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(精)給好奇者的暗黑物理學(xué)

(精)給好奇者的暗黑物理學(xué)

現(xiàn)代人不得不看的科普通識讀本。聚焦宇宙科普中五個最吸引人的主題：黑夜、黑體、黑洞、暗物質(zhì)、暗能量，講述它們的發(fā)現(xiàn)史和引發(fā)的科學(xué)革命。

出版社：北京聯(lián)合出版公司出版時間：2018-09-01
開本： 32開 頁數(shù)： 240
讀者評分：5分6條評論
本類榜單：科普讀物銷量榜
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(精)給好奇者的暗黑物理學(xué) 版權(quán)信息

  • ISBN：9787559626165
  • 條形碼：9787559626165 ; 978-7-5596-2616-5
  • 裝幀：簡裝本
  • 冊數(shù)：暫無
  • 重量：暫無
  • 所屬分類：>

(精)給好奇者的暗黑物理學(xué) 本書特色

★聚焦宇宙科普中五個*吸引人的主題：黑夜、黑體、黑洞、暗物質(zhì)、暗能量，講述它們的發(fā)現(xiàn)史和引發(fā)的科學(xué)革命，如黑夜之于宇宙膨脹、黑體之于量子革命、黑洞之于大統(tǒng)一理論……

★科普與人文跨界呼應(yīng)，綜合哲學(xué)、藝術(shù)、文學(xué)的新視角，用文科生看得懂的語言，使你獲得科學(xué)與人文素養(yǎng)的雙重提升。有愛因斯坦的相對論，也有保羅•薩特的哲學(xué)，有霍金的黑洞，也有波德萊爾的詩句……

★以藝術(shù)的姿態(tài)呈現(xiàn)宇宙“暗黑”之美。硬殼精裝，工藝考究，法國先鋒插畫家斯科特獨具風(fēng)格的插畫極具感染力，閱讀科學(xué)也可以充滿美感和詩意。隨書附贈超酷【暗黑物理學(xué)】主題明信片。

★《世界報》《天文學(xué)》《科學(xué)與未來》力薦。Youtube 作者講書高票點擊量，Goodreads高分圖書 兩位作者在多個平臺網(wǎng)站講書，吸引幾十萬忠實聽眾；原版書多次加印再版，口碑不衰。

★《給忙碌者的天體物理學(xué)》后，“未讀•探索家”又一現(xiàn)代人不得不看的科普通識讀本。

(精)給好奇者的暗黑物理學(xué) 內(nèi)容簡介

黑色的夜空，幾百年來讓天體物理學(xué)家們魂牽夢縈；黑體輻射的研究孕育了隨后的量子革命；黑洞一直是宇宙中*富魅力的獨特存在；暗物質(zhì)與暗能量則是當(dāng)代宇宙學(xué)里*神秘的假說……
黑體、黑洞、暗物質(zhì)、暗能量——為什么物理學(xué)家喜歡用“黑暗”一詞來形容這些晦澀的科學(xué)發(fā)現(xiàn)呢？這個問題引導(dǎo)我們回顧物理學(xué)歷史，思考其中的一些關(guān)鍵點。
羅蘭•勒烏克和文森特•博滕斯，通過追溯這些物理概念的發(fā)展演變史，深入探究“黑/暗”在不同的領(lǐng)域分別代表了什么，試圖在物理的復(fù)雜性中驅(qū)散黑暗，讓人能夠從物理學(xué)的“黑概念”里得到收獲與啟發(fā)。

