[正版]未读·探索家:套装共2册:给忙碌者的天体物理学+给好奇者的暗黑物理学写给每位地球人的宇宙通识仰望星空口袋科普

编辑推荐

★ 2017全球现象级畅销书。2017年5月美国上市，一年销量即达100万册，横扫yamaxun、Goodreads（美国豆瓣）等各大榜单，《纽约时报》畅销榜已持续在榜60周。国家地理、探索频道、BBC极力推荐。目前已被翻译为40种语言。

★ 还未引进国内就口碑爆棚。搜狐、简书、界面等国内主流媒体、自媒体竞相介绍；入选罗辑思维·罗胖精选书单，“得到”万维钢·精英日课倾情解读；微信、微博、豆瓣等自发传播无数。

★ 全球网红科学家、科普作家。尼尔·泰森是美国家喻户晓的明星科学家、卡尔·萨根的传人、霍金科学传播奖得主。他的科普形式活泼、不拘一格：主持科普脱口秀StarTalk、客串《生活大爆炸》、主演纪录片《宇宙：时空之旅》。

★ 聚焦宇宙科普中五个zui吸引人的主题：黑夜、黑体、黑洞、暗物质、暗能量，讲述它们的发现史和引发的科学革命，如黑夜之于宇宙膨胀、黑体之于量子革命、黑洞之于大统一理论……

★ 科普与人文跨界呼应，综合哲学、艺术、文学的新视角，用文科生看得懂的语言，使你获得科学与人文素养的双重提升。有爱因斯坦的相对论，也有保罗?萨特的哲学，有霍金的黑洞，也有波德莱尔的诗句……

★ 以艺术的姿态呈现宇宙“暗黑”之美。硬壳精装，工艺考究，法国先锋插画家斯科特独具风格的插画极具感染力，阅读科学也可以充满美感和诗意。随书附赠超酷【暗黑物理学】主题明信片。

内容简介

空间和时间的本质是什么？宇宙如何起源的？我们是宇宙中wei一的智慧生命吗？这是萦绕在每个人心灵深处的追问。但当今时代，人们更加忙碌，更没有时间通过读大部头的专业书来获取相关知识。

谁能引导我们去追索这些知识呢？没有比尼尔·泰森更合适的人了 。他的这本《给忙碌者的天体物理学》简洁而清晰，处处闪烁着智慧的火花，你可以在繁忙的日常里随时随地享受其中隽永的章节。

黑色的夜空，几百年来让天体物理学家们魂牵梦萦；黑体辐射的研究孕育了随后的量子革命；黑洞一直是宇宙中zui富魅力的独特存在；暗物质与暗能量则是当代宇宙学里zui神秘的假说……

黑体、黑洞、暗物质、暗能量——为什么物理学家喜欢用“黑暗”一词来形容这些晦涩的科学发现呢？这个问题引导我们回顾物理学历史，思考其中的一些关键点。

罗兰?勒乌克和文森特?博滕斯，通过追溯这些物理概念的发展演变史，深入探究“黑/暗”在不同的领域分别代表了什么，试图在物理的复杂性中驱散黑暗，让人能够从物理学的“黑概念”里得到收获与启发。

作者简介

★尼尔·德格拉斯·泰森★

Neil deGrasse Tyson

生于1958年，美国家喻户晓的天体物理学家，科普作家。哈佛大学物理学学士，哥伦比亚大学天体物理学博士，普林斯顿大学博士后。美国自然博物馆海登天文馆馆长。热门科普节目 StarTalk 主持人。还曾经在著名 美剧《生活大爆炸》第四季中客串，饰演自己。被誉为卡尔·萨根的接班人，主持了近年来大热的科普纪录片《宇宙：时空之旅》（COSMOS：A SPACETIME ODYSSEY，1980年史诗级科普片《卡尔·萨根的宇宙》的更新版）。

