搞樂(lè)隊(duì)的物理學(xué)家，開(kāi)始給普通人科普黑洞了

衡宇 2025-01-01 13:13:04 來(lái)源：量子位

涂舒君 投稿

量子位 | 公眾號(hào) QbitAI

明星物理學(xué)家、英國(guó)流行樂(lè)隊(duì)鍵盤手、BBC“奇跡系列”紀(jì)錄片主持人……

跨界選手布萊恩·考克斯，這次又準(zhǔn)備合伙給大家科普黑洞了。

△圖源：BBC 2021年紀(jì)錄片

在他的《BLACK HOLES》（中譯本《黑洞》）一書(shū)中，一個(gè)200多年前的問(wèn)題再次受到關(guān)注：

宇宙中是否存在這樣一種天體，其引力大到連光都無(wú)法逃脫？

隨著科技發(fā)展，現(xiàn)代科學(xué)家們?cè)絹?lái)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(xué)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(zhì)量黑洞（人馬座A星）的照片也被公布了。

黑洞，這個(gè)不斷吸引愛(ài)因斯坦、惠勒，霍金等一眾頂尖物理學(xué)家的神秘事物，正在逐漸揭開(kāi)面紗。

在這樣的時(shí)刻，自帶專業(yè)和科普達(dá)人屬性的考克斯等人通過(guò)《BLACK HOLES》，為我們普通人打開(kāi)了一扇了解黑洞的窗口，其中文譯本更是被「中國(guó)國(guó)家地理·圖書(shū)」引進(jìn)。

黑洞是怎么形成的？它的里面是什么？它為什么會(huì)“吸走一切”？會(huì)有東西從黑洞里逃出來(lái)嗎？我要是掉進(jìn)了黑洞會(huì)發(fā)生什么……

話不多說(shuō)，量子位帶大家先睹為快。

黑洞：理解宇宙的“羅塞塔石碑”

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

關(guān)于黑洞，科幻小說(shuō)《三體》中曾有這樣一段描述：

2339年，掩體紀(jì)年第1年：環(huán)日加速器產(chǎn)生的微型黑洞被注入到木衛(wèi)十三內(nèi)部，半徑八千米的木衛(wèi)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(lái)越多地提及，人類對(duì)黑洞200多年的探索也曝光了。

約翰·米歇爾（18世紀(jì)英國(guó)自然哲學(xué)家），是歷史上第一個(gè)意識(shí)到一個(gè)致密天體密度可以大到連光都無(wú)法逃逸的人。他在給朋友的一封信中提到：

如果太陽(yáng)縮小到只有3公里的大小，那么連光都會(huì)跑不出來(lái)。

當(dāng)時(shí)他使用暗星（dark star）這個(gè)詞來(lái)描述這一事物。

△圖源：Alchetron

后來(lái)，法國(guó)數(shù)學(xué)家拉普拉斯在研究牛頓力學(xué)時(shí)，發(fā)現(xiàn)任何天體都有逃逸速度，即想要逃離這個(gè)天體的最低速度。

在他的著作《宇宙系統(tǒng)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(yùn)動(dòng)物體如果小于此速度，最多只能繞星體旋轉(zhuǎn)而不能到遠(yuǎn)方去，如果表面逃逸速度大于光速，那么光線就不能傳到遠(yuǎn)方去，遠(yuǎn)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(rèn)為正如一個(gè)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(qiáng)烈，甚至可以捕獲光。

不過(guò)當(dāng)拉普拉斯后來(lái)得知托馬斯·楊通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了光是一種波時(shí)，他在書(shū)籍再版時(shí)刪去了相關(guān)章節(jié)。

直到20世紀(jì)初，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)光既是波，也是粒子。也就是說(shuō)，光會(huì)受到引力的影響。

于是乎，以1915年愛(ài)因斯坦發(fā)表廣義相對(duì)論為起點(diǎn)，對(duì