(精)給好奇者的暗黑物理學(xué)(精)給好奇者的暗黑物理學(xué) 前言

前言 物理學(xué)中的黑概念
黑暗，構(gòu)成了一個世界。
亨利•米修 ，《雜亂的無限》（L’Infini turbulent）
物理學(xué)中有很多與黑暗相關(guān)的概念，比如“黑色的天空”“黑體”“黑洞”“暗物質(zhì)”“暗能量”，正是黑暗勾起了我們的求知欲。我們兩個，一個物理學(xué)家，一個哲學(xué)家，之所以會合作，是因為科學(xué)概念上的“黑”既有教育意義，又發(fā)人深思。為什么物理學(xué)家認(rèn)為需要“黑化”這些概念？這個從普通語言中借用的詞匯是什么意思？它對科學(xué)語言的制定是無足重輕且毫無影響，還是其中隱約包含著某種隱喻？總之，物理學(xué)中的黑概念會因為它們的“黑”而擁有特殊性嗎？對于那些構(gòu)想出這些黑概念的人來說，“黑”這個字在我們這個時代的科學(xué)文化中又意味著什么呢？
盡管筆者非常欣賞安德烈•弗朗坎 的黑色幽默代表作《黑思想》，但是我們的書并不會涉及神經(jīng)衰弱的物理學(xué)家們腦中陰郁的反復(fù)思考，而是關(guān)于“黑化”一些現(xiàn)象而產(chǎn)生的物理概念及其特殊性的反思。這種“黑化”是否意味著這些概念是相關(guān)的呢？但是至少有一個值得注意的事實存在，而且應(yīng)該為它寫本書，那就是：這些概念都與過去或者現(xiàn)在的重要科學(xué)謎團(tuán)有聯(lián)系。幾百年來，黑色的天空讓天體物理學(xué)家們魂牽夢縈；黑體輻射之謎是量子力學(xué)的起源；黑洞理論極具特殊性，在人們發(fā)現(xiàn)它的效應(yīng)之前，天體物理學(xué)家就已經(jīng)為之興奮；暗物質(zhì)是解決星系和星系團(tuán)運動異常的假說；而暗能量則可以解釋宇宙加速擴(kuò)張的原因！關(guān)于這些黑概念存在進(jìn)一步思考，然而這些可能和它們的黑化并沒有直接關(guān)系。
黑，一定是因為光的完全缺失。但是在物理學(xué)中，黑卻有特殊的意義。黑體并不一定是黑色的，黑洞也與顏色無關(guān)：它只是無法被看到。黑被歸類為肉眼無法觀察到的物理現(xiàn)象，這個特點因現(xiàn)象而異——天空的黑色和暗能量的黑不同，但是觀察的難度也會嚴(yán)重影響歸類的結(jié)果。一個概念被定義為黑并不是偶然的。在科學(xué)語言中，形容詞“黑”上發(fā)生了一個被加斯東•巴什拉 稱為“語義革命”的變化：它的意思改變了。它的原始含義被提純了，被重新定義了，這樣它就只被用來表達(dá)物理學(xué)家需要它表征的對象屬性了。于是，黑不再是一種顏色，而是成了一個單義的科學(xué)術(shù)語。
其實，這是科學(xué)家努力想要實現(xiàn)的理想。
因為必須承認(rèn)，由于某個詞語在普通語言中已經(jīng)具有了含義，因此這樣的發(fā)源總會留下痕跡，它會默默影響科學(xué)的表達(dá)方式，也會帶給這種表達(dá)方式一絲隱喻的意味。就好像物理學(xué)家關(guān)于黑概念的學(xué)說都有一個黑色影像的光圈如影隨行。在物理學(xué)家做論證時，他必須擺脫這些黑色的影像，才能使自己的理論建立在清晰和鮮明的概念與精細(xì)的公式和算法上，可是這并不表示這些黑色的影像不存在，它們必定存在于物理學(xué)家無盡的遐想當(dāng)中。因此為了理解這些黑概念，不僅需要分析物理學(xué)是如何把“黑”這個形容詞的字面意思，做了深刻的變化，還要闡釋這個既可以表顏色的形容詞，又可以用作科學(xué)短語的詞匯是如何獲得這些含義的。每一個黑概念都對應(yīng)著一個黑色的圖像，就像是通過語言將影子投射在想象中一樣。掌握這些黑概念的物理學(xué)家可以不去理會這些黑色的圖像，但是這恰好證明他必須在這些影像干擾科學(xué)思維的時候?qū)⑺鼈償[脫掉，或者在被它們激發(fā)起好奇心時將它們升華。因為我們無法用這些圖像來完成推理，但是也無法將思維和圖像完全分離。我們不能將二者混淆，也不能將它們錯誤地融為一體，于是我們決定在這本書中，既從認(rèn)識論和歷史角度分析這些黑概念的科學(xué)含義，同時也探索黑色圖像的象征意義。
與此同時，我們會繼續(xù)加斯東•巴什拉的研究。巴什拉是**個將認(rèn)識論分析與心理學(xué)分析的一種特殊變形相結(jié)合，并使用這個對偶方法的人。1938年，他出版了兩部既不相同又互為補(bǔ)充的著作：《科學(xué)精神的形成》和《火的精神分析》。在《科學(xué)精神的形成》中，他解釋了科學(xué)精神必須首先克服“認(rèn)識論障礙”，因為它們會妨礙和阻止科學(xué)精神對現(xiàn)象進(jìn)行精密的思考，這些障礙往往只是普通語言所建立起來的想象。在《火的精神分析》中，他研究了一些與火相關(guān)的圖像來證明它們之間的關(guān)聯(lián)并不是隨機(jī)的：它們之間的聯(lián)系方式雖然與邏輯關(guān)系完全不同，卻是非常精確的。在這位著名先驅(qū)的啟發(fā)下，我們首先要點明物理學(xué)中每一個黑概念的含義，以及與這些概念相應(yīng)的黑色圖像的含義，留待讀者來判斷這些學(xué)術(shù)上的含義與隱喻的含義是否不可分割、相互補(bǔ)充或者相互交錯。但是，在開始從黑色的天空到暗能量的旅程之前（我們還會談到黑體、黑洞和暗物質(zhì)），我們先試著確定一下物理學(xué)中“黑”字在研究者腦中的籠統(tǒng)含義，以及“黑”字在詩人和幻象者的腦中會產(chǎn)生什么樣的圖像。
