正版新书]黑洞(21世纪的时间简史)[英]布莱恩·考克斯 杰

1.黑洞简史 2
2.统一时空 27
3.将无限带入有限 54
4.扭曲时空 85
5.进入黑洞 110
6.白洞与虫洞 127
7.克尔奇境 148
8.由恒星坍缩而成的真实黑洞 168
9. 黑洞热力学 183
10.霍金辐射 209
11.面条化并蒸发 220
12.孤掌之鸣 232
13.世界是一幅全息图 253
14.溪流中的岛屿 269
15.完美的编码 285
致谢 296
尾注 297
图片版权信息 302
索引 304

作者：
[英]布莱恩·考克斯，英国曼彻斯特大学理论物理学教授、英国皇家学会研究员，享有英国最高荣誉“不列颠帝国勋章”。他有三份工作：在英国曼彻斯特大学教书；在欧洲粒子物理实验室(CERN)里研究大型强子对撞机；主持BBC纪录片《行星》《宇宙的奇迹》《太阳的奇迹》。
[英]杰夫·福修，英国曼彻斯特大学理论物理学教授，“麦克斯韦物理学奖章”得主。他和布莱恩·考克斯合著了多部作品。

译者：
耿率博，波兰国家核研究中心天体物理博士在读，研究方向为引力波与强引力透镜效应在宇宙学研究的应用。
张建东，北京大学理论物理学博士，现任中山大学物理与天文学院副教授，主要研究方向为引力理论和引力波物理。
尹倩青，理学博士，从事粒子天体物理和空间天文研究，目前主要兴趣是基于微小卫星平台的空间x射线天文观测；热心科普，曾为《中国国家天文》《中国大百科全书》等撰文，合作或独立翻译过多部科普书，包括《第一推动丛书·宇宙系列：疯狂的宇宙》《物理之书》《湿婆之舞：前往地球偏远之地，寻访物理学的边缘》等。

这本书告诉你，黑洞是最简约也是最丰富的天体，更是科学家和公众一起追捧的明星。

——张双南，中国科学院高能物理研究所粒子天体物理中心主任，“慧眼”天文卫星首席科学家

黑洞至今仍是黑洞——所有关于黑洞的理论描述都尚待验证，这正是《黑洞》这本书中理论的迷人之处。

——江晓原，上海交通大学讲席教授，科学史与科学文化研究院首任院长

第一章 黑洞简史

我们认识到有某种东西是我们无法洞悉的，只能以最原始的形式才能感受到其最深刻的理性和最灿烂的美—正是这种认识和情感构成了真正的宗教情怀。从这个意义上讲，也只有从这个意义上讲，我是一个深具宗教信仰的人。●阿尔伯特·爱因斯坦

在银河系的中心，存在着一个宇宙结构的扭曲，它是由比我们的太阳重400万倍的东西造成的。在它附近，空间和时间都发生了弯曲，光线如果冒险靠近它，在距离小于1200万千米时就会被困住。这个有去无回的区域范围由事件视界（event horizon）所确定。之所以被称为事件视界，是因为该区域内部发生的任何事件都与外面的宇宙永远隔绝。至少当这个名字被创造出来的时候，我们是这么认为的。我们将银河系中心的这个东西命名为人马座A^*，读作“人马座A星”，它是一个超大质量黑洞。

黑洞位于那些质量最大的恒星曾经闪耀的地方，在星系的中心，同时也在我们目前认知的边缘。它们是在引力的作用下，由大量的物质坍缩到一个足够小的空间而自然形成的。然而，尽管我们用自然法则预测了黑洞，却未能充分描述它们。物理学家在他们的职业生涯中一直都在搜寻问题、进行实验，以寻找一切无法用已知定律来解释的东西。如今我们已经发现了越来越多的黑洞，神奇的是，每一个黑洞都是由大自然进行的、我们无法解释的实验。这意味着有一些深层的东西我们还没有发现。