泰森获得的主要荣誉有：

2017年获斯蒂芬·霍金科学传播奖。

2008年《发现》杂志（Discover magazine）“科学界zui聪明的 50 人之一”。

2007年《时代》周刊（TIME）100大全球zuiju影响力人物。

2007年《哈佛校友》（Harvard Alumni）杂志“zuiju影响力的 100 名哈佛校友之一”。

2004年 NASA 杰出公共服务奖章。

2001年小行星13123以他的名字命名。

2000年《时人》杂志（People）“zui性感天体物理学家”。

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★罗兰?勒乌克★

Roland Lehoucq

法国科普作家，法国原子能委员会天文学家，宇宙拓扑学专家，任教于巴黎政治学院，著有《黑洞》《外星人有几根手指？》等。

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★文森特?博滕斯★

Vincent Bontems

法国科学哲学家，在法国原子能委员会实验室工作，著有《巴什拉》《机器：知识的工具》等。

精彩书评

风趣的语言，敏锐的视角，丰富的人性，尼尔·泰森将时间、空间、现实等宏大问题“大题小做”，提炼为精悍的短章，这些言浅意深的章节，你甚至可以在享受早间咖啡的时候一起品味。 ——探索频道（Discovery）

泰森是深入浅出的大师……他卸下那些复杂学问的细枝末节，填充以丰富多彩的故事和幽默桥段，让普通人非常容易理解。 ——美国《沙龙》杂志（SaLon）

这可能是为忙碌者写的，但我劝你还是慢点读。因为它真的是很快就读完了（难免让人意犹未尽）。

——《BBC仰望夜空》 （BBC's Sky at Night）

泰森精彩地展示了科学的魅力……他的见解对任何领导者、教师、科学家或教育家都是有价值的。

——《福布斯》杂志（Forbes）

非常有感染力，幽默，zui重要的是，通俗易懂……阅读这本书是一种令人愉快的体验。

——《书页》杂志（BookPage）

目录

《给忙碌者的天体物理学》

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推荐序1 （万维钢）

推荐序2 （张双南）

推荐序3 （李 淼）

自序

1.有史以来最伟大的故事

2.在地如在天

3.要有光

4.在星系之间

5.暗物质

6.暗能量

7.元素周期表里的宇宙

8.关于球形这回事儿

9.不可见光

10. 在行星之间

11. 另一个地球

12. 基于宇宙视角的反思

——

《给好奇者的暗黑物理学》

——

前言 物理学中的黑概念

——

Part 1

——

A 黑色的夜空

膨胀的宇宙

最古老的光是何时发出的？

我们能看到宇宙视界之外的地方吗？

B 为什么夜空是黑色的

黑色的透明性：半透明介质

彩色的夜空

星座的黑色盒子

黑的选择

——

Prat 2

——

A 黑体

黑体之谜

黑体是真实存在的吗？

最冷的黑体

B 黑体辐射

物体的暗黑性

黑色射线

潜意识的黑暗意识

——

Part 3

——

A 黑洞

黑洞是什么？

在黑洞视界的边缘

在怪物的肠道中

一个不是那么黑的洞……

宇宙旋涡

B 黑洞引力

宇宙坍缩

忧郁的星体

黑洞的光辉

——

Part 4

——

A 暗物质

暗物质的发现

星系中的暗物质

星系团中的暗物质

宇宙幻象

宇宙中的暗物质

原始核聚变

一个新的定律？

暗物质的属性可能是什么？

B 暗物质的炼金术

一种比黑色更黑暗的黑色

苦炼

宇宙的阿尼玛

宏观宇宙和微观宇宙的结合

——

Part 5

——

A 暗能量

令人惊奇的观测结果

解释的过剩

B 暗能量之谜

黑暗的教训

谁会杀死宇宙？

实体的迷幻

不必失望：并非一切都是黑色的！

——

结语 黑色的统治

精彩书摘

《给忙碌者的天体物理学》

——

1.有史以来最伟大的故事

世界已经存在很多年了，

它一旦被设定了合适的运动，

其他的一切都随之而来。

——卢克莱修，古罗马哲学家，约公元前50年

起初，将近140亿年前，已知宇宙所有的空间、所有的物质、所有的能量，都包含在一个极小极小的尺度之内，比这句话末尾的句点的一万亿分之一还要小。

那时的温度是如此之高，自然界中描述这个宇宙的四种基础作用力还是统一的。虽然我们依然不知道它是如何出现的，但这个比针尖还要小的宇宙只能膨胀。急速膨胀。我们将其称之为大爆炸。