*
為什么物理學(xué)會將一些物質(zhì)看成黑色的呢？為了回答這個問題，我們首先要知道“看”在物理學(xué)中是什么意思。長久以來，物理學(xué)家不再通過自己的肉眼感覺來觀察現(xiàn)象，而是使用工具：從伽利略的天文望遠(yuǎn)鏡到各種顯微鏡、分光鏡，再到*近的粒子加速器。這些探測儀器可以讓我們與一些本來無法感知到的現(xiàn)象進(jìn)行互動。著名的“觀察者”就是一個機(jī)器？蒲腥藛T會首先介入，做出預(yù)測，準(zhǔn)備實驗并校準(zhǔn)探測器，在觀察之后，說明結(jié)果，糾正自己的假說，并得出必要的結(jié)論？墒，在觀察期間，技術(shù)才是*重要的。為了強(qiáng)調(diào)技術(shù)干預(yù)的重要性，巴什拉創(chuàng)造了一個新詞“現(xiàn)象技術(shù)”（《新科學(xué)精神》，1934年）。這個混合詞是將現(xiàn)象與技術(shù)連在了一起，它意味著，從此以后，“現(xiàn)象”的意思發(fā)生了變化。它的傳統(tǒng)定義是“主動展現(xiàn)給大家看的東西”，而科學(xué)現(xiàn)象不是“主動展示”，它是通過實驗建立起來的。亞里士多德是決不會做實驗的，因為這是對大自然的侵犯。19世紀(jì)，實證主義者們依然將實驗作為檢驗先驗現(xiàn)象的衡量標(biāo)準(zhǔn)，然后試圖用數(shù)學(xué)規(guī)律對現(xiàn)象進(jìn)行描述。在當(dāng)代科學(xué)研究中，“新的現(xiàn)象不是簡單地被發(fā)現(xiàn)，而是被創(chuàng)造，被一點一點建立起來的！保ā堆芯俊，19頁）研究者不是觀察“事實”，而是根據(jù)理論的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)，通過使用高精準(zhǔn)的技術(shù)來創(chuàng)造“效果”。因此，“看”意味著在物理理論的基礎(chǔ)上創(chuàng)造現(xiàn)象技術(shù)，而這個現(xiàn)象技術(shù)（可能）會使一些新的現(xiàn)象甚至預(yù)想不到的現(xiàn)象顯現(xiàn)出來。
乍一看，這樣的觀察方式只適用于粒子物理學(xué)這樣的實驗科學(xué)，而不適用于天文學(xué)這樣的觀測科學(xué)，因為在觀測科學(xué)中，我們無法按照自己的意愿創(chuàng)造現(xiàn)象。然而，現(xiàn)象技術(shù)不只應(yīng)用于粒子加速器，也同樣出現(xiàn)在天文觀測臺。研究者們通過信號來觀察宇宙，這些信號有時很微弱，它們的波長不在可見光譜的范圍內(nèi)，甚至是靠光子以外的其他粒子來傳播的。研究者的儀器可以讓我們看到肉眼不可見的現(xiàn)象；诔橄蟮募僭O(shè)和復(fù)雜的運算，天文學(xué)家制造出一些高端的儀器來搜集隱藏于其他波長中的信息！翱础钡暮x始終是“與現(xiàn)象進(jìn)行互動，對這個互動進(jìn)行測量并從中獲得與現(xiàn)象相關(guān)的信息”。**個信息的傳播媒介是光，科學(xué)家自然而然地在他們的非正式語言中保留了和視覺相關(guān)的詞匯。然而大部分的時間里，被研究的現(xiàn)象不是與光、聲波或中微子相互作用，而是與其他頻次的電磁波相互作用。即使光不再參與互動，現(xiàn)象技術(shù)也必須能夠接收和計量與被觀測的系統(tǒng)互動時所產(chǎn)生的信息。
現(xiàn)在，我們已經(jīng)確定了“看”對于一個物理學(xué)家意味著什么，那么我們就能毫不費力地猜出他賦予“黑”的含義：基本上，就是他看不到或者看不清的東西。在物理學(xué)中，黑代表抵抗探測的物質(zhì)，不會和電磁波相互影響的物質(zhì)，或者該物質(zhì)與電磁波以某種方式發(fā)生互動，而以我們目前擁有的現(xiàn)象技術(shù)無法接收到相關(guān)信息。黑色天空的謎團(tuán)已經(jīng)用它自己的方式提出了疑問：恒星的光本應(yīng)該從各個方向到達(dá)我們的眼中，可我們?yōu)槭裁磪s感知不到呢？黑體將所有的電磁波吸收卻不發(fā)出任何反射；黑洞是一個實心的天體，這所有人都知道，它使光線無法逃脫引力的影響（物質(zhì)自然也一樣）；暗物質(zhì)是一個關(guān)于物體質(zhì)量與光線不會相互影響的假設(shè)；*后，暗能量可能是*晦澀的概念：它不僅無法被觀察到，而且還可能是對抗萬有引力的一個力量來源。
