科學家能夠處理的時間極限，或者空間尺度的極限。

現在理論的能量極限是普朗克能量～10^19 GeV～10^32 K，有趣的是，1960年發現宇宙微波背景輻射時，人類的高能極限是核融合反應的溫度～1 MeV～10^10K，相去不止十萬八千公里。

在 t0 那個時間點，時空和所有能量都同時一起出現。嚴格講，科學家手上沒有任何工具可以描述更早或更小的時空。

科學家講的尺度，不是整個空間很小，而是經緯線縮擠成一堆的現象。想像宇宙像一顆有經緯線的地球儀，經緯線間的距離，可以想像成宇宙的尺度 R，越早經緯線越靠近，但是 t0 時的相對結構和現在都一模一樣，只不過地球儀越來越小而已。

 t0 時，宇宙所有地方，所有物理量都趨近無窮大。數學家會說那裡無法分析，但是物理學家如果也這樣說就會失業。

原因很簡單，科學家所知道的物理，在很多面向都會出現無窮大的現象，只能硬著頭皮面對，設法理出一個頭緒，賦予看似無窮大的物理量，其間相對的物理意義。

總之，宇宙初始時的無窮大，不是出現在一個小點上，而是全宇宙都一樣無窮大。管你患貧還是患不均，那裡都不是不貧，也不是不均。

紅位移的迷思

在人類知道光波是電磁波的一小部份之前，承襲都卜勒對遠離聲源的聲波波長會變長的現象，類似的效應應用在光波上，還是被稱為「都卜勒效應」Doppler effect ，只是「光波波長」變長就是變得比較靠近光譜的紅色端，所以「波長變長」就被稱為「紅移現象」。只是以前好像沒有人很認真想過，原本的紅色光再變長的話，要怎麼描述。

馬克士威發現光波只是電磁波頻譜中間的一小段，用「紅移現象」代表「波長變長」顯然會造成一些人的困擾，但是習以為常的物理學家為了承襲以往的慣例，還是沿用過去的名詞，一樣以紅移現象代表波長變長的現象。

其實在宇宙學裡，紅移

1+z =  λ0/λs

是被定義成波長的比值。（z才是紅移）

在這裡，λ0 指的是我們「現在」量到的電磁波波長，λs 代表遙遠光源的原始波長。