黑洞简史（新版）：从史瓦西奇点到引力波 霍金痴迷、爱因斯坦拒绝、牛顿错过的伟大发现

前 言

　　黑洞这个概念是如此诱人，它将探索未知的兴奋感与对潜在危险的恐惧感巧妙结合，令人难以自拔。想象一段接近黑洞边缘的旅程，就好比靠近尼亚加拉大瀑布的悬崖边，注视着眼前近乎垂直、骤然跌落的汹涌湍流，危险近在咫尺，但我们仍能安之若素地欣赏眼前美景，因为我们知道，有坚固的栅栏保护着我们。那么，将视线扩展到整个现实世界中，我们也深知，我们是安全的——谢天谢地，离地球□近的黑洞也远在数百光年之外，所以我们能高枕无忧而不无心跳地间接体验着这暗黑天体带来的神秘刺激感。

　　黑洞是鸡尾酒会上所有天体物理学家都□有可能被问及的天体，理由很简单：它离奇古怪，神秘莫测。正如知名黑洞专家、加州理工学院的理论物理学家基普 索恩所写的：“很多人认为，像独角兽和恶魔一样，黑洞似乎更应当出现在科幻小说或古代神话里，而不是真实的宇宙中。”

　　得克萨斯大学天体物理学家J. 克雷格 惠勒甚至将黑洞称为一种文化意象：“几乎所有人都知道黑洞的象征意义：张开血盆大口吞噬一切的怪兽，任何东西都难逃其魔掌。”

　　和人们对“外星人”的看法一样，曾几何时，“黑洞”概念荒诞无稽，纯属奇谈怪论，而现在则家喻户晓。仅是让物理学家接受这个概念，就花费了数十年的时光。像人们喜欢引用的一句格言所说：所有真理的成长都要经历三个阶段，首先是遭到无情的嘲笑，然后是承受激烈的反对，□终被当成理所当然欣然接受。黑洞理论的发展无意间成为这句格言的□好诠释。

　　正是黑洞，迫使天文学家和物理学家们开始认真对待爱因斯坦□令人瞩目的成就——相对论，并将之推上。而在此之前有那么一段时期，相对论经历了令人绝望的低谷。爱因斯坦曾被《时代》杂志誉为“20 世纪风云人物”，然而，这样的殊荣对于20 世纪中叶的科学界很难想象。在那个时代，世界上极少有大学开设广义相对论课程，因为物理学家认为广义相对论无法进行实际应用。□优秀、□聪慧的物理学家大多涌向了物理学的其他领域。英国科学家1919 年在非洲的日全食观测结果成功地证实了爱因斯坦的广义相对论，随即掀起了讨论广义相对论的热潮。但在此之后，这位因之获得极大声誉的理论物理学家关于引力的新见解被大大忽略了。对于低速环境下的日常生活和普通星体的运动，艾萨克 牛顿的引力理论已给出了很好的解释，那么，何必要关注广义相对论对其微不足道的修正呢？这种修正又有什么作用呢？“爱因斯坦的预测对牛顿理论的修正是如此微小，”一位批评家指出，“我不知道为何要因此大惊小怪。”过了一段时间，爱因斯坦完善后的引力理论成为鸡肋似乎已是定局。到1955 年爱因斯坦去世前，广义相对论研究几乎到了门可罗雀的地步，只有屈指可数的几位物理学家依然为此奋战。在爱因斯坦去世那一年，作为爱因斯坦的亲密老友，诺贝尔物理学奖得主马克斯 玻恩在一次会议上坦承：“广义相对论对我来说就像一件精美的艺术品，我只是站在远处，欣赏并艳羡着它的美。”