所有這些黑概念，雖然混雜，但從概念層面講，總和“黑”或“暗”有一些關(guān)聯(lián)：它們被應(yīng)用在物理學(xué)家無法看到的現(xiàn)象上。在這本圖文并茂的書中，我們要強(qiáng)調(diào)指出的是，這些黑概念生發(fā)出了一些問題，而這些問題是我們正在試圖了解或者還無法搞清楚的。它們的情況難以闡明：這究竟是事實，還是暫時無法證實的理論可能，抑或只是空想？
*
除了關(guān)于黑概念的認(rèn)識論分析，我們還將使用“黑暗的精神分析法”。在《火的精神分析》（全書名為《火的客觀意識的精神分析》）一書中，巴什拉發(fā)明了一種新型的、獨特的精神分析法。這種方法不是要記錄一個靜止地擱在沙發(fā)上的火焰的秘密，而是要統(tǒng)計火的形象和象征，因為自遠(yuǎn)古以來，火激發(fā)了人類無窮的想象，火的破壞性也阻礙了人類的認(rèn)知。巴什拉的精神分析法旨在蕩滌束縛科學(xué)精神的形象。因為火的古老形象并不是客觀的。這些形象阻礙了人類對燃燒現(xiàn)象的理解。為了擺脫束縛，科學(xué)精神始終需要對抗自身的自然傾向，比如它會把一種物質(zhì)歸于熱量，再將熱量理解為一種微妙的氣體。巴什拉希望將我們的精神從這些給我們造成混亂的形象中解放出來。在序言中我們強(qiáng)調(diào)，巴什拉的這個計劃是有悖傳統(tǒng)的，而它很快就會被一些更加精妙、更加形象的分析所取代。因為，這位來自奧布河畔巴爾的哲學(xué)家*終會被自己所研究的隱喻的魅力而深深吸引。他樂此不疲地詳盡地描述火焰的形象，宣稱要把我們從火奇怪的“復(fù)雜”中解放出來。
我們也想本著這樣的精神做研究，盡可能使黑色形象的學(xué)術(shù)特征（目的是讓每一個遐想都明確意識到想象對理念的扭曲，即使這想象因理念而生）和自由聯(lián)想的荒謬特點（目的是讓遐想保有自發(fā)性。遐想不是理念的仿制品，而是我們的文化共鳴的結(jié)果）兩者之間達(dá)成平衡。
盡管如此，人們可能會考慮“黑”是否契合這個研究。在巴什拉看來，火因其在人類進(jìn)化中扮演著至關(guān)重要的角色，是集體想象中至關(guān)重要的元素。那對于“黑”來說，情況相同嗎？巴什拉還寫過其他一些關(guān)于火的詩集，以及關(guān)于水、空氣、土的作品。他以此證實了一個觀點，那就是只有用于煉金術(shù)的四種元素（空氣、水、火、土）是構(gòu)成集體想象的*重要物質(zhì)。然而仔細(xì)想來，這個論點是武斷的。如果火的形象是從人類能夠使用火的那一刻開始根植于集體想象中的，那么在此之前，夜晚的黑暗籠罩了我們那么久，我們又該如何描述這個更加古老、更加強(qiáng)大的形象呢？
巴什拉在他的《水與夢：論物質(zhì)的想象》中研究了“黑水”的形象，他自己也做出了這樣的思考：如果黑水的形象是融合了水和夜晚的形象，那么豈不是應(yīng)該承認(rèn)夜晚和水一樣，是原始而深刻的想象實體嗎？
當(dāng)我們要對水與夜的結(jié)合發(fā)表一些見解時，似乎與我們關(guān)于物質(zhì)想象的總的觀點相違背……然而，物質(zhì)的遐想是如此自然，如此不可抗拒，以至于想象通常會接受這個夢幻，這個出現(xiàn)在積極的夜晚、深邃的夜晚、潛進(jìn)的夜晚、進(jìn)入各種事物中去的夜晚的夢幻。此時，夜不再是一位蒙著黑紗的女神，也不再是帷幕，遮擋著大地和大海；夜是夜晚，夜是一種實體，夜是夜間的物質(zhì)。物質(zhì)的想象控制著夜。正如水是*適合用來混合的實體，夜會深入水里，使湖底失去光澤，會浸潤池塘。有時，夜的滲透是如此深入，如此隱秘，以至于在想象中，池塘在白晝依然保留了一點夜間物質(zhì)，一點實體性的黑暗。（《水與夢》， 137頁）
我們接受這個假設(shè)：所有的黑色形象都擁有它們各自的特殊性，這個特殊性源自黑理念在想象中的轉(zhuǎn)換，但是這些黑色形象都具有同一個想象元素的性質(zhì)，即我們稱之為“黑暗”的夜晚物質(zhì)。
由于巴什拉感受到了黑暗元素的豐富和強(qiáng)大，他甚至創(chuàng)立了一個系統(tǒng)研究黑色形象的項目：“如果我們能將所有的黑色形象集中并分類，我們想象可以整理出很好的文學(xué)素材……”（《土地與對靜息的遐想》，1948年，90頁）。他雖然并沒有完全考慮過將物理學(xué)里的黑理念當(dāng)作遐想的動機(jī)，可卻注意到了和這些理念相符合的眾多黑色形象的特殊性：布滿星星的夜空的透明的黑，身體內(nèi)部的黑，旋渦令人眩暈的黑，煉金術(shù)士在黑暗中完成的作品所包含的可變的黑，黑暗中隱藏的神秘的黑。他的這些直覺先于我們的研究，我們發(fā)現(xiàn)，在我們始于物理學(xué)的遐想和他始于文學(xué)素材的遐想之間存在著共鳴。當(dāng)然，我們不會僅僅局限在這種共鳴中，我們將探索我們的文化帶來的所有相關(guān)啟示。