爱因斯坦在1916年提出的广义相对论，为我们提供了关于引力的现代理解，即物质和能量的存在弯曲了围绕它们的空间和时间结构。在20世纪20年代，量子力学被发现，为我们提供了微观世界的现代观念：分子、原子和亚原子粒子。但是这两种对自然界的理解在形式上是彼此不相容的，这使得物理学家们开展了一场竞赛，要将微观理论与宏观理论融为一种内在一致的量子引力理论。虽然我们还没有到达终点，但我们知道最大障碍的确切位置。其中之一是在早期宇宙的 “普朗克时期”。那是大爆炸之后时间间隔从 t = 0 到 t =10?43秒（1秒的千亿亿亿亿亿分之一），并在宇宙尺度增长到10?35米（1米的千亿亿亿亿分之一）之前。这些难以想象的小量被命名为普朗克时间和普朗克长度，马克斯·普朗克（Max Planck）是德国科学家，他在1900年引入了量子化能量的概念，被誉为“量子力学之父”。

引力和量子力学之间的冲突对当代宇宙没有什么实际的影响。天体物理学家们把广义相对论和量子力学的原理和工具应用于不同种类的问题。但在宇宙开始的时候，也就是普朗克时期，极大也是极小，我们怀疑两者一定曾经有某种强制联姻。唉，然而我们对它们在那个仪式上交换的誓言一无所知，所以没有任何（已知的）物理定律能够描述宇宙在那个时期的行为。

尽管如此，我们预计在普朗克时期结束时，其他三种自然力仍然统一，引力逐渐分离出来，成为我们目前的理论可以很好地描述的独立作用力。随着时间达到10?35秒，宇宙继续膨胀，稀释了所有曾集中的能量，刚才还保持统一的作用力分裂成“弱电力”和“强核力”。后来弱电力分裂成电磁力和“弱核力”，从而使得我们已经能够认识到的四种作用力显露了出来：决定放射性衰变的弱核力，把原子核束缚起来的强核力，使得分子结合在一起的电磁力，把大团物质聚集在一起的引力。

*

从宇宙诞生开始，至此过去了万亿分之一秒。

*

在那个时间，以亚原子粒子的形式存在的物质，与以光子的形式存在的能量（光子既是粒子又是波）之间的相互作用持续不断。那时的宇宙温度足够高，这些光子会自发地把它们的能量转换为成物质—反物质粒子对，紧接着又彼此湮灭，把能量重新转换为光子对。是的，反物质是真实的，我们已经发现了它，这并不是科幻作家的想象。这种能量和物质之间的转换完全遵守爱因斯坦最著名的质能方程：E=mc2，它既可以用来算你的能量“值”多少物质，也能用来算你的物质“值”多少能量。方程里c2是光速的平方，它是个巨大的数字，用它乘以质量，让我们知道在这个“运算”中我们可以获得多么巨大的能量。

在强核力和弱电力分道扬镳之前、之中、之后这段极短的时间里，宇宙变成了由夸克、轻子和它们的反物质兄弟——还有承担它们相互作用力的玻色子——共同组成的一大锅沸汤。这些粒子家族每一类都有好几个变种，但它们都被认为无法再分割成更小或更基本的粒子了。普通的光子是玻色子家族的一员。对于非物理学家来说最熟悉的轻子就是电子，可能还有中微子。至于最熟悉的夸克……好吧，没有你们熟悉的夸克。夸克一共有六种，每一种都被赋予了一个抽象的名称，这些名字不具有真正的语言学、哲学，或教育学的目的，只是为了区别彼此：上夸克和下夸克、奇异夸克和粲夸克、顶夸克和底夸克。

