搞樂隊的物理學家，開始給普通人科普黑洞了

衡宇 2025-01-01 13:13:04 來源：量子位

涂舒君 投稿

量子位 | 公眾號 QbitAI

明星物理學家、英國流行樂隊鍵盤手、BBC“奇跡系列”紀錄片主持人……

跨界選手布萊恩·考克斯，這次又準備合伙給大家科普黑洞了。

△圖源：BBC 2021年紀錄片

在他的《BLACK HOLES》（中譯本《黑洞》）一書中，一個200多年前的問題再次受到關注：

宇宙中是否存在這樣一種天體，其引力大到連光都無法逃脫？

隨著科技發展，現代科學家們越來越傾向于肯定回答，并最終確定了黑洞這一概念。

甚至在2019年4月10日，科學家們拍出了人類歷史上第一張黑洞照片，位于M87星系中心；3年后，另一張隱藏在銀河系中心的超大質量黑洞（人馬座A星）的照片也被公布了。

黑洞，這個不斷吸引愛因斯坦、惠勒，霍金等一眾頂尖物理學家的神秘事物，正在逐漸揭開面紗。

在這樣的時刻，自帶專業和科普達人屬性的考克斯等人通過《BLACK HOLES》，為我們普通人打開了一扇了解黑洞的窗口，其中文譯本更是被「中國國家地理·圖書」引進。

黑洞是怎么形成的？它的里面是什么？它為什么會“吸走一切”？會有東西從黑洞里逃出來嗎？我要是掉進了黑洞會發生什么……

話不多說，量子位帶大家先睹為快。

黑洞：理解宇宙的“羅塞塔石碑”

現在我們知道，黑洞位于那些質量最大的恒星曾經閃耀的地方。它們是在引力的作用下，由大量的物質坍縮到一個足夠小的空間而自然形成的。

關于黑洞，科幻小說《三體》中曾有這樣一段描述：

2339年，掩體紀年第1年：環日加速器產生的微型黑洞被注入到木衛十三內部，半徑八千米的木衛十三變成了視界半徑二十一納米的微型黑洞。

隨著黑洞被越來越多地提及，人類對黑洞200多年的探索也曝光了。

約翰·米歇爾（18世紀英國自然哲學家），是歷史上第一個意識到一個致密天體密度可以大到連光都無法逃逸的人。他在給朋友的一封信中提到：

如果太陽縮小到只有3公里的大小，那么連光都會跑不出來。

當時他使用暗星（dark star）這個詞來描述這一事物。

△圖源：Alchetron

后來，法國數學家拉普拉斯在研究牛頓力學時，發現任何天體都有逃逸速度，即想要逃離這個天體的最低速度。

在他的著作《宇宙系統論》中，拉普拉斯提到：

存在一種天體，是表面的逃逸速度大于光速的天體。任何運動物體如果小于此速度，最多只能繞星體旋轉而不能到遠方去，如果表面逃逸速度大于光速，那么光線就不能傳到遠方去，遠方得不到它的光線，它就成了完全黑暗的天體。