(精)給好奇者的暗黑物理學(xué) 目錄

前言 物理學(xué)中的黑概念 2
Part 1 7
A 黑色的夜空 7
膨脹的宇宙 10
*古老的光是何時發(fā)出的？ 11
我們能看到宇宙視界之外的地方嗎？ 11
B 為什么夜空是黑色的 12
黑色的透明性：半透明介質(zhì) 13
彩色的夜空 14
星座的黑色盒子 15
黑的選擇 16
Prat 2 18
A 黑體 18
黑體之謎 19
黑體是真實存在的嗎？ 22
*冷的黑體 23
B 黑體輻射 24
物體的暗黑性 26
黑色射線 26
潛意識的黑暗意識 29
Part 3 30
A 黑洞 30
黑洞是什么？ 31
在黑洞視界的邊緣 33
在怪物的腸道中 34
一個不是那么黑的洞…… 35
宇宙旋渦 36
B 黑洞引力 38
宇宙坍縮 39
憂郁的星體 40
黑洞的光輝 42
Part 4 44
A 暗物質(zhì) 44
暗物質(zhì)的發(fā)現(xiàn) 44
星系中的暗物質(zhì) 45
星系團(tuán)中的暗物質(zhì) 46
宇宙幻象 47
宇宙中的暗物質(zhì) 47
原始核聚變 48
一個新的定律？ 49
暗物質(zhì)的屬性可能是什么？ 49
B 暗物質(zhì)的煉金術(shù) 51
一種比黑色更黑暗的黑色 52
苦煉 54
宇宙的阿尼瑪 54
宏觀宇宙和微觀宇宙的結(jié)合 55
Part 5 57
A 暗能量 57
令人驚奇的觀測結(jié)果 59
解釋的過剩 60
B 暗能量之謎 63
黑暗的教訓(xùn) 65
誰會殺死宇宙？ 65
實體的迷幻 68
不必失望：并非一切都是黑色的！ 71
結(jié)語 黑色的統(tǒng)治 72
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(精)給好奇者的暗黑物理學(xué) 節(jié)選