　　事实上，爱因斯坦的理论超越其身处的时代几十年，仅仅凭借思索，他便能构建出引力模型，而实际的实验测量只能远远地在后追赶。直到天文学家用先进的科技手段获得了宇宙中令人惊讶的新发现，科学家们才再一次且以更加审慎的态度看待爱因斯坦的引力观。观测者们于1963 年首次发现类星体——在遥远而年轻的星系中心，类星体喷射出相当于太阳辐射万亿倍的能量。类星体距地球非常遥远，而4 年后，在近得多的太空中，观测人员偶然间发现了颗脉冲星——一种快速旋转、发出断断续续的射电哔哔声的恒星。与此同时，卫星搭载的探测器在不同角度上皆探测到来自宇宙的强大的X 射线流和γ 射线流。所有这些崭新的、令人眼花缭乱的信号表明，那些坍缩星体，比如中子星和黑洞，其毁灭性的引力和令人晕眩的旋转使其成为无与伦比的宇宙发动机。随着对新天体的监测不断展开，曾经静谧无声的宇宙向人类展开了它生动的一面——这似乎是属于爱因斯坦的宇宙，在相对论之光的照耀下，到处都是巨无霸级的能量源。

　　天体物理学家终于发现并欣赏到了广义相对论更深层次的美，尤其当他们将其应用于黑洞研究时。获得1983 年诺贝尔物理学奖的苏布拉马尼扬 钱德拉塞卡说：“它们（黑洞）是宇宙中存在的□完美的宏观物体。”黑洞为所有物理学家带来了他们在理论研究中梦寐以求的东西：简洁与优美。“美是真理的光辉。”钱德拉塞卡在诺奖演讲中如是说。

　　广义相对论研究曾经是一潭死水，如今则风生水起。无论在理论还是实践上，广义相对论大放异彩。黑洞不再是荒诞不经的怪物，而是宇宙的重要组件。在每个发育完全的星系中心，似乎都存在着超大质量的黑洞，而星系的命运很可能就掌握在它们手里。现代观测望远镜已大幅拉近了我们和位于我们银河系中心的那个巨大黑洞的距离，人类很快就能一睹其风采。同时，配备有全新设计的高精尖装置的天文台随时待命，探测宇宙空间中不同黑洞相撞时释放出来的于时空中发出低沉隆隆声的引力波。曾任美国物理学会主席的约翰 阿奇博尔德 惠勒在他的自传中写道：“当我们意识到宇宙有多么奇怪的时候，我们将首次了解它有多么简单。”

　　从18 世纪80 年代诞生关于黑洞的初步猜测，到20 世纪下半叶大量观测证据的出现证实黑洞的存在，黑洞概念的确立花费了人类两个世纪多的时间。在这期间的大部分时间里， 宇宙中存在着这种奇怪天体的想法要么被无情地忽视，要么遭受到强烈的批判。黑洞研究者们永不言弃的坚韧和呐喊才使得科学界□终承认黑洞的存在。

　　现在看来，物理学界曾经如此顽固，拒不接受黑洞概念的行径着实令人费解。黑洞理论的设想其实相当简单：它有惊人的质量，并且在旋转。在某种程度上，它与电子或夸克这样的基本物质没有区别。然而，物理学家抗拒的也许是黑洞的终极本质：所有物质聚集于一个点内。一颗恒星竟落得如此结局，物理学家们无法接受这样的事实。显然，个中原因更多来自于哲学而非自然科学。有个观念根深蒂固：自然界不会也绝无可能如此疯狂。值得庆幸的是，在过去半个多世纪里，毕竟有一些物理学家，尽管屈指可数，仍然逆流而行，不管黑洞理论在别人看来疯狂与否，都竭力推动着黑洞研究向前迈进。在广义相对论诞生100 周年之际，这本书讲述了在接受该理论的过程中那些令人沮丧的、足智多谋的、令人振奋的以及（有时) 又是幽默风趣的故事。本书不是关于黑洞的解剖学，也不是天文学或理论物理前沿研究成果的汇展，而是一项辉煌理论精彩无比、意义深刻的发展史。

《时间简史》以来*动人心弦的宇宙之书 诠释恒星的终*演变如何改写宇宙格局

★黑洞是一种怎样的天体？既然光都无法逃逸，为何会有“霍金辐射”？

★黑洞内部究竟有什么？相对论为何无法解释？量子力学如何描述微观视角下的黑洞？

★时空凹陷如何制造奇点？白矮星、中子星、类星体的相继发现对黑洞理论的发展和人类寻找黑洞带来怎样的启示？

★“宇宙头号黑洞嫌疑犯”天鹅座X-1真的是黑洞吗？你听说过“面条效应”吗？想不想来一场奇妙的黑洞之旅？

从诞生之日起，黑洞理论便饱受非议，但这并不妨碍它成为天体物理学研究的焦点和人们对它的广泛喜爱。玛西亚•芭楚莎的《黑洞简史》以时间为序，全面阐述了这项伟大理论的诞生和发展如何与基础物理理论的演进紧密缠结、相互促进，而对黑洞本质的研究将为我们带来一个爱因斯坦梦寐以求的大一统理论，从而解决物理学上的终*问题。

