黑洞之书 - (EPUB全文下载)

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书籍内容：

前言
2015年9月14日，自阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）写下广义相对论方程后几乎过去了100年。两台巨大无比的探测器，一台位于路易斯安那州，另一台位于华盛顿州，正在为探测引力波做最后的准备。突然且出人意料地，探测器记录下了一串独特的啁啾信号。如果把这串信号转化成声音，那么它听起来就像微弱而低沉的捶击声。
5个月后，在对探测器记录下的数据进行了谨慎检查的前提下，LIGO（激光干涉引力波天文台）团队公开宣布了他们的探测结果。那串啁啾信号正是他们希望探测到的引力波，来自一对合并的黑洞。整个物理学界都为之沸腾，就好像我们一直都是红色盲患者，突然在某个时刻眼前豁然开朗，我们生平第一次看到了一枝红玫瑰。
这是一枝多么漂亮的红玫瑰啊！LIGO团队的最佳估计表明，这个微弱的信号是10亿年前两个黑洞的合并产生的，它们中的每一个都约为太阳质量的30倍那么大。在碰撞过程中，有相当于三倍太阳质量的能量被蒸发成了引力辐射。
黑洞和引力波都是爱因斯坦广义相对论预言的结果。广义相对论预测了在黑洞碰撞事件中，LIGO探测器将会看到的引力波类型，2015年9月14日记录下的啁啾信号就非常接近这个预言。引力波的第一次成功探测不仅证明了长久以来的理论猜想，也预示着引力波天文学时代的到来。LIGO探测器实现了几十年来我们梦寐以求的愿望。现在，我们希望能探索这个盛开着惊喜之花的全新引力花园。
科学很难具有数学意义上的确定性，因此我们会问：LIGO团队的解释有多大把握是正确的，即这个微弱的声音来自10亿年前两个黑洞的合并？答案是：非常确定。所有证据都与这个结论相吻合。两台探测器都记录下了这个信号，附近似乎也没有发生什么能解释这个信号的事件。对于此前的探测技术来说这个信号实在太微弱了，但对于现在的设备来说，它已经足够强了。双黑洞在10亿年前合并的假设也未与一般的天体物理学和宇宙学理论发生冲突。关键的一点是，我们有希望能探测到更多此类事件去验证它。事实确实如此，LIGO团队后来又宣布了第二例被证实的引力波事件，发生在2015年的圣诞节，第三例事件发生在2017年1月4日，这些事件与第一次的发现大体一致，因此我们应该有充分的信心认为LIGO真的探测到了双黑洞合并事件。总而言之，我们相信现在正是天体物理学新时代的黎明时分，黑洞将在未来扮演关键角色。
在本书里，我们将从两个方面来讲述黑洞。一方面，作为天体物理的一个重要研究对象，黑洞的存在几乎毋庸置疑；另一方面，作为理论的实验室，它有助于我们锤炼对引力、量子力学及热学的理解。在第1章和第2章里，我们将以狭义相对论和广义相对论作为开场白。在之后的章节中，我们将一一讨论有关施瓦西黑洞、自转的黑洞、黑洞碰撞、引力辐射、霍金辐射和信息丢失等问题。
那么，黑洞到底是什么？从本质上说，它是一个时空区域，物质一旦被拉入这个区域，将无法从中逃逸（图0–1）。让我们来看一下最寻常的黑洞，即所谓的“施瓦西黑洞”，它是以其发现者卡尔·施瓦西（Karl Schwarzschild）的名字命名的。古语说：“世事有起终有落。”但在施瓦西黑洞的内部，有一个更确切的事实：没有“起”，只有“落”。但是，我们不太确定这样的“落”最终会到达哪里。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。这个假说非常难以检验，因为进入黑洞的观测者不可能回来告诉我们他看到了什么。
图0-1 黑洞的几何剖面图。在视界外很远的地方，时空是平直的。随着向视界移动，时空会逐渐变得弯曲，但依然独立于时间，换句话说时空仍是静态的。然而，在进入视界之后，时空就变成动态的了：随着时间的流逝，两个空间维度（球面几何）被压缩，而第三个维度（图中没有展示出来）被拉长，直至所有空间都被拉伸和挤压成一个无限细长的奇点
在更深入地探索施瓦西黑洞之前，让我们先退一步思考一下比较温和的引力。在地球表面，如果一个物体具有足够大的上升速度，那么它将飞离地球，永不回头。能够做到这一点的最小速度就是逃逸速度，如果忽略空气摩擦力，地球表面的逃逸速度大约是每秒11.2千米。相较而言，人类投球的速度很难超过每秒45米，比逃逸速度的0.5%还慢；大火力来复枪的子弹出膛速度大约是每秒1.2千米，略快于逃逸速度的10%。所以，我们通常所说的“有起终有落”，是指用一般方法使物体上升，相对于这个强度而言，地球引力还是较强的。
火箭是我们克服地球引力并把物体送入太空的现代手段。想要摆脱地球引力，火箭的速度无须严格地超过每秒11.2千米（尽管有些火箭达到了）。事实上，火箭会以一个稍低的速度飞行，并借助充足的燃料保持向上推进的状态，直至地球引力场明显减弱的高度。在这样的高度上，逃逸速度也相应减小。换句话说，为了把空间探测器完全带离地球引力场，在推进器熄火后，火箭的飞行速度必须比这个高度所需要的逃逸速度还快。
现在我们可能会问，如果地球的密度增大，会怎么样？因为引力场变得更强，地球表面的逃逸速度也会变大。在已知宇宙中，普通物质能形成的最致密且稳定的天体是中子星，它相当于把大约1.5倍的太阳质量塞进一个半径只有12千米的球里，尽管这个半径的测量不是非常精确。强度大约是地球引力场的1000亿倍的巨大引力把普通物质塞进中子星内部，假设中子星的半径是12千米，那么其表面的逃逸速度大概是光速的60%。
我们才不会就此打住呢，我们还可以做一个思想实验：进一步压缩中子星。如果将这颗中子星的半径压缩到只有4.5千米，它的逃逸速度就需要达到光速。而如果它的半径小于4.5千米，引力效应就会完全变样。这时，任何形式的物质都不可能在引力的作用下保持原样，时间的向前流逝就等同于沿着半径向内移动，逃逸是不可能的。这就是黑洞。
本书前几章的主要目的是让读者更精确地了解黑洞。我们即将探索的一个关键概念是事件视界，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。比如，对于最寻常的施瓦西黑洞而言，事件视界是完美的球形，其半径被称为施瓦西半径。黑 ............

书籍插图：

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