黑洞是什么？
我們都知道，一個被拋向高空的球在達(dá)到*大高度后會*終落地，拋球的力氣越大，球的高度就越高。這是地球重力的一個表現(xiàn)，因為地球的重力會將所有的東西向地心拉去。球的高度會隨著初始速度的平方增加：拋球的速度快兩倍，球的高度就是原來的四倍。如果拋球的速度足夠快，超過每秒11.2千米（約每小時4萬千米），球就不會再落到地球上，而是會徹底擺脫地球的引力。只有行星際探測器的發(fā)射器才能達(dá)到這個足以擺脫地球引力的速度，讓我們可以看到我們身處的太陽系。這個逃逸速度與行星的質(zhì)量和半徑的商的平方根成正比，一個比地球大4倍或小4倍的行星的逃逸速度會是地球的兩倍。光的速度約為每秒30萬千米，拉普拉斯算出，為了讓光線無法逃逸，一個與地球密度相同的恒星的半徑應(yīng)為：太陽半徑的250倍。顯然，拉普拉斯公式只適用于經(jīng)典物理學(xué)中的物質(zhì)拋射體，不能先驗地適用于粒子——即光子-——質(zhì)量為零的光線。
關(guān)于引力對光產(chǎn)生影響的縝密研究必須在愛因斯坦于1915年發(fā)表的廣義相對論的框架內(nèi)進(jìn)行。這個理論指出，引力的作用實際上是時空的幾何表現(xiàn)，它本身是建立在物質(zhì)和能量分配之上，時空因它而變形、彎曲了。自由運動的粒子必須沿著新幾何中較短的線，也就是短程線來運動。因此，與經(jīng)典理論相反，光雖然沒有質(zhì)量，也會受引力影響，或者更準(zhǔn)確地說，是受時空的彎曲影響，它的軌跡在一個巨大的物體附近會偏轉(zhuǎn)。英國天文學(xué)家亞瑟•愛丁頓（1882—1944）在1919年的日全食期間首次驗證了這一效應(yīng)。在日全食期間觀測到的接近太陽方向的恒星的位置與在一段時間后測量到的這顆恒星的位置之間存在著微小差異，這和愛因斯坦的計算完全相符。這是對于他的萬有引力新理論的一個有力證明。今天我們知道，愛丁頓使用的實驗器具太不精確了，以至于這個觀察結(jié)果并不是真正有說服力的，但是，除了這個幸運的巧合之外，科學(xué)家又多次重復(fù)了這個實驗，都明確證實了愛因斯坦的預(yù)言。
如果時空的彎曲會影響光線，那么在廣義相對論的框架下，我們就有可能再次計算在何種條件下，星體能夠限制光線的逃逸。愛因斯坦的理論證實了一個臨界半徑的存在，當(dāng)星體的半徑低于臨界半徑時，光線就無法從星體中逃逸。讓我們出乎意料的是，計算這個臨界半徑的公式與由經(jīng)典理論推導(dǎo)出的拉普拉斯公式完全相同。這個臨界半徑被命名為史瓦西半徑，以紀(jì)念在1915年計算出這個半徑的德國物理學(xué)家卡爾•史瓦西（1873—1916），這個半徑和物體的質(zhì)量成正比，例如，根據(jù)史瓦西的公式，要將太陽轉(zhuǎn)化為黑洞，必須將它的全部質(zhì)量壓縮成一個半徑僅為3千米的球體！
在光線和物質(zhì)無法逃逸的區(qū)域外有一個球形的表面，我們稱之為黑洞的“視界”（horizon）。它是一個幾何表面，不是真實物體，我們賦予它這個名稱是因為它和地球的“地平線”類似，都是視線范圍的邊界。如果說地球上的地平線位置取決于觀察者的位置，那與之相反，黑洞的視界是絕對的。它是時空的邊界，與觀察者的位置無關(guān)，并且會將所有的事件分為兩類：在視界線之外，通過光信號我們可以在任意大的距離之間進(jìn)行聯(lián)系，這就是我們居住的普通宇宙；在視界線之內(nèi)，由于光線要向中心聚集，因此它們無法在任意兩點之間自由移動，聯(lián)系受到了嚴(yán)格的限制。例如，物質(zhì)和輻射可以從外部區(qū)域傳到內(nèi)部區(qū)域，卻無法從內(nèi)向外傳播。這甚至證明了“黑洞”這個在1967年由美國理論學(xué)家約翰•阿奇博爾德•惠勒（ 1911—2008）提出的術(shù)語，因為在當(dāng)時這只是一個理論上的可能；堇帐且粋充滿想象力，并且對*大膽的猜測也抱有開放精神的理論學(xué)家。除了“黑洞”，他還普及了很多極為新穎的概念，比如“多重世界”“蟲洞”“時光倒流的粒子”，以及物質(zhì)與信息之間的平行論。這些概念往往只是人們想象出的觀點，但是能證明黑洞這個著名理論存在的證據(jù)出現(xiàn)在1971年：天體物理學(xué)家們探測到了天鵝座x-1，這個二元系統(tǒng)的特征表明它是由一個黑洞和一顆巨大恒星組成的。此后，在我們身處的星系中又發(fā)現(xiàn)了大約20個黑洞，其中*大的一個——其質(zhì)量達(dá)到了400萬個太陽質(zhì)量——就隱藏在銀河系的中心。正如文森特在下一章中所指出的那樣，有一個黑洞存在于銀河系中心，這沖擊著我們的想象力，但黑洞本身并不是邪惡的，恰恰相反，它有利于銀河系的穩(wěn)定和發(fā)展演化。2002年，我們通過觀測銀河系中心附近的恒星軌道，發(fā)現(xiàn)了黑洞的存在。2022年，事件視界望遠(yuǎn)鏡項目將通過結(jié)合分布在地球整個表面上的無線電望遠(yuǎn)鏡的數(shù)據(jù)，來制作這個中心黑洞視界附近的圖像。目前的觀測還顯示，在一些活動星系的中心，如M87星系，存在著一個超大質(zhì)量的黑洞，其質(zhì)量可以輕松超過10億個太陽質(zhì)量！