玛西亚·芭楚莎

　　★太平洋天文学会克里普克·罗伯茨奖得主

　　★首位且两度荣获美国物理学会科学写作奖的女性

　　★曾任美国国家航空航天局（NASA）专职记者

　　★《发现》杂志主编

　　★《自然历史》杂志专栏作家

　　玛西亚·芭楚莎是麻省理工学院教授，在物理学和天文学领域工作超过30年。作为美国科学促进会、科学研究学会会士，她在科研和科普方面获奖无数，多年来一直担任《发现》杂志主编及《天文学》杂志顾问。

　　芭楚莎著述丰富，屡获媒体热捧，《纽约时报》更是三度将其不同著作评为“年度□值得关注书籍”，包括《爱因斯坦尚未完成的交响乐》《星期四的宇宙》及《通往黑暗的宇宙》。她现在和丈夫、他们的爱犬居住在马萨诸塞州波士顿郊外的萨德伯里。

前 言 黑洞之美 1

第1 章 经典黑洞 引力使光无法逃逸 1

苹果树下开启的伟大时代 3

哈雷彗星的现身说法 7

只要是成对出现的恒星，必然彼此靠近 9

米歇尔设想的极限情形 14

如何“看”见不可见的恒星？ 15

第 2 章 相对时空 物质告诉时空如何弯曲 17

经典力学与电磁理论不协调？ 19

宇宙飞船上的时间要比地球上的慢？ 22

广义相对论首胜：水星轨道额外进动43 角秒 29

行星围绕太阳转，其实是陷入太阳制造的时空凹陷？ 31

第 3 章 奇异之点 密度无穷大，体积却为零 39

让相对论熠熠生辉 41

史瓦西奇点 44

令一切物理定律崩溃的地方 46

襁褓期的黑洞 49

第 4 章 恒星危机 不可避免的引力坍塌 51

天狼星的摇晃 53

白矮星的质量上限为1.4 个太阳？ 61

超过钱德拉塞卡极限又如何？ 62

好一个“星级玩笑” 65

准备好“买入”黑洞了吗？ 69

第 5 章 致密星体 新星大爆发宣告了中子星的诞生 71

新星大爆发 73

恒星核将被挤压为半径极小而密度极大的中子裸球？ 75

不同质量恒星的聚变链 79

物质会被压缩得如此致密吗？ 81

第 6 章 永久跌落 恒星将会无限制地持续收缩 83

研究恒星能够避免被捕吗？ 85

奥本海默：中子星也有质量极限 88

恒星坍缩，奇点再现 95

爱因斯坦不相信黑洞 98

普林斯顿的老傻瓜 100

第 7 章 恒星结局 坍缩的结果是形成黑洞 105

古怪金融家资助的反重力研究 107

惠勒：教授相对论是为了了解敌方？ 111

阻止恒星末日 115

殊途同归——黑洞与冻结星 119

将黑洞视界上发生的事视觉化 123

黑洞无毛 125

后一个逃生出口 128

第 8 章 宇宙之音 以崭新的方式发现宇宙 131

詹斯基：位窃听宇宙声音的人 133

射电星的巨大不明能量源 137

“红移”破译奇特光谱玄机 138

只需一秒，便可为整个地球供电数亿亿年？ 141

第 9 章 类型 对于黑洞精确且的描述 145

相对论与天文学的大融合 147

超大质量黑洞正是类星体的巨大能量源 150

GPS ：广义相对论在日常生活中的首次应用

克尔度规：描述旋转物体周围的时空 157

黑洞的类型 161

谁将黑洞这一词语引入天文学？ 163

第 10 章 黑洞旅行 如果你穿越视界进入黑洞 169

科学家大迁徙 171

越过视界的奇异旅程 173

在视界的边缘上，你会永远年轻 175

第 11 章 寻找黑洞 局势明朗到足以让霍金低头认输 177

借探月之名，行黑洞之实 179

