牛津通识课--黑洞

作者简介

【英】凯瑟琳·布伦德尔（Katherine Blundell），英国牛津大学天体物理学教授，牛津圣约翰学院高级研究员，英国皇家天文学会达尔文讲师，因其在天文学和青年教育的杰出贡献在2017年被授予大英帝国勋章。

内容简介

《黑洞是什么 | What Is a Black Hole?》 黑洞就是一个引力很强的空间区域。任何东西——甚至连光——都因为不够快，不能从其内部逃离。虽然这一概念最初是在理论物理学家丰富的想象中被构思出来的，但现在我们已经在宇宙中发现了数百个黑洞，并且它们以百万计。尽管这些黑洞是不可见的，但它们以一种很容易被探测到的方式与周围环境相互作用，并对其产生影响。确切地说，这种相互作用的性质取决于相对黑洞的距离： 太近的话是不能逃脱的，但更远的地方就会出现一些戏剧性的壮观现象。1964 年，安·尤因（Ann Ewing）在一篇报道1963 年于得克萨斯州举办的一个研讨会的文章中首次提到了“黑洞”一词，然而她从未说明是谁发明了这个词。1967 年，美国物理学家约翰·惠勒（John Wheeler）需要一个词作为“引力坍缩彻底的恒星”的简写，于是开始推广这个术语—— 不过坍缩的恒星这一概念早在1939 年就由他的美国同事罗伯特·奥本海默（Robert Oppenheimer） 和哈特兰·斯奈德（Hartland Snyder）提出来了。事实上，关于现代黑洞概念的数学基础在1915 年就已经诞生了。德国物理学家卡尔·史瓦西（Karl Schwarzschild）在空间中有孤立无转动的质量的条件下解出了爱因斯坦的重要方程（在他的广义相对论中被称为场方程）。 在此之后过了20 年，印度物理学家苏布拉马尼扬·钱德拉塞卡（Subrahmanyan Chandrasekhar） 研究了恒星死亡时会发生什么。以此为基础，英国的亚瑟·爱丁顿爵士（Sir Arthur Eddington）解决了一些相关的数学问题——比奥本海默和斯奈德的工作稍早一点。爱丁顿的计算表明，当大质量恒星耗尽所有燃料时会坍缩形成黑洞，不过爱丁顿自己在1935 年向皇家天文学会宣称其物理含义是“荒谬的”。尽管这个概念看起来荒谬，但黑洞无疑是我们的银河系乃至整个宇宙物理现实的重要组成部分。1958 年，美国的大卫·芬克尔斯坦（David Finkelstein）取得了更进一步的进展，他明确了黑洞周围存在一个单向表面。这对于我们将在下一章中讨论的内容具有重要的意义。这个表面的存在不允许光从黑洞内部强大的引力中脱离，而这也是黑洞是黑色的原因。要理解这种现象是如何产生的，我们首先要理解物理世界的一个深刻的特性：任何运动的粒子或物体都存在一个最大速度。 快是有多快 丛林法则之一是：不想死得快，就得跑得快。除非你异常狡猾或者善于伪装，否则只有足够敏捷才能存活下来。哺乳动物摆脱劣势的最大速度取决于其质量、肌肉力量和新陈代谢之间复杂的生化关系。宇宙中运动最快的实体所能达到的最大速度是由完全没有质量的粒子所呈现的，例如光的粒子（被称为光子）。这个最大速度被精确地定为每秒299 792 458 米，相当于每秒186 282 英里，几乎比空气中的音速快100 万倍。如果能以光速旅行，我将能够在十四分之一秒内从我在英国的家中到达澳大利亚，就是一瞬间的事情。从离我们最近的恒星，也就是太阳出发的光只需要8 分钟就可以到达我们这里。而从太阳系最外层的行星海王星出发，光子到地球的行程时间也只有几个小时。我们说太阳离地球有8 光分，而海王星离我们有几光时。这会导致一个有趣的后果，如果太阳停止发光或海王星突然变成紫色，地球上的任何人发现这些重要信息都分别需要花上8 分钟或几小时。 现在让我们来考虑光线从太空中更加遥远的地方传回地球的时间有多长。我们的太阳系所在的银河系是一个长达几十万光年的星系。这意味着光从银河系的一侧行进到另一侧需要几十万年。离本星系群（银河系是其中的重要成员）最近的星系团， 也就是天炉座星系团，离我们有几亿光年。因此， 在围绕天炉座星系团中的某颗恒星运行的行星上如果有一位观察者，手头配备了恰当的仪器回看地球，可能会看到恐龙在地球上徘徊。不过这只是由于宇宙浩瀚得令人难以置信，才使得光的运动看起来迟缓且费时。但当我们开始考虑如何将火箭发射到太空时，宇宙规定光速是上限这一点就会带来一种有趣的效应。 ◆带领你三小时打造一个学科的专业级知识框架。 ◆牛津通识课系列是一个可读性强且包罗万千的工具书图书馆。 ◆每本讲透一个学科，看完一本，就把对应话题了解得明明白白。 ◆牛津大学出版社自1995年开始出版的一套系列丛书，堪称镇社之宝。 ◆由牛津大学牵头，邀各领域闻名世界的专家书写的通识读物。全球销量超500万册，多本被选为大学入门教材。 ◆集中于宇宙物理领域，一本书讲透黑洞的方方面面。 ◆由点及面的网状知识图谱，按需阅读，帮助读者足不出户了解关于世界的种种真相。 ◆牛津通识课系列是横跨四大知识板块（物理/生物/历史/文化）的大型通识读物。