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作者：玛西亚·芭楚莎，麻省理工学院教授，拥有新闻学和物理学的双重背景，在物理学和天文学领域工作30多年。
黑洞
在开始读这本书之前，我们先一起到黑洞跟前看看。想象一下，如果有一天，你和你的队友穿着宇航服来到黑洞面前，会有什么样刺激的经历在等着你。首先，黑洞是有边界的，这个边界叫作“视界”，指的是我们能从外面看到的黑洞边缘。越过这个边界再往里，由于光都没有办法出来，所以我们根本没有办法知道里面发生的事。要知道，黑洞的这个边界并不是一个固体表面，也没有一个牌子会提醒你说“你已经到黑洞视界了”。这时，如果你冒险往前跨了一步，走到了黑洞的视界里面，你感到的并不会是撞到岩石的痛苦，而是广阔的空间。如果这个黑洞的质量是太阳质量的50亿倍，那么距离你从黑洞边界下降到最后被撕裂的地点还有21个小时。如果在这个时候，你回过头看看位于黑洞视界外面的宇宙，你会看到宇宙未来发生的事情在以接近光速的速度疾驰而过。你手表上的每一秒钟，意味着外面世界过去了几十亿年。而如果在你越过黑洞视界的同时，你的一个队友在外面看到了你，他会看到你似乎在那里静止不动，永远保持年轻，永远不会被毁灭。
黑洞
先来看第一个重要内容：黑洞理论发展的曲折经历
黑洞产生的根本原因就在于引力。我相信大家对引力的概念是很熟悉的，三百多年前，牛顿由于一颗苹果砸在了自己的头上，发现了万有引力定律。我们能够站在地球上，而不是飘到空中，也是由于地球对我们的引力。虽然地球对人类有引力，但如果你想逃脱地球的引力，比如飞到月球上去，那也是有办法的，这个办法就是速度。人造卫星能够摆脱地球的引力进入太空，就是由于速度足够快。当然从不同的星球逃跑的速度是不一样的，星球的质量越大，需要的速度也就越大。比如，你如果想逃出太阳的引力范围，所需要的速度就比从地球逃跑所需要的速度大。沿着这个思路，在牛顿提出万有引力定律大概一百年后，英国有一个叫米歇尔的物理学家，把万有引力定律运用到极端状态，发现宇宙中可能存在着一种特殊天体。
黑洞
在当时，科学家们相信光是由大量的微粒——光子组成的。现在假设，恒星产生的光想要从恒星中跑出来，进入太空。米歇尔认为，恒星的引力会吸引这些光的微粒，并且恒星的质量越大，抓住光的引力也就越强。这也就是说，从大质量恒星那里跑出来的光要比从小质量恒星那里出来的光慢一些。那么显然存在着这样的一种可能性：当恒星的质量达到一定程度的时候，所有的光都会被恒星的引力拽回去。这就像是从喷泉喷射出来的水花，达到最大高度后，又会回落到水池中去。如果恒星能抓住自己辐射出去的所有光微粒，那这颗恒星将永远不会被看到，这便是最早的关于黑洞的描述。米歇尔经过计算后发现，一颗与太阳密度相同，但直径是太阳500倍的恒星，就会变为黑洞。你可能觉得这么极端的例子一定会在理论界引起轩然大波，但实际情况是，这个有点怪诞的理论并没有引起什么关注。又过了大约五十年，光的另一个性质被物理学家提出来了，那就是光并不是由一个一个的小微粒组成的，而是像水中的波纹那样，像波一样进行传播。这个理论否定了米歇尔提出的黑洞理论的基本假设，因此，米歇尔的黑洞理论也就完全被人们抛弃了。
黑洞
不久之后，爱因斯坦的相对论在20世纪初登上了历史舞台。他经过计算发现：光虽然不是由微粒组成的，但引力仍然会对光造成影响。这就是说，当一束光从一个有质量的物体旁边过去的时候，这个物体会把光向着自己的方向吸引过来。不过，即使是地球这样的天体，对光的弯曲效果也是很小的，几乎可以忽略不计。但爱因斯坦提出，太阳的质量足够大，所以当光经过太阳的时候，太阳会弯曲光的行进路线。为了证明爱因斯坦的理论，当时的物理学家做了一个实验，他们拍摄了一组晚上的星空照片，不久之后又在日全食的时候拍摄了一组星空照片。晚上拍摄的照片中，那些来自星星的光线与太阳离得很远，日全食的时候拍摄的照片中，星星的光线都出现在太阳附近。科学家把两组照片进行了对比发现，星星的位置果然发生了改变，太阳会把光线往自己的方向吸引过来。这个实验让人们突然意识到，天上的星光可能全都跑偏了，恒星很可能都不在他们原来的位置上。这个消息迅速传遍了全球，爱因斯坦也成为了全世界最瞩目的名人。他曾经在一封信里说道：“我变成了那个可以把任何碰到的东西都变成黄金的人。任何事情只要和我有关，就会变成大新闻。”
