搞乐队的物理学家,开始给普通人科普黑洞了

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涂舒君 投稿
量子位 | 公众号 QbitAI

明星物理学家、英国流行乐队键盘手、BBC“奇迹系列”纪录片主持人……

跨界选手布莱恩·考克斯，这次又准备合伙给大家科普黑洞了。


△图源：BBC 2021年纪录片

在他的《BLACK HOLES》（中译本《黑洞》）一书中，一个200多年前的问题再次受到关注：

宇宙中是否存在这样一种天体，其引力大到连光都无法逃脱？

随着科技发展，现代科学家们越来越倾向于肯定回答，并最终确定了黑洞这一概念。

甚至在2019年4月10日，科学家们拍出了人类历史上第一张黑洞照片，位于M87星系中心；3年后，另一张隐藏在银河系中心的超大质量黑洞（人马座A星）的照片也被公布了。



黑洞，这个不断吸引爱因斯坦、惠勒，霍金等一众顶尖物理学家的神秘事物，正在逐渐揭开面纱。

在这样的时刻，自带专业和科普达人属性的考克斯等人通过《BLACK HOLES》，为我们普通人打开了一扇了解黑洞的窗口，其中文译本更是被「中国国家地理·图书」引进。

黑洞是怎么形成的？它的里面是什么？它为什么会“吸走一切”？会有东西从黑洞里逃出来吗？我要是掉进了黑洞会发生什么……

话不多说，量子位带大家先睹为快。
黑洞：理解宇宙的“罗塞塔石碑”

现在我们知道，黑洞位于那些质量最大的恒星曾经闪耀的地方。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。

关于黑洞，科幻小说《三体》中曾有这样一段描述：

2339年，掩体纪年第1年：环日加速器产生的微型黑洞被注入到木卫十三内部，半径八千米的木卫十三变成了视界半径二十一纳米的微型黑洞。

随着黑洞被越来越多地提及，人类对黑洞200多年的探索也曝光了。

约翰·米歇尔（18世纪英国自然哲学家），是历史上第一个意识到一个致密天体密度可以大到连光都无法逃逸的人。他在给朋友的一封信中提到：

如果太阳缩小到只有3公里的大小，那么连光都会跑不出来。

当时他使用暗星（dark star）这个词来描述这一事物。


△图源：Alchetron

后来，法国数学家拉普拉斯在研究牛顿力学时，发现任何天体都有逃逸速度，即想要逃离这个天体的最低速度。

在他的著作《宇宙系统论》中，拉普拉斯提到：

存在一种天体，是表面的逃逸速度大于光速的天体。任何运动物体如果小于此速度，最多只能绕星体旋转而不能到远方去，如果表面逃逸速度大于光速，那么光线就不能传到远方去，远方得不到它的光线，它就成了完全黑暗的天体。

这和约翰·米歇尔的想法相似，他们认为正如一个向上抛出的球受到地球引力的作用而减速并被拉回地面，同样也可以想象存在着一些物体，它们的引力如此强烈，甚至可以捕获光。

不过当拉普拉斯后来得知托马斯·杨通过实验证明了光是一种波时，他在书籍再版时删去了相关章节。



直到20世纪初，科学家们发现光既是波，也是粒子。也就是说，光会受到引力的影响。

于是乎，以1915年爱因斯坦发表广义相对论为起点，对黑洞的现代研究开始了。

他提出的广义相对论和著名的场方程，有力证明了引力是时空弯曲造成的。



在本书作者看来，黑洞位于探索引力与空间和时间关系的舞台中心，因为它们是可被观测到的、引力最极端的产物。

后来，科学家史瓦西在爱因斯坦的基础上进一步研究，并找到了著名的史瓦西解，预言了黑洞可能存在。

不过直到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，其结论是黑洞“不存在于物理现实中”。

包括和他同时代的杰出人物亚瑟·埃丁顿，也更加简洁地表达了观点：

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。

上述反对并没有阻止后来的研究。当时科学家们发现，恒星也是有寿命的，一旦耗尽燃料就会收缩，最后的结局可能是白矮星、中子、黑洞。

后经钱德拉塞卡、奥本海默以及沃尔科夫的努力，最终证明了大质量的恒星能够坍缩到一点，这个点被称为“奇点”。

奇点是一个体积无限小、密度无限大、引力无限大、时空曲率无限大的点，其存在常被用来作为广义相对论失效的证明。



不过，上述研究进程曾一度受到二战影响而中止，战后则由新一代学者惠勒培养的继任者们接过了研究大旗。

顺便一提，正是由于惠勒在1967年的一次演讲中使用了“黑洞”一词，“黑洞”才真正流传开来。

当时科学家们发现，无论黑洞如何形成，所有的信息都会被简化成三个数字：即黑洞的质量、自转和电荷，惠勒将这个定理称为“无毛定理”。

再到后来，进入20世纪70年代后，理论学家已经普遍接受了黑洞的存在。（尽管天文学家尚未观测到它们）

而仍然对黑洞感兴趣的一小部分人 ，开始将注意力转向了它们所带来的概念挑战。

1974年，霍金在《自然》杂志上发表了一篇名为《黑洞爆炸？》的论文。他运用量子理论，研究了在黑洞附近的物质的行为，惊奇地发现黑洞具有温度。换言之，黑洞也能产生辐射，这就是著名的“霍金辐射”。



……

总之，从爱因斯坦到霍金再到当代，黑洞这200多年来一直在吸引科学家们不断探索。

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。

在《黑洞》一书作者考克斯看来：

从这个角度来看，黑洞是宇宙的罗塞塔石碑，让我们能够将观测结果转化为一种新的语言，让我们一睹最深刻的理性和最灿烂的美。

PS.罗塞塔石碑是一块制作于公元前196年的石碑，上面用希腊文、古埃及文和民主政体铭文三种文字记录了同一内容，在天文学中指代用于破译宇宙的关键事物。
One More Thing

关于本书作者之一布莱恩·考克斯，最后值得说道说道。

此人算是把跨界玩明白了。

他最广为人知的身份，当属主持BBC纪录片“奇迹系列”，包括《太阳的奇迹》、《宇宙的奇迹》、《生命的奇迹》。

由于说话风格充满诗性和哲学色彩，他的科普广受喜爱。

就连“世界自然纪录片之父”大卫·爱登堡也曾表示，“如果我有一盏火炬，我会交给布莱恩·考克斯”。



不过节目主持只是他的副业之一，明面上其主要身份还是粒子物理学家、曼彻斯特大学理论物理学教授，英国皇家学会研究员，大英帝国勋章获得者……

而且一边教书的同时，一边还不忘探索前沿技术。目前他还在欧洲粒子物理实验室(CERN)里研究大型强子对撞机。

总之从学术领域来看，他被誉为霍金之后，英国最具影响力的物理学家。

而在更早之前（约20世纪90年代），他甚至还是英国流行乐队D：Ream的键盘手。



或许正是由于这样的背景，其《黑洞》一书也将看起来复杂、深奥的物理知识转化成了更具可读性的科普读物。

以“黑洞”为透镜，以普通人也能懂的方式探讨黑洞的科学原理和宇宙学意义，涉及广义相对论、量子力学、热力学以及它们与黑洞的关系。

同时这本书的中文译者，也是物理学方面的专业人士。

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。

最后还有尹倩青，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。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。

Okk，对黑洞相关理论感兴趣的小伙伴们，可以读起来了～



— 完 —

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