黑洞簡史

前 言 黑洞之美 14

第1 章 經典黑洞 引力使光無法逃逸 1
蘋果樹下開啟的偉大時代 3
哈雷彗星的現身說法 7
只要是成對出現的恆星，必然彼此靠近 9
米歇爾設想的極限情形 14
如何「看」見不可見的恆星？ 15

第 2 章 相對時空 物質告訴時空如何彎曲 17
經典力學與電磁理論不協調？ 19
宇宙飛船上的時間要比地球上的慢？ 22
廣義相對論首勝：水星軌道額外進動43 角秒 29
行星圍繞太陽轉，其實是陷入太陽制造的時空凹陷？ 31

第 3 章 奇異之點 密度無窮大，體積卻為零 39
讓相對論熠熠生輝 41
史瓦西奇點 44
令一切物理定律崩潰的地方 46
襁褓期的黑洞 49

第 4 章 恆星危機 不可避免的引力坍塌 51
天狼星的搖晃 53
白矮星的質量上限為1.4 個太陽？ 61
超過錢德拉塞卡極限又如何？ 62
好一個「星級玩笑」 65
准備好「買入」黑洞了嗎？ 69

第 5 章 致密星體 新星大爆發宣告了中子星的誕生 71
新星大爆發 73
恆星核將被擠壓為半徑極小而密度極大的中子裸球？ 75
不同質量恆星的聚變鏈 79
物質會被壓縮得如此致密嗎？ 81

第 6 章 永久跌落 恆星將會無限制地持續收縮 83
研究恆星能夠避免被捕嗎？ 85
奧本海默：中子星也有質量極限 88
恆星坍縮，奇點再現 95
愛因斯坦不相信黑洞 98
普林斯頓的老傻瓜 100

第 7 章 恆星結局 坍縮的結果是形成黑洞 105
古怪金融家資助的反重力研究 107
惠勒：教授相對論是為了了解敵方？ 111
阻止恆星末日 115
殊途同歸——黑洞與凍結星 119
將黑洞視界上發生的事視覺化 123
黑洞無毛 125
最后一個逃生出口 128

第 8 章 宇宙之音 以嶄新的方式發現宇宙 131
詹斯基：第一位竊聽宇宙聲音的人 133
射電星的巨大不明能量源 137
「紅移」破譯奇特光譜玄機 138
只需一秒，便可為整個地球供電數億億年？ 141

第 10 章 黑洞旅行 如果你穿越視界進入黑洞 169
科學家大遷徙 171
越過視界的奇異旅程 173
在視界的邊緣上，你會永遠年輕 175

第 11 章 尋找黑洞 局勢明朗到足以讓霍金低頭認輸 177
借探月之名，行黑洞之實 179
天鵝座X-1 ：宇宙頭號黑洞嫌疑犯 184
霍金不光彩的賭約 187
形狀奇特的宇宙射流是如何產生的？ 188
能量如何逃出黑洞？ 191
命中注定的邂逅 192

第 12 章 黑洞本質 不同尺度下的黑洞會有完全不同的特征 195
以量子力學重塑引力理論 197
霍金：黑洞視界只增不減 199
從「黑洞有熵」到「霍金輻射」 201
黑洞會蒸發嗎？會爆炸嗎？ 204
基於量子力學的黑洞 206
物理學上的終極問題 208

結 語 引力波探測與黑洞 210
黑洞大事記 217
譯后記 黑洞研究的全景圖 228
瑪西亞·芭楚莎訪談錄 232

前言

黑洞這個概念是如此誘人，它將探索未知的興奮感與對潛在危險的恐懼感巧妙結合，令人難以自拔。想象一段接近黑洞邊緣的旅程，就好比靠近尼亞加拉大瀑布的懸崖邊，注視着眼前近乎垂直、驟然跌落的洶涌湍流，危險近在咫尺，但我們仍能安之若素地欣賞眼前美景，因為我們知道，有堅固的柵欄保護着我們。那麼，將視線擴展到整個現實世界中，我們也深知，我們是安全的——謝天謝地，離地球最近的黑洞也遠在數百光年之外，所以我們能高枕無憂而不無心跳地間接體驗着這暗黑天體帶來的神秘刺激感。

黑洞是雞尾酒會上所有天體物理學家都最有可能被問及的天體，理由很簡單：它離奇古怪，神秘莫測。正如知名黑洞專家、加州理工學院的理論物理學家基普·索恩所寫的：「很多人認為，像獨角獸和惡魔一樣，黑洞似乎更應當出現在科幻小說或古代神話里，而不是真實的宇宙中。」

得克薩斯大學天體物理學家J. 克雷格·惠勒甚至將黑洞稱為一種文化意象：「幾乎所有人都知道黑洞的象征意義：張開血盆大口吞噬一切的怪獸，任何東西都難逃其魔掌。」

和人們對「外星人」的看法一樣，曾幾何時，「黑洞」概念荒誕無稽，純屬奇談怪論，而現在則家喻戶曉。僅是讓物理學家接受這個概念，就花費了數十年的時光。像人們喜歡引用的一句格言所說：所有真理的成長都要經歷三個階段，首先是遭到無情的嘲笑，然后是承受激烈的反對，最終被當成理所當然欣然接受。黑洞理論的發展無意間成為這句格言的最好詮釋。