玻色子，顺便说一下，是根据印度科学家萨特延德拉·纳特·玻色而命名的。“轻子”这个词来源于希腊文leptos，意思是“轻”或“小”。然而“夸克”这个名字则有一个颇具文学色彩也更富想象力的起源。物理学家莫瑞·盖尔曼在1964年提出存在夸克，它们是中子和质子的内部成分，他当时认为夸克家族只有三名成员，所以从詹姆斯·乔伊斯的小说《芬尼根的守灵夜》里一句含义出名模糊的句子“向麦克老人三呼夸克”（Three quarks for Muster Mark）借用了夸克（quark）这个词。这些夸克有一个共同的特征：他们的名字都特别简单——这似乎是当化学家、生物学家，特别是地质学家在给他们自己的研究对象命名时无法做到的事情。

夸克是古怪的野兽。它们跟质子和电子有个不同的性质，每个质子拥有+1电荷，电子拥有的电荷为–1，可是夸克具有的电荷为分数——只能是1/3或2/3。而且你永远不可能抓住一个单独的夸克；它总是跟附近的其他夸克抱成团。事实上，你把两个或更多个夸克分开的距离越远，把它们束缚在一起的力量也会随之增强——它们就像是被原子核内的某种橡皮筋拴在一起。夸克被分离得足够远时，橡皮筋断裂，原本储存的能量会“召唤”质能方程E = mc2在橡皮筋两端各产生一个新的夸克，把你又带回到了出发的起点。

——

《给好奇者的暗黑物理学》

——

黑洞是什么？

我们都知道，一个被抛向高空的球在达到最大高度后会最终落地，抛球的力气越大，球的高度就越高。这是地球重力的一个表现，因为地球的重力会将所有的东西向地心拉去。球的高度会随着初始速度的平方增加：抛球的速度快两倍，球的高度就是原来的四倍。如果抛球的速度足够快，超过每秒11.2千米（约每小时4万千米），球就不会再落到地球上，而是会彻底摆脱地球的引力。只有行星际探测器的发射器才能达到这个足以摆脱地球引力的速度，让我们可以看到我们身处的太阳系。这个逃逸速度与行星的质量和半径的商的平方根成正比，一个比地球大4倍或小4倍的行星的逃逸速度会是地球的两倍。光的速度约为每秒30万千米，拉普拉斯算出，为了让光线无法逃逸，一个与地球密度相同的恒星的半径应为：太阳半径的250倍。显然，拉普拉斯公式只适用于经典物理学中的物质抛射体，不能先验地适用于粒子——即光子-——质量为零的光线。

关于引力对光产生影响的缜密研究必须在爱因斯坦于1915年发表的广义相对论的框架内进行。这个理论指出，引力的作用实际上是时空的几何表现，它本身是建立在物质和能量分配之上，时空因它而变形、弯曲了。自由运动的粒子必须沿着新几何中较短的线，也就是短程线来运动。因此，与经典理论相反，光虽然没有质量，也会受引力影响，或者更准确地说，是受时空的弯曲影响，它的轨迹在一个巨大的物体附近会偏转。英国天文学家亚瑟?爱丁顿（1882—1944）在1919年的日全食期间首次验证了这一效应。在日全食期间观测到的接近太阳方向的恒星的位置与在一段时间后测量到的这颗恒星的位置之间存在着微小差异，这和爱因斯坦的计算完全相符。这是对于他的万有引力新理论的一个有力证明。今天我们知道，爱丁顿使用的实验器具太不精确了，以至于这个观察结果并不是真正有说服力的，但是，除了这个幸运的巧合之外，科学家又多次重复了这个实验，都明确证实了爱因斯坦的预言。

如果时空的弯曲会影响光线，那么在广义相对论的框架下，我们就有可能再次计算在何种条件下，星体能够限制光线的逃逸。爱因斯坦的理论证实了一个临界半径的存在，当星体的半径低于临界半径时，光线就无法从星体中逃逸。让我们出乎意料的是，计算这个临界半径的公式与由经典理论推导出的拉普拉斯公式完全相同。这个临界半径被命名为史瓦西半径，以纪念在1915年计算出这个半径的德国物理学家卡尔?史瓦西（1873—1916），这个半径和物体的质量成正比，例如，根据史瓦西的公式，要将太阳转化为黑洞，必须将它的全部质量压缩成一个半径仅为3千米的球体！