如果說黑洞似乎確實存在，仍然需要提出一個能夠解釋黑洞形成的機(jī)制。恒星的黑洞——其質(zhì)量至少是幾個太陽質(zhì)量——是由于一顆大質(zhì)量恒星（約為10個太陽質(zhì)量以上）的中心引力崩潰而形成的。事實上，當(dāng)恒星達(dá)到硅的熱核燃燒階段時，其結(jié)實的內(nèi)核的質(zhì)量會增加，直到變得不穩(wěn)定。恒星的內(nèi)核崩潰并產(chǎn)生一個中子恒星，而恒星的外殼則被一個名叫“超新星”的巨大爆炸吹散。1939年，美國物理學(xué)家羅伯特•奧本海默（1904—1967）指出，如果中子恒星的質(zhì)量超過3個太陽質(zhì)量（蘭道-奧本海默-沃爾科夫極限），星體自身的引力絕對強(qiáng)過所有其他的相互作用，黑洞便形成了。自此，黑洞成為宇宙大爆炸的一部分，盡管長久以來，天體物理學(xué)家的工作僅限于通過觀察來探測黑洞存在的間接影響。而這一情況在2015年10月發(fā)生了變化，因為美國的激光干涉引力波天文臺（LIGO）首次探測到了引力波。物理學(xué)家們在所記錄的振動中看到了關(guān)于一個巨大振蕩的證據(jù)。在13億光年外，有兩個黑洞，質(zhì)量分別是36和29個太陽質(zhì)量，它們以每秒250轉(zhuǎn)的速度圍繞共同的重心旋轉(zhuǎn)，*終合并為一個唯一的、巨大的、質(zhì)量為62個太陽質(zhì)量的黑洞。3倍于太陽質(zhì)量的質(zhì)量差已經(jīng)以引力波的形式被放射掉了。
在黑洞視界的邊緣
黑洞真的是通常描繪中的宇宙怪物嗎？不是的！在距黑洞的距離超過黑洞的史瓦西半徑時，時空與同質(zhì)量的正常星體的時空是無法區(qū)分的。因此，將太陽轉(zhuǎn)化為黑洞，對行星的運動沒有任何影響，而將黑洞想象成一種可以在所經(jīng)之處吞噬一切的宇宙吸塵器，至少也是一種夸張。只有在黑洞視界這條線附近，才會出現(xiàn)黑洞特有的時空變形。
我們在黑洞視界的附近會感受到什么？一種對腳和頭的奇怪而強(qiáng)烈的拉伸感。你的身體有一定的空間延伸，它的不同部位探索著不同曲度的區(qū)域，這些不同曲度被解釋為引力場的差異。我們也會在地球表面體驗到這種潮汐力，我們可以很容易地觀察到這個壯觀的結(jié)果：由于太陽和月亮的相互作用，就有了海水的潮起潮落。在經(jīng)典物理學(xué)中，重力的強(qiáng)度取決于物體之間的距離。因此，地球上靠近月球的區(qū)域比位于對跖點的區(qū)域更容易受到月亮的吸引，在地球的參照系中，這會引起海水的明顯變形。我們的腳，因為比我們的頭要更接近地球的中心，也更受地球的吸引；從我們的角度來看，這個吸引力是一個拉伸的力量，在地球表面，這個力量的強(qiáng)度非常微弱，不到你體重的百萬分之一。在黑洞視界的附近，你的頭部感受到的引力和腳部受到的引力之間的差異要明顯得多。對于質(zhì)量為10個太陽質(zhì)量的黑洞來說，你感受到的牽引力就好像是你被吊起來，巴黎地區(qū)的人掛在你的腳踝上一樣！而奇怪的是，黑洞的質(zhì)量越小，這個效果反而越強(qiáng)。這個明顯的矛盾有一個簡單的解釋：潮汐力的強(qiáng)度與造成潮汐力的星體密度成正比。由于黑洞的半徑與其質(zhì)量成正比，所以它的密度（與質(zhì)量除以半徑立方的商成正比）隨著其質(zhì)量平方的倒數(shù)而減小。因此，一個質(zhì)量為100萬個太陽質(zhì)量的黑洞產(chǎn)生的潮汐力比一個質(zhì)量為10個太陽質(zhì)量的黑洞產(chǎn)生的潮汐力低100億倍。所以，我們可以出入超大質(zhì)量黑洞的邊緣：“巨人”黑洞的巨大質(zhì)量使得電影《星際穿越》的主人公能夠進(jìn)入黑洞之中。
由于黑洞存在而引起的時空扭曲還有另一個影響：當(dāng)我們向遠(yuǎn)處的觀察者發(fā)射時鐘信號時，在觀察者看來，時鐘信號的頻率仿佛變?nèi)趿。因此觀察者會覺得靠近黑洞的時鐘比自己的時鐘要慢。時鐘頻率的下降也可以表現(xiàn)為發(fā)射光的頻率下降：光線比發(fā)射時顯得更紅。
現(xiàn)在，如果你決定穿越這道視界線，并將你這一壯舉的圖像寄去給同事，會發(fā)生什么事呢？對你來說，在這個穿越的過程中，不會有什么特別的事情發(fā)生：黑洞的邊界并沒有神奇之處。相反，身處視界線之外的你的朋友永遠(yuǎn)看不到你穿過這條界線！隨著你逐漸接近這條線，放映的影片似乎變慢了，因為接收兩個連續(xù)圖像間隔的時間越來越長。時間膨脹的原理就是，幾乎相同的圖像彼此相連，達(dá)到的視覺效果就是你被凝固在你穿越視界線時的位置上。而且，由于光線的變紅和強(qiáng)度的降低，接收到的圖像很快變得太弱而無法被接收。對于位置遙遠(yuǎn)的觀眾來說，在黑洞內(nèi)部發(fā)生的這一部分旅程都是缺失的。在穿越視界線時傳輸?shù)膱D像只能在無限的時間之后才能被接收到，而之后的圖像將永遠(yuǎn)無法穿越黑洞視界這條線。

