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黑洞，简单而残酷，复杂又神秘。

它是科学家眼中拥有致命吸引力的理论实验室，同时又是大众为熟知的物理学概念之一。从爱因斯坦到施瓦西，再到惠勒、索恩和霍金，黑洞究竟是什么？黑洞具有哪些迷人特性？

在这本书中，来自普林斯顿大学的两位物理学教授，用简洁准确的语言为我们逐步搭建了理解黑洞的阶梯，从爱因斯坦的相对论，到更为新近的前沿研究，黑洞成为科学家检验引力理论、量子理论和热力学的实验室。这段旅程充满了奇幻、叛逆和神秘，令人大开眼界，又蕴含着无尽的可能性。

让我们与艾丽斯和鲍勃一起，以整个宇宙为背景，探索黑洞的怪异魅力吧。

前言

第1章 狭义相对论

时间是什么？空间是什么？什么是闵可夫斯基时空？狭义相对论，给我们带来了一个物理学上z著名也重要的公式。从一组和火车有关的思想实验说起。

第2章 广义相对论

时空将变得弯曲，究竟是什么意思？一颗飞向黑洞的子弹，会打穿黑洞吗？一组关于上学、写作业和引力阱的思想实验。

第3章 施瓦西黑洞

什么是施瓦西解？什么是视界？让我们和6位驾驶着飞船的小人儿一起，测量黑洞的周长。

第4章 自转的黑洞

宇宙中的黑洞几乎总有旋转和自旋，这带来了什么有趣的新效应？当物体自外向内落入黑洞，会发生什么？

第5章 宇宙中的黑洞

广义相对论的黄金年代，伟大的头脑家与新观测技术交相辉映，约翰·惠勒，基普·索恩，史蒂芬·霍金带来关于黑洞的认知革命。

第6章 黑洞碰撞

什么是引力波？为什么黑洞会碰撞并产生引力波？为什么从爱因斯坦发表广义相对论起，科学家花了100年才次直接探测到引力波？欣赏地球上z大的物理学实验装置之一，领略来自遥远时空的信号。

第7章 黑洞热力学

黑洞真是黑色的吗？黑洞有温度吗？黑洞甚至有可能是量子纠缠的表现！一个关于虫洞的思想实验，两位参与者会在虫洞相遇吗？

结语

译后记

史蒂文·古布泽（Steven S. Gubser），普林斯顿大学物理学教授，著作有《弦论》。 弗兰斯·比勒陀利乌斯（Frans Pretorius），普林斯顿大学物理学教授。 

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亲爱的阿尔伯特，

你是出色的。几乎人人都知道的那个物理学方程就是E = mc2。《时代周刊》将你评选为“世纪人物”。关于你的笑话再也没人讲了，因为每个人都知道那并不好笑。尽管我们已经拥有了许多核武器，但我们还没把自己炸飞。事实上，在“二战”结束前投掷的那两颗原子弹是核武器一次被用于杀戮。

如今，我们对广义相对论和黑洞更感兴趣，因为巨大的LIGO探测器成功探测到发生在 10 多亿年前的一次黑洞碰撞发出的引力波信号。我们写了一本有关黑洞的书，因为我们知道你对施瓦西解非常感兴趣，但或许对它的物理意义不太确定。所以我们想告诉你一些在你离世后的 60 多年中取得的相关进展。

在施瓦西解里存在一个事件视界。一旦你穿过它，除非你的速度超过光速，否则你就再也回不来了。如果你还记得施瓦西解的形式，当半径等于质量乘以牛顿引力常数时，它就会表现出一些奇异性，尤其是度规的时间项（我们现在称之为时移函数）消失了，而那正是事件视界的所在。当半径趋于零时，施瓦西解也会表现出一些奇异性，我们好的理解就是它们标志着一个时空奇点，人类已知的物理定律在那里会彻底失效。如果你进入一个施瓦西黑洞，你肯定会碰到奇点，但我们不知道接下来会发生什么，甚至用“接下来”这个词是不是合适，也值得商榷。

我们多么希望你能看到在你过世后的 20 多年里广义相对论研究工作的进展。约翰·惠勒是其中的核心人物。（我们跟他熟识！他和我们同在普林斯顿大学工作，直到2008 年他离开了这个世界。）他让“黑洞”这个描述施瓦西解及其度规的词变得流行。一位名叫罗伊·克尔的新西兰人找到了施瓦西度规的一般化形式，用于描述旋转黑洞。这是一种相当复杂的度规！更重要的是，它描述了坍缩恒星的终态，它们总有一些非零的角动量。

我们现在十分确信宇宙中有很多黑洞。钱德拉塞卡、托尔曼、奥本海默和沃尔科夫等人早在 20 世纪 30 年代就说过，如果你把太多的质量放到一起，就没有什么能够支撑住它们。具体的数字难以估算，但如果一颗恒星在核燃料耗尽后还剩下 3 倍的太阳质量，它将会坍缩成一个黑洞。更令人惊奇的是，在星系中心还有更大的黑洞。比如，银河系中心就有一个约为 400 万倍太阳质量的黑洞。我们没有开玩笑！现代的观点一致认为，许多星系的中心都有很大的黑洞，它们的质量甚至达到太阳的几十亿倍。我们现在尚不清楚这些黑洞是怎么形成的，但就银河系而言，通过观测一些恒星的轨迹和黑洞的引力效应，我们相信银心确实存在黑洞。