在光线和物质无法逃逸的区域外有一个球形的表面，我们称之为黑洞的“视界”（horizon）。它是一个几何表面，不是真实物体，我们赋予它这个名称是因为它和地球的“地平线”类似，都是视线范围的边界。如果说地球上的地平线位置取决于观察者的位置，那与之相反，黑洞的视界是绝对的。它是时空的边界，与观察者的位置无关，并且会将所有的事件分为两类：在视界线之外，通过光信号我们可以在任意大的距离之间进行联系，这就是我们居住的普通宇宙；在视界线之内，由于光线要向中心聚集，因此它们无法在任意两点之间自由移动，联系受到了严格的限制。例如，物质和辐射可以从外部区域传到内部区域，却无法从内向外传播。这甚至证明了“黑洞”这个在1967年由美国理论学家约翰?阿奇博尔德?惠勒（ 1911—2008）提出的术语，因为在当时这只是一个理论上的可能。惠勒是一个充满想象力，并且对最大胆的猜测也抱有开放精神的理论学家。除了“黑洞”，他还普及了很多极为新颖的概念，比如“多重世界”“虫洞”“时光倒流的粒子”，以及物质与信息之间的平行论。这些概念往往只是人们想象出的观点，但是能证明黑洞这个著名理论存在的证据出现在1971年：天体物理学家们探测到了天鹅座x-1，这个二元系统的特征表明它是由一个黑洞和一颗巨大恒星组成的。此后，在我们身处的星系中又发现了大约20个黑洞，其中最大的一个——其质量达到了400万个太阳质量——就隐藏在银河系的中心。正如文森特在下一章中所指出的那样，有一个黑洞存在于银河系中心，这冲击着我们的想象力，但黑洞本身并不是邪恶的，恰恰相反，它有利于银河系的稳定和发展演化。2002年，我们通过观测银河系中心附近的恒星轨道，发现了黑洞的存在。2022年，事件视界望远镜项目将通过结合分布在地球整个表面上的无线电望远镜的数据，来制作这个中心黑洞视界附近的图像。目前的观测还显示，在一些活动星系的中心，如M87星系，存在着一个超大质量的黑洞，其质量可以轻松超过10亿个太阳质量！

如果说黑洞似乎确实存在，仍然需要提出一个能够解释黑洞形成的机制。恒星的黑洞——其质量至少是几个太阳质量——是由于一颗大质量恒星（约为10个太阳质量以上）的中心引力崩溃而形成的。事实上，当恒星达到硅的热核燃烧阶段时，其结实的内核的质量会增加，直到变得不稳定。恒星的内核崩溃并产生一个中子恒星，而恒星的外壳则被一个名叫“超新星”的巨大爆炸吹散。1939年，美国物理学家罗伯特?奥本海默（1904—1967）指出，如果中子恒星的质量超过3个太阳质量（兰道-奥本海默-沃尔科夫极限），星体自身的引力绝对强过所有其他的相互作用，黑洞便形成了。自此，黑洞成为宇宙大爆炸的一部分，尽管长久以来，天体物理学家的工作仅限于通过观察来探测黑洞存在的间接影响。而这一情况在2015年10月发生了变化，因为美国的激光干涉引力波天文台（LIGO）首次探测到了引力波。物理学家们在所记录的振动中看到了关于一个巨大振荡的证据。在13亿光年外，有两个黑洞，质量分别是36和29个太阳质量，它们以每秒250转的速度围绕共同的重心旋转，最终合并为一个唯一的、巨大的、质量为62个太阳质量的黑洞。3倍于太阳质量的质量差已经以引力波的形式被放射掉了。

在黑洞视界的边缘

黑洞真的是通常描绘中的宇宙怪物吗？不是的！在距黑洞的距离超过黑洞的史瓦西半径时，时空与同质量的正常星体的时空是无法区分的。因此，将太阳转化为黑洞，对行星的运动没有任何影响，而将黑洞想象成一种可以在所经之处吞噬一切的宇宙吸尘器，至少也是一种夸张。只有在黑洞视界这条线附近，才会出现黑洞特有的时空变形。