对黑洞的现代研究始于爱因斯坦在1915年发表的广义相对论。这个已有超百年历史的引力理论引发了两个惊人的预言：“第一，大质量恒星的最终命运是坍缩于事件视界之内，进而形成一个黑洞，其中包含一个奇点；第二，在过去曾经有一个奇点，它在某种意义上构成了宇宙的开端。”以上这句话出自一本关于广义相对论的开创性教科书《时空的大尺度结构》（The Large Scale Structure of Space-Time）的第一页，该书由史蒂芬· 霍金（Stephen Hawking）和乔治·艾利斯（George Ellis）于1973年共同撰写。这本书提出了一些令人回味的术语——黑洞、奇点、事件视界——它们现在已经成为流行文化的一部分。书中还提到，在其生命的最后阶段，宇宙中质量最大的恒星会在引力的作用下被迫坍缩。恒星消失了，只在宇宙的结构中留下了一个印记，但是在视界之后，有些东西仍然存在。奇点，作为一个时刻而非地点，挑战了我们对自然法则的理解。根据广义相对论，奇点在时间的末端，但同样我们在过去也有一个标志时间开端的奇点—大爆炸。我们必须接受这样一个深刻的观点：我们对引力的科学描述，也就是对我们所熟悉的支配炮弹和卫星的力量的科学描述，本质上关注的是时间和空间的性质。

引力与空间和时间的关系并不明显，而且寻求用科学理论对其进行描述还可能会让人陷入对时间开始和结束的思考。黑洞位于探索这种深层关系的舞台中心，因为它们是可被观测到的、引力最极端的产物。这一理论匪夷所思，直到20世纪60年代，有许多物理学家仍然相信，即使黑洞是广义相对论在数学上推导出的一个特征，但是自然界一定会找到某种方法避免其形成。甚至爱因斯坦本人在1939年也写了一篇论文，他的结论是黑洞“不存在于物理现实中”。和爱因斯坦同时代的杰出人物亚瑟·埃丁顿（Arthur Eddington）也更加简洁地表达了他的观点：“应该有一条自然法则来防止恒星以这种荒谬的方式存在。”然而，事实却恰恰相反，黑洞的确存在。

现在我们已经明白，对于比太阳质量大几倍的恒星来说，黑洞是它们生命演化中自然而然且不可避免的一个阶段。而在我们的银河系中有千百万颗这样的恒星，因此也将存在千百万个黑洞。恒星是和自身的引力坍缩作斗争的大块物质。在它们生命的早期阶段，恒星通过其核心处的氢转化为氦的核反应来抵御自身引力的向内牵引。这个过程被称为核聚变，它释放出能量，并产生压力以阻止坍缩。我们的太阳目前正处在这个阶段，每秒钟有 6 亿吨氢转化为氦。在天文学中，像这样非常大的数字常常容易被忽略，但请让我们稍停片刻，感叹一下恒星和人类日常生活中的物体在规模上的极大差异。6亿吨相当于一座小山的质量，自地球形成以来，我们的太阳每秒钟都在稳定地燃烧一座山那么重的氢。但请不要担心，太阳有足够的氢可以继续与引力斗争50亿年。太阳之所以能够做到这一点，是因为它很大：可以轻松地容纳100万个地球；它的直径为140万千米，一架民航客机需要飞行六个月才能绕它一圈。然而，太阳只是一颗小恒星。已知的最大恒星比太阳大一千倍，直径约10亿千米。若这样的恒星位于我们的太阳系中心，连木星都会被吞没。像这样的巨兽将在灾难性的引力坍缩中结束它们的生命。

引力是一种虽然微弱但又不可抗拒的力。它只有吸引作用，而且在没有其他更强的反作用力的情况下，其吸引力是无限的，可以毫不犹豫地吸引一切。引力在努力将你从地面拉向地球的中心，同时也把地面拉向同一方向。万物之所以没有（在引力的作用下）坍缩到一个中心点，是因为物质是刚性的。物质由遵循量子物理规律的粒子组成，当过于靠近彼此时，粒子将相互排斥。