(精)給好奇者的暗黑物理學(xué) 相關(guān)資料

物理學(xué)家與哲學(xué)家的一次開創(chuàng)性合作……這不像科普，而是兩位作者的一場對話，各自陳述，互相補(bǔ)充。一次有趣的物理哲學(xué)之旅。 ——《研究》雜志

很有趣的一本書，雖然主題深奧，但閱讀感受很愉悅。 ——《世界報》

對讀者來說，這是一個關(guān)于“黑暗”的不同尋常的全新認(rèn)識，以及對天文學(xué)的多重共鳴。除了兩位作者閃光而睿智的文筆，本書也以美的姿態(tài)呈現(xiàn)，這一點，書中獨具風(fēng)格的插畫可以證明。 ——《科學(xué)與未來》雜志

非常精致而奇妙的書。插圖由極具天賦的斯科特創(chuàng)作，完全符合文本內(nèi)容。它用遐想與夢，解讀晦艱澀的物理概念，吸引著有相關(guān)教育背景的讀者，強(qiáng)化著讀者對宇宙學(xué)的主要問題，以及對這些問題的形而上學(xué)含義的敏感度。 ——《天文學(xué)》雜志

本書不是一項事實上的理論推演研究，而是對“當(dāng)代物理學(xué)的神秘假設(shè)”的反思。 ——《法國文化報》

(精)給好奇者的暗黑物理學(xué) 作者簡介

羅蘭•勒烏克(Roland Lehoucq)：法國科普作家，法國原子能委員會天文學(xué)家，宇宙拓?fù)鋵W(xué)專家，任教于巴黎政治學(xué)院，著有《黑洞》《外星人有幾根手指？》等。
文森特•博滕斯（Vincent Bontems）：法國科學(xué)哲學(xué)家，在法國原子能委員會實驗室工作，著有《巴什拉》《機(jī)器：知識的工具》等。

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