我们在黑洞视界的附近会感受到什么？一种对脚和头的奇怪而强烈的拉伸感。你的身体有一定的空间延伸，它的不同部位探索着不同曲度的区域，这些不同曲度被解释为引力场的差异。我们也会在地球表面体验到这种潮汐力，我们可以很容易地观察到这个壮观的结果：由于太阳和月亮的相互作用，就有了海水的潮起潮落。在经典物理学中，重力的强度取决于物体之间的距离。因此，地球上靠近月球的区域比位于对跖点的区域更容易受到月亮的吸引，在地球的参照系中，这会引起海水的明显变形。我们的脚，因为比我们的头要更接近地球的中心，也更受地球的吸引；从我们的角度来看，这个吸引力是一个拉伸的力量，在地球表面，这个力量的强度非常微弱，不到你体重的百万分之一。在黑洞视界的附近，你的头部感受到的引力和脚部受到的引力之间的差异要明显得多。对于质量为10个太阳质量的黑洞来说，你感受到的牵引力就好像是你被吊起来，巴黎地区的人挂在你的脚踝上一样！而奇怪的是，黑洞的质量越小，这个效果反而越强。这个明显的矛盾有一个简单的解释：潮汐力的强度与造成潮汐力的星体密度成正比。由于黑洞的半径与其质量成正比，所以它的密度（与质量除以半径立方的商成正比）随着其质量平方的倒数而减小。因此，一个质量为100万个太阳质量的黑洞产生的潮汐力比一个质量为10个太阳质量的黑洞产生的潮汐力低100亿倍。所以，我们可以出入超大质量黑洞的边缘：“巨人”黑洞的巨大质量使得电影《星际穿越》的主人公能够进入黑洞之中。

由于黑洞存在而引起的时空扭曲还有另一个影响：当我们向远处的观察者发射时钟信号时，在观察者看来，时钟信号的频率仿佛变弱了。因此观察者会觉得靠近黑洞的时钟比自己的时钟要慢。时钟频率的下降也可以表现为发射光的频率下降：光线比发射时显得更红。

现在，如果你决定穿越这道视界线，并将你这一壮举的图像寄去给同事，会发生什么事呢？对你来说，在这个穿越的过程中，不会有什么特别的事情发生：黑洞的边界并没有神奇之处。相反，身处视界线之外的你的朋友永远看不到你穿过这条界线！随着你逐渐接近这条线，放映的影片似乎变慢了，因为接收两个连续图像间隔的时间越来越长。时间膨胀的原理就是，几乎相同的图像彼此相连，达到的视觉效果就是你被凝固在你穿越视界线时的位置上。而且，由于光线的变红和强度的降低，接收到的图像很快变得太弱而无法被接收。对于位置遥远的观众来说，在黑洞内部发生的这一部分旅程都是缺失的。在穿越视界线时传输的图像只能在无限的时间之后才能被接收到，而之后的图像将永远无法穿越黑洞视界这条线。

前言/序言

《给忙碌者的天体物理学》

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推荐序1 万维钢

偶尔仰望星空的时候，你会想到什么呢？你想到了宇宙之博大和个人之渺小、想到了真理、想到了公平和正义吗？如果只想到这些，你就错过了最动人的主题。

现代天体物理学比任何文艺青年所想象的东西都要丰富很多很多倍，也精彩很多很多倍。我们赶上了一个新观测手段层出不穷、宇宙知识爆发式增长的时代。我们今天对宇宙的了解，跟一百年之前，甚至几十年之前都非常不一样。我们已经有很大的把握知道这个宇宙是怎么回事，而你也有权知道。

这本书允许你问这个宇宙是从哪里来的这种大问题，并且提供了相当可靠的答案——而你将会发现，这其实是非常幸运的事情，因为正如泰森所说，宇宙本来没有义务让我们理解。

尼尔·泰森是卡尔·萨根的传人，他是这样一本书最合适的作者。你的阅读历程将伴随着赞叹和思考，你将收获一个宇宙学的视角。