黑洞
既然光线会被恒星吸引过来，德国的物理学家史瓦西就做出了一个大胆的猜想：如果有一个恒星的质量特别大，以至于它不仅仅是将光线“稍微向自己弯曲”，而是把光线完全吸引到自己的势力范围内，从而使光线根本没有办法逃出去，那么这颗恒星不仅不会被外界看到，还会变成一个“无底洞”，光和任何物质都只能进去，根本没有办法出来。根据史瓦西的计算，这样的一个恒星，可能已经不能被称为恒星了，它具有质量无限大、体积无限小的特性。正是这个特性，让大多数科学家觉得史瓦西的观点是荒谬的，并没有将史瓦西的猜想当成一件值得认真对待的事情。爱因斯坦认为，出现史瓦西所说的这种极端状况的原因，是自己的广义相对论仍然有缺陷。而史瓦西自己也觉得，恒星在缩小到这么小的时候，一定会受到内部的一个反推动力，就像你使劲捏一个小球，这个小球会反过来向你施加一个推动力那样，因此，史瓦西相信自己计算出来的结果在真实世界中不可能存在。
黑洞
当时的物理学家不相信黑洞真的存在的原因就在于，他们不相信宇宙中能存在比太阳、地球这样的星球密度还要大的天体。但是后来，随着白矮星、中子星被发现，物理学家发现，宇宙中居然存在比地球的密度大几万亿倍的星体，这彻底颠覆了物理学界的一贯认知。而与此同时，钱德勒·塞卡和奥本海默这两个重量级的物理学大师分别通过计算发现，恒星的质量如果足够大，那它在死亡的时候，会由于自身的引力过大，而不断地向内塌陷，最终形成一个质量无限大、体积无限小的黑洞。这次，连爱因斯坦也坐不住了，他写了一篇论文对黑洞理论进行了批判，试图证明黑洞不可能形成。他还声称自己坚信黑洞不可能在现实中存在。而奥本海默本人，也认为对黑洞的研究并不是自己的本业，根本就没有将这篇论文当回事。事实上，在这之后的十几年时间里，如果有谁将自己的研究方向定为黑洞，往往会被人认为是在不务正业。
黑洞
广义相对论虽然让爱因斯坦成为了世界名人，但它却经历了很长一段被人冷落的岁月，因为几乎所有人都认为牛顿的物理学足够用了,广义相对论要解释的只是牛顿物理学无法解释的特殊情况。这些特殊情况包括物体的速度达到光速、恒星的质量达到太阳的几亿倍时的情况等等。在这些极端情况下，牛顿物理学不再适用，只有广义相对论才能对其进行解释。但在二战之前，科学家坚信这样的极端情况在宇宙中无法真实存在，因此，在当时，物理学界并没有什么人认真研究广义相对论。二战之后，相对论的研究才逐渐有所起色。其中的一个原因有些不同寻常，和一位古怪的美国金融家有关。
黑洞
这个金融家叫罗杰·巴布森，他在20世纪20年代股票市场最辉煌的时候赚了一大笔钱。他非常着迷于牛顿的三大运动定律，特别是第三定律：当两个物体相互作用的时候，彼此之间会向对方施加大小相同、方向相反的力。对于巴布森来说，这意味着大幅上涨的股市会铁板钉钉地迎来暴跌的那天。于是，在1929年的股市大跌之前，他将自己的所有资金转移到了安全的地方。这让他作为美国最富有的人之一，安然渡过了大萧条时期。巴布森确信，是牛顿从金融危机中拯救了他，而他小时候的一次经历让他对重力研究情有独钟，并设立了丰厚的奖金对该领域内的优秀论文给予奖励。在巴布森的童年时期，他的大姐溺水身亡，这个阴影多年以来一直萦绕在他的心中，让他没办法释怀。他一直坚信，是重力将姐姐拉向了水底。既然特殊的绝缘体和防护物可以阻隔磁铁的磁性，那么能不能找到类似的绝缘体来克服重力呢？为了找到这种绝缘体，他设立了这个奖项。