然而，物质的刚性只是一种假象。我们从未意识到脚下的大地本质上是空的。原子核周围环绕着跳动的电子云，使原子之间保持着一定距离，让我们误认为固体物质紧密地聚集在一起。事实上，原子核仅占原子体积的一小部分，我们脚下的大地就像蒸汽一样虚无缥缈。不过，物质内部的排斥力异常强大，它能够防止你穿过地板坠落，并且能够使质量是太阳两倍的垂死恒星保持稳定。但是，这种力量还是有它的极限，这个极限将由中子星所揭示。

一个典型中子星的半径仅有几千米，质量则约为太阳的1.5倍，相当于将100万个地球压缩到一个城市大小的区域内。中子星一般都在高速自旋，同时释放出明亮的射电波束，仿佛一座灯塔照亮宇宙。1967年，乔斯林·贝尔·伯内尔（Jocelyn Bell Burnell）和安东尼·休伊什（Antony Hewish）首次观测到这样的中子星，它们也被称为脉冲星。这种脉冲非常规律，每1.3373秒扫过地球一次，伯内尔和休伊什将其命名为“小绿人1号”。迄今为止，人类发现的自旋速度最快的脉冲星是PSR J1748-2446ad，每秒旋转716次。中子星是能量极高的天体。2004年12月27日，一股能量击中地球，导致人造卫星失灵、地球的电离层膨胀。这股能量是由一颗名为SGR 1806-20的中子星周围磁场的重新排列释放出来的，该中子星距离地球5万光年，位于银河系的另一边。在五分之一秒的时间里，这颗中子星辐射出来的能量甚至比太阳在25万年里释放的总能量还要多。

一颗中子星表面的引力是地球的1000亿倍。任何落到其表面的物质都会瞬间被压扁并转化为核子汤。如果你掉落到一颗中子星的表面，构成你身体的一部分粒子会转化为中子，并非常紧密地挤在一起，它们会以接近光速的速度抖动，以避免彼此相撞。这种抖动可以支撑一颗质量约为两个太阳质量的中子星，但不能再多了。超过这个极限，引力将会获胜。如果再注入一点质量到其表面，这颗城市大小的星体将会坍缩，形成一个时空奇点。乔治·勒梅特（Georges Lemaître）是一位天主教神父，也是现代宇宙学的奠基人之一，他将我们宇宙起源的大爆炸奇点描述为一个没有昨天的日子。由引力塌缩形成的奇点则是没有未来的时刻。留在外部的，只有一个曾经闪耀过的黑暗印记：黑洞。

1、作者权威性：著名物理学家Brian Cox和Jeff Forshaw新作
2、全面&跨学科：一方面深入讨论了黑洞的物理学原理，包括广义相对论、量子力学和热力学等；另一方面结合了天文学、物理学、数学等多个学科的知识。
3、科学与哲学结合：书中不仅介绍了科学理论，还涉及了与黑洞相关的哲学问题，如宇宙的起源、时间和空间的本质等。
4、当前科学前沿：涉及了当前科学界对黑洞的最新研究和理论，包括黑洞热力学、霍金辐射和全息原理等。
5、文化影响力：黑洞作为流行文化中的一个热门话题，这本书能够帮助读者更深入地理解这一概念。

黑洞是空间和时间中引力、量子物理学和热力学定律碰撞的地方。在这本备受期待的开创性新书中，布莱恩·考克斯教授和杰夫·福修教授将带你深入了解与黑洞有关的一切，这是一场跨越了一个世纪的物理学前沿研究之旅，从爱因斯坦到霍金等人，作者最终得出了一个惊人的结论:我们的世界可能像一台巨大的量子计算机一样运行。

这也是21世纪的时间简史。作者以“黑洞”为透镜，串联起100多年人类对时间和空间本质的理解和探求。这本书用清晰易懂的语言、极具生活化的比喻生动讲述了物理学和时空探索领域最热门的话题（黑洞、引力波、量子信息等等），将为新一代重新定义时间和空间。在银河系的中心有一个致命的怪物，连光都逃不过它的魔爪，它的秘密等待着你发现……