這和約翰·米歇爾的想法相似，他們認為正如一個向上拋出的球受到地球引力的作用而減速并被拉回地面，同樣也可以想象存在著一些物體，它們的引力如此強烈，甚至可以捕獲光。

不過當拉普拉斯后來得知托馬斯·楊通過實驗證明了光是一種波時，他在書籍再版時刪去了相關章節。

直到20世紀初，科學家們發現光既是波，也是粒子。也就是說，光會受到引力的影響。

于是乎，以1915年愛因斯坦發表廣義相對論為起點，對黑洞的現代研究開始了。

他提出的廣義相對論和著名的場方程，有力證明了引力是時空彎曲造成的。

在本書作者看來，黑洞位于探索引力與空間和時間關系的舞臺中心，因為它們是可被觀測到的、引力最極端的產物。

后來，科學家史瓦西在愛因斯坦的基礎上進一步研究，并找到了著名的史瓦西解，預言了黑洞可能存在。

不過直到20世紀60年代，有許多物理學家仍然相信，即使黑洞是廣義相對論在數學上推導出的一個特征，但是自然界一定會找到某種方法避免其形成。

甚至愛因斯坦本人在1939年也寫了一篇論文，其結論是黑洞“不存在于物理現實中”。

包括和他同時代的杰出人物亞瑟·埃丁頓，也更加簡潔地表達了觀點：

應該有一條自然法則來防止恒星以這種荒謬的方式存在。

然而，事實卻恰恰相反，黑洞的確存在。

上述反對并沒有阻止后來的研究。當時科學家們發現，恒星也是有壽命的，一旦耗盡燃料就會收縮，最后的結局可能是白矮星、中子、黑洞。

后經錢德拉塞卡、奧本海默以及沃爾科夫的努力，最終證明了大質量的恒星能夠坍縮到一點，這個點被稱為“奇點”。

奇點是一個體積無限小、密度無限大、引力無限大、時空曲率無限大的點，其存在常被用來作為廣義相對論失效的證明。

不過，上述研究進程曾一度受到二戰影響而中止，戰后則由新一代學者惠勒培養的繼任者們接過了研究大旗。

順便一提，正是由于惠勒在1967年的一次演講中使用了“黑洞”一詞，“黑洞”才真正流傳開來。

當時科學家們發現，無論黑洞如何形成，所有的信息都會被簡化成三個數字：即黑洞的質量、自轉和電荷，惠勒將這個定理稱為“無毛定理”。

再到后來，進入20世紀70年代后，理論學家已經普遍接受了黑洞的存在。（盡管天文學家尚未觀測到它們）

而仍然對黑洞感興趣的一小部分人 ，開始將注意力轉向了它們所帶來的概念挑戰。

1974年，霍金在《自然》雜志上發表了一篇名為《黑洞爆炸？》的論文。他運用量子理論，研究了在黑洞附近的物質的行為，驚奇地發現黑洞具有溫度。換言之，黑洞也能產生輻射，這就是著名的“霍金輻射”。

……

總之，從愛因斯坦到霍金再到當代，黑洞這200多年來一直在吸引科學家們不斷探索。

現在我們已經明白，對于比太陽質量大幾倍的恒星來說，黑洞是它們生命演化中自然而然且不可避免的一個階段。

而在我們的銀河系中有千百萬顆這樣的恒星，因此也將存在千百萬個黑洞。

在《黑洞》一書作者考克斯看來：

從這個角度來看，黑洞是宇宙的羅塞塔石碑，讓我們能夠將觀測結果轉化為一種新的語言，讓我們一睹最深刻的理性和最燦爛的美。

PS.羅塞塔石碑是一塊制作于公元前196年的石碑，上面用希臘文、古埃及文和民主政體銘文三種文字記錄了同一內容，在天文學中指代用于破譯宇宙的關鍵事物。

One More Thing

關于本書作者之一布萊恩·考克斯，最后值得說道說道。

此人算是把跨界玩明白了。

他最廣為人知的身份，當屬主持BBC紀錄片“奇跡系列”，包括《太陽的奇跡》、《宇宙的奇跡》、《生命的奇跡》。

由于說話風格充滿詩性和哲學色彩，他的科普廣受喜愛。

就連“世界自然紀錄片之父”大衛·愛登堡也曾表示，“如果我有一盞火炬，我會交給布萊恩·考克斯”。

不過節目主持只是他的副業之一，明面上其主要身份還是粒子物理學家、曼徹斯特大學理論物理學教授，英國皇家學會研究員，大英帝國勛章獲得者……

而且一邊教書的同時，一邊還不忘探索前沿技術。目前他還在歐洲粒子物理實驗室(CERN)里研究大型強子對撞機。

總之從學術領域來看，他被譽為霍金之后，英國最具影響力的物理學家。

而在更早之前（約20世紀90年代），他甚至還是英國流行樂隊D：Ream的鍵盤手。

或許正是由于這樣的背景，其《黑洞》一書也將看起來復雜、深奧的物理知識轉化成了更具可讀性的科普讀物。

以“黑洞”為透鏡，以普通人也能懂的方式探討黑洞的科學原理和宇宙學意義，涉及廣義相對論、量子力學、熱力學以及它們與黑洞的關系。

同時這本書的中文譯者，也是物理學方面的專業人士。

耿率博，波蘭國家核研究中心天體物理博士在讀，研究方向為引力波與強引力透鏡效應在宇宙學研究的應用。

張建東，北京大學理論物理學博士，現任中山大學物理與天文學院副教授，主要研究方向為引力理論和引力波物理。

最后還有尹倩青，理學博士，從事粒子天體物理和空間天文研究，目前主要興趣是基于微小衛星平臺的空間x射線天文觀測。曾為《中國國家天文》《中國大百科全書》等撰文，合作或獨立翻譯過多部科普書，包括《第一推動叢書·宇宙系列：瘋狂的宇宙》《物理之書》《濕婆之舞：前往地球偏遠之地，尋訪物理學的邊緣》等。

Okk，對黑洞相關理論感興趣的小伙伴們，可以讀起來了～