黑洞
这个奖金资助的论文最开始的时候被人当成笑话，因为它是反重力的，以至于很多人都把从事重力研究的人称为狂人和骗子。但是有一位叫德维特的年轻相对论学者，为了赢得奖金给房子交首付而提交了一篇重力研究论文。他在论文中说：“寻找重力绝缘体纯属是‘浪费时间’。”出乎意料的是，由于这篇论文思维缜密、有理有据，最终奖金落到了德维特的头上，让他如愿以偿第得到了心仪的房子。从此之后，这项奖金得到了越来越多的人的关注，而重力研究不可避免地要转到和相对论相关的理论研究上。自此之后，相对论得到了越来越多的人的关注，而它也终于在实际中得到了应用，并和我们的日常生活密切相关起来。相对论中曾有一个重要的论点：引力会对时间产生影响。举个简单的例子，在地球表面，由于地球引力的作用，时间会比真空中没有引力的地方慢。这个观点已经得到了证实，围绕地球运动的全球定位系统的卫星上装载了最准时的时钟，它会比地球上的时钟跑得快一点。所以，为了更精确地为地球上的汽车导航，卫星每隔一段时间就要对自己的时钟进行一次调整。这是相对论在人类生活中的第一次应用。
黑洞
现在，我们再回到开头的那个情境中，如果你进入了黑洞视界，黑洞巨大的引力会让时间变得如此之慢，以至于外面几十亿年过去了，里面才过去了一秒钟，这也是为什么，你在里面可以看到外面的宇宙在以光速向未来运行，而留在外面的人会看到你永葆青春，永远定格在那里。
虽然爱因斯坦坚信黑洞不可能真实存在，但一方面由于黑洞是广义相对论的极端情况，对广义相对论的研究必然会引起物理学家对黑洞的思考；另一方面只有广义相对论才能对黑洞的情况进行解释，其他理论都会在黑洞面前黯然失色。广义相对论研究的复兴，为黑洞理论的发展准备好了理论基础。到了20世纪60年代，随着射电望远镜的应用，物理学家第一次发现宇宙中居然真的存在密度比中子星还要大的天体时，才开始关注到黑洞的相关理论，并最终接受了黑洞的概念。黑洞理论就是在这种不断被质疑、被攻击的曲折历程中发展起来的。其实，不仅仅是黑洞理论，科学界的很多理论都经历了被认为是荒谬的、被权威人士攻击，到最后被广泛接受这样的三部曲。其中最有名的便是哥白尼的日心说和大陆漂移说。关于日心说，大家已经非常熟悉了。而大陆漂移说，直到20世纪60年代，已经有大量的证据证明其真实性的时候，依然还是不断地被权威人士攻击，因为人们根本无法相信自己脚踩的大地居然会像小船一样在地球上移动。直到最后，在铁一般的事实面前，大家才最终接受了大陆漂移说。
黑洞
咱们接下来说第二个：我们如何“看到”黑洞
有人可能会觉得，好吧，我现在承认宇宙中可能确实存在黑洞，但是，就如你所说的，黑洞会吸引住任何物质，包括光，那就意味着我们永远看不见黑洞，既然我们永远看不到黑洞，你怎么知道黑洞确实是存在的呢？物理学家告诉我们：人类是可以“看到”黑洞的，当然这个看到是打了引号的。确实，我们永远无法用眼睛看到黑洞，但科学家可以借助其他方法来间接地证明黑洞确实是存在的。
黑洞
在普通人看来，我们对宇宙的观察是通过望远镜来看宇宙，比如，我看到了火星，那就证明火星存在。确实，在两千多年的天文学历史中，人类都是在借助望远镜观看宇宙，但到了20个世纪30年代，随着射电望远镜的发明，人类可以接收到来自宇宙的各种射线，从而不需要直接看到宇宙，而是通过接收各种无线电波来间接了解宇宙。当然，你可以说，黑洞不仅会吸引住各种光线，也会吸引住各种无线电波，恐怕射电望远镜也没有用吧？嗯，别着急，科学家为了看到黑洞，想到了这样一种方法：在双星系统中，两颗恒星围绕着彼此运动，只要知道其中一颗星的质量和运动状态就能推断出另一颗星的质量和体积，这样一来，我们只要审视天空中的每一颗恒星，就能知道是否有恒星在围绕着黑洞运动了。的确有科学家试图这么做过，不过，用膝盖也能想到，恒星太多了，这样的计算根本不可能实现。