正是黑洞，迫使天文學家和物理學家們開始認真對待愛因斯坦最令人矚目的成就——相對論，並將之推上巔峰。而在此之前有那麼一段時期，相對論經歷了令人絕望的低谷。愛因斯坦曾被《時代》雜志譽為「20 世紀風雲人物」，然而，這樣的殊榮對於20 世紀中葉的科學界很難想象。在那個時代，世界上極少有大學開設廣義相對論課程，因為物理學家認為廣義相對論無法進行實際應用。最優秀、最聰慧的物理學家大多涌向了物理學的其他領域。英國科學家1919 年在非洲的日全食觀測結果成功地證實了愛因斯坦的廣義相對論，隨即掀起了討論廣義相對論的熱潮。但在此之后，這位因之獲得極大聲譽的理論物理學家關於引力的新見解被大大忽略了。對於低速環境下的日常生活和普通星體的運動，艾薩克·牛頓的引力理論已給出了很好的解釋，那麼，何必要關注廣義相對論對其微不足道的修正呢？這種修正又有什麼作用呢？「愛因斯坦的預測對牛頓理論的修正是如此微小，」一位批評家指出，「我不知道為何要因此大驚小怪。」過了一段時間，愛因斯坦完善后的引力理論成為雞肋似乎已是定局。到1955 年愛因斯坦去世前，廣義相對論研究幾乎到了門可羅雀的地步，只有屈指可數的幾位物理學家依然為此奮戰。在愛因斯坦去世那一年，作為愛因斯坦的親密老友，諾貝爾物理學獎得主馬克斯·玻恩在一次會議上坦承：「廣義相對論對我來說就像一件精美的藝術品，我只是站在遠處，欣賞並艷羨着它的美。」

事實上，愛因斯坦的理論超越其身處的時代幾十年，僅僅憑借思索，他便能構建出引力模型，而實際的實驗測量只能遠遠地在后追趕。直到天文學家用先進的科技手段獲得了宇宙中令人驚訝的新發現，科學家們才再一次且以更加審慎的態度看待愛因斯坦的引力觀。觀測者們於1963 年首次發現類星體——在遙遠而年輕的星系中心，類星體噴射出相當於太陽輻射萬億倍的能量。類星體距地球非常遙遠，而4 年后，在近得多的太空中，觀測人員偶然間發現了第一顆脈沖星——一種快速旋轉、發出斷斷續續的射電嗶嗶聲的恆星。與此同時，衛星搭載的探測器在不同角度上皆探測到來自宇宙的強大的X 射線流和γ 射線流。所有這些嶄新的、令人眼花繚亂的信號表明，那些坍縮星體，比如中子星和黑洞，其毀滅性的引力和令人暈眩的旋轉使其成為無與倫比的宇宙發動機。隨着對新天體的監測不斷展開，曾經靜謐無聲的宇宙向人類展開了它生動的一面——這似乎是屬於愛因斯坦的宇宙，在相對論之光的照耀下，到處都是巨無霸級的能量源。

天體物理學家終於發現並欣賞到了廣義相對論更深層次的美，尤其當他們將其應用於黑洞研究時。獲得1983 年諾貝爾物理學獎的蘇布拉馬尼揚·錢德拉塞卡說：「它們（黑洞）是宇宙中存在的最完美的宏觀物體。」黑洞為所有物理學家帶來了他們在理論研究中夢寐以求的東西：簡潔與優美。「美是真理的光輝。」錢德拉塞卡在諾獎演講中如是說。

廣義相對論研究曾經是一潭死水，如今則風生水起。無論在理論還是實踐上，廣義相對論大放異彩。黑洞不再是荒誕不經的怪物，而是宇宙的重要組件。在每個發育完全的星系中心，似乎都存在着超大質量的黑洞，而星系的命運很可能就掌握在它們手里。現代觀測望遠鏡已大幅拉近了我們和位於我們銀河系中心的那個巨大黑洞的距離，人類很快就能一睹其風采。同時，配備有全新設計的高精尖裝置的天文台隨時待命，探測宇宙空間中不同黑洞相撞時釋放出來的於時空中發出低沉隆隆聲的引力波。曾任美國物理學會主席的約翰·阿奇博爾德·惠勒在他的自傳中寫道：「當我們意識到宇宙有多麼奇怪的時候，我們將首次了解它有多麼簡單。」

從18 世紀80 年代誕生關於黑洞的初步猜測，到20 世紀下半葉大量觀測證據的出現證實黑洞的存在，黑洞概念的確立花費了人類兩個世紀多的時間。在這期間的大部分時間里， 宇宙中存在着這種奇怪天體的想法要麼被無情地忽視，要麼遭受到強烈的批判。黑洞研究者們永不言棄的堅韌和吶喊才使得科學界最終承認黑洞的存在。

現在看來，物理學界曾經如此頑固，拒不接受黑洞概念的行徑着實令人費解。黑洞理論的設想其實相當簡單：它有驚人的質量，並且在旋轉。在某種程度上，它與電子或誇克這樣的基本物質沒有區別。然而，物理學家抗拒的也許是黑洞的終極本質：所有物質聚集於一個點內。一顆恆星竟落得如此結局，物理學家們無法接受這樣的事實。顯然，個中原因更多來自於哲學而非自然科學。有個觀念根深蒂固：自然界不會也絕無可能如此瘋狂。值得慶幸的是，在過去半個多世紀里，畢竟有一些物理學家，盡管屈指可數，仍然逆流而行，不管黑洞理論在別人看來瘋狂與否，都竭力推動着黑洞研究向前邁進。在廣義相對論誕生100 周年之際，這本書講述了在接受該理論的過程中那些令人沮喪的、足智多謀的、令人振奮的以及（有時) 又是幽默風趣的故事。本書不是關於黑洞的解剖學，也不是天文學或理論物理前沿研究成果的匯展，而是一項輝煌理論精彩無比、意義深刻的發展史。