天鹅座X-1 ：宇宙头号黑洞嫌疑犯 184

霍金不光彩的赌约 187

形状奇特的宇宙射流是如何产生的？ 188

能量如何逃出黑洞？ 191

命中注定的邂逅 192

第 12 章 黑洞本质 不同尺度下的黑洞会有完全不同的特征 195

以量子力学重塑引力理论 197

霍金：黑洞视界只增不减 199

从“黑洞有熵”到“霍金辐射” 201

黑洞会蒸发吗？会爆炸吗？ 204

基于量子力学的黑洞 206

物理学上的终极问题 208

结 语 引力波探测与黑洞 210

黑洞大事记 217

译后记 黑洞研究的全景图 228

玛西亚·芭楚莎访谈录 232

《时间简史》以来*动人心弦的宇宙之书 诠释恒星的终*演变如何改写宇宙格局

★黑洞是一种怎样的天体？既然光都无法逃逸，为何会有“霍金辐射”？

★黑洞内部究竟有什么？相对论为何无法解释？量子力学如何描述微观视角下的黑洞？

★时空凹陷如何制造奇点？白矮星、中子星、类星体的相继发现对黑洞理论的发展和人类寻找黑洞带来怎样的启示？

★“宇宙头号黑洞嫌疑犯”天鹅座X-1真的是黑洞吗？你听说过“面条效应”吗？想不想来一场奇妙的黑洞之旅？

从诞生之日起，黑洞理论便饱受非议，但这并不妨碍它成为天体物理学研究的焦点和人们对它的广泛喜爱。玛西亚•芭楚莎的《黑洞简史》以时间为序，全面阐述了这项伟大理论的诞生和发展如何与基础物理理论的演进紧密缠结、相互促进，而对黑洞本质的研究将为我们带来一个爱因斯坦梦寐以求的大一统理论，从而解决物理学上的终*问题。

玛西亚·芭楚莎

　　★太平洋天文学会克里普克·罗伯茨奖得主

　　★首位且两度荣获美国物理学会科学写作奖的女性

　　★曾任美国国家航空航天局（NASA）专职记者

　　★《发现》杂志主编

　　★《自然历史》杂志专栏作家

　　玛西亚·芭楚莎是麻省理工学院教授，在物理学和天文学领域工作超过30年。作为美国科学促进会、科学研究学会会士，她在科研和科普方面获奖无数，多年来一直担任《发现》杂志主编及《天文学》杂志顾问。

　　芭楚莎著述丰富，屡获媒体热捧，《纽约时报》更是三度将其不同著作评为“年度□值得关注书籍”，包括《爱因斯坦尚未完成的交响乐》《星期四的宇宙》及《通往黑暗的宇宙》。她现在和丈夫、他们的爱犬居住在马萨诸塞州波士顿郊外的萨德伯里。

玛西亚 芭楚莎为我们带来了一场奇妙的黑洞之旅，展示了这个概念的美和神秘，以及许多大科学家包括爱因斯坦和霍金都为之感受到的好奇或者痴迷。

   　——沃尔特 艾萨克森 《乔布斯传》（Steve Jobs）、《本杰明 富兰克林传》（Benjamin Franklin）及《爱因斯坦传》（Einstein）作者

你不需要博士文凭，也能享受这本讲述黑洞如何从古怪理论变为常识的曲折故事……这是一个很美丽的案例研究，叙述了科学观点如何通过灵感、思索以及□终的观察而得以成长。

　　——《华尔街日报》

　　《黑洞简史》是一本闪耀着光芒的佳作……这本充满智慧的书□有趣的地方之一，就是看历史上的物理学家们如何各显神通地否认、鄙视黑洞理论。啪啪啪地打脸。

　　——《华盛顿邮报》

芭楚莎对科学理论生动简明的叙述以及对科学家背后人格之深刻洞察，让这本书娱乐性和严谨性兼备。一本难得的佳作。

　　——《出版商周刊》

芭楚莎以生花妙笔为科学体制本身画像，揭示了它的潜在规范以及塑造其演变路径的人物个性……叙述了一个尚待继续展开的理念的背景故事。

　　——《经济学人》