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黑洞和引力波都是爱因斯坦广义相对论预言的结果。

从施瓦西黑洞背后的数学原理出发得出的最直截了当的假说是，黑洞核心有一个可无限压缩的物质核，落入这个核是万物的终结，也是时间的终点。

事件视界，即黑洞的“表面”，它是几何意义上三维空间里的一个二维位置。

现在看来，我们似乎已经从头到尾地探索了施瓦西解。这真是一个奇迹，它以一种简单、精确的方式描述了我们生活于其中的弯曲时空几何结构的特点，同时给出了银河系中最重的天体——位于银河系核心处的巨大黑洞——周围时空的几何结构的近似描述。施瓦西黑洞本身是完全静止的，就像一只潜伏在曲面几何网中心的蜘蛛。正如我们知道的那样，离视界太近的物体一定要奋力逃跑，任何穿过视界的东西很快就会被奇点毁灭成你能想象到的最细小的物质流。

事实上，这不是关于施瓦西解的故事的结局。施瓦西度洞而言，从奇点出发，时间的流逝将所有空间从奇点中拖拽开来，让所有东西都穿过单向边界到外面去。一旦出去了，分，其原因可以从一个显而易见的悖论中找到。除了在奇点处，测地线严格来说是“完整的”：作为时空中的最优轨道，它们没有开始或结束。对粒子测地线或光子测地线而言，从任何点出发总会有一个前进或后退的路径。唯一失效的情形是通向奇点的测地线，这时就需要用量子引力理论来解释发生了什么。当然，非引力性作用力可以使粒子沿非测地线的轨道移动，但作为时空中的路径，测地线一直在那里。比如，如果你坐在自己最喜欢的咖啡店的椅子上阅读本书，你就不会沿测地线运动，因为椅子和地面施加在你身上的力阻止了你这样做。但测地线仍然存在，而且穿过地面指向地球中心，那些不受其他外力作用的粒子或物体，比如中微子，还会沿测地线运动。

我们已经介绍了黑洞的一些奇妙之处，现在你应该可以理解，为什么在爱因斯坦公布了他的场方程后不久，施瓦西就可以运用精确的数学方法充分探讨场方程，但科学家却花了如此长的时间才弄清楚施瓦西度规的真正意义。在施瓦西解被严肃对待之前，包括1963年发现的克尔解在内的许多新的数学方法都成为必需品。同样重要的是，那时天文学家在宇宙中发现了一些用传统理论无法解释的天体，但黑洞理论却可以做到。如果不是这样，广义相对论就会被视为一个数学上的怪胎，而且没有物理学上的相关性（就像它在创立之初曾被认为的那样）。我们对黑洞的大部分现代理论都是在爱因斯坦逝世之后才建立的，所以很遗憾，他不能充分欣赏到他的理论是如何令人大开眼界的。

现在，参照系拖拽的奇异特征在这里起作用了。在克尔黑洞的时空中有一些测地线轨道，它们完全被限制在能层之内，沿它们运动的粒子具有非常大的负势能，并且大于其静能和动能的总和，所以它们的总能量是负的。这就是彭罗斯过程的作用原理：当处在能层之内时，飞船发射抛体，抛体在其中一条负能量轨道上运动。依据能量守恒定律，飞船将获得足够大的动能，既可以补偿被抛体带走的质量当量的能量，又包含了与抛体的净负能量相等的正能量。由于抛体随后会在黑洞中消失，我们可以用废料制造抛体。黑洞不仅会无怨无悔地吸入所有废料，还会以比我们投入能量更多的能量作为回馈。这简直就是名副其实的绿色能源！

我们可以从克尔黑洞中提取的最大能量取决于黑洞的自旋速度。在极端情况下（黑洞的最快自旋速度），约有29％的能量存在于旋转黑洞的时空中。这听起来似乎不多，但请记住，它是静止质量当量的能量。相比之下，核裂变反应堆只能利用的能量尚且不到静止质量当量的千分之一。

编辑推荐

普林斯顿大学黑洞研究专家联袂撰写 中国科学院国家天文台黑洞小组科学家 翻译

如果你想在有限篇幅内尽可能全面的了解黑洞相关的科学知识，那么这本书是你的好选择。

书籍介绍

奇异的黑洞冒险，别开生面的思想实验

和伟大头脑共同探索物理学的奇异魅力

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黑洞，简单而残酷，复杂又神秘。

它是科学家眼中拥有致命吸引力的理论实验室，同时又是大众最为熟知的物理学概念之一。从爱因斯坦到施瓦西，再到惠勒、索恩和霍金，黑洞究竟是什么？黑洞具有哪些迷人的特性？

在这本书中，来自普林斯顿大学的两位物理学教授，用简洁准确的语言为我们逐步搭建了理解黑洞的阶梯，从爱因斯坦的相对论，到更为新近的前沿研究，黑洞成为科学家检验引力理论、量子理论和热力学的实验室。这段旅程充满了奇幻、叛逆和神秘，令人大开眼界，又蕴含着无尽的可能性。

让我们与艾丽斯和鲍勃一起，以整个宇宙为背景，探索黑洞的怪异魅力吧。