黑洞
所幸的是，通过射电望远镜，物理学家发现，在宇宙中的一些地方会有大量的 X 射线沿着直线向外发射。这些 X 射线的量如此之大，以至于要造成这么大量的 X 射线发射，需要在太阳系这么大的范围内同时引爆上百万颗太阳大小的恒星。请注意，我这里说的是“引爆”，而不是仅仅将上百万颗恒星放到太阳系。现在又出现一个矛盾的问题：即使能在这么小的范围引爆这么大量的恒星，那这样的 X 射线也只能持续很短的一段时间，但宇宙中那股大量的 X 射线似乎已经持续了上百万年。这样的星体过于明亮，超过了物理学家的想象，他们不认为这样的星体是真实的存在的，所以，就把他们称为“类星体”。
黑洞
经过研究，科学家发现，引发大规模 X 射线爆发的就是黑洞。物理学家解释了整个过程，这个过程的起点是，黑洞是在旋转的。因为宇宙中的恒星都是在旋转的，所以恒星在变成黑洞的过程中，保持了旋转的特性，并且随着体积越来越小，旋转的速度也会越来越快。你可以想象滑冰运动员，当运动员在冰上旋转的时候，如果他把自己的手臂收回来，旋转速度会快速增加。黑洞也是因为这样的原因，在以极大的速度旋转。这时，如果有一颗恒星靠近了这个黑洞，并围绕黑洞运动，黑洞便会从恒星那里逐渐将各种物质吸引过来。恒星的物质在靠近黑洞的时候，并不是直接掉进去，而是由于黑洞的旋转，也开始旋转起来，并且越往黑洞靠拢，旋转的速度也越大，以至于在靠近黑洞视界的时候，物质旋转的速度会接近光速。这个过程你可以想象自家水池放水时的情况，放水时，水旋转着流进下水道里，越往中心走，速度越快。被黑洞吸引的物质也是这样，当然，如果一切都顺利的话，这些物质会全部掉入黑洞，但如果这些旋转的物质受到了某种干扰，它就有机会从垂直的方向被发射出去。黑洞附近的干扰确实太多了，比如黑洞强大的磁场就是这样的一种干扰源。当一个黑洞在吞食其他恒星的时候，会由于自身的磁场而发射出大量 X 射线。正是通过这样的方式，科学家“看到”了黑洞。
黑洞
另一个间接看到黑洞的方法，就是探测“引力波”。2016年的时候，科学家发布消息，人类第一次探测到引力波的存在，这样的引力波是由两个黑洞合并造成的。引力波的概念比较抽象，我们可以想象一下，两个黑洞合并的时候，它们会对空间造成剧烈的拉扯，就像是你把一张纸揉成一个纸团，然后打开，然后再揉起来，再打开……如果你有一米八的身高，身处在两个正在合并的黑洞不远的地方，你会先被空间压缩成只有八十厘米高，再瞬间被拉到两米多高，再被压缩、被拉伸……这就是引力波存在的外在表现。当然，如果你被引力波这样拉扯，肯定会瞬间被扯成碎片，不过，幸运的是，我们离黑洞非常远，引力波传到我们这里的时候，已经很小了，不会对人类造成任何影响。即使引力波如此微小，科学家还是可以通过探测空间的细微变化，来确定引力波的存在，进而证明黑洞的存在。因为只有黑洞合并这么大规模的宇宙事件，才会造成这么大规模的引力波。40亿年后，我们所在的银河系将会与仙女座星系发生碰撞，相撞时，位于两颗星系中心的大质量黑洞将会合并，那时，我们将会观测到一场壮丽的引力波表演，而黑洞也会向我们展示它最恐怖又深具魅力的一面。
黑洞
最后，小编来脑洞一下，如果我们的技术能够把人类送进黑洞，而且我们的量子通讯技术发展到了一定的高度，我们是否能够窥见未来呢？
题外话：读书可以扩充我们知识边界，获得更多看问题的视角，但盲从是要不得的...
（喜欢老司机的文章就果断关注吧）
本文选自：今日头条 |
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发表于 2018-7-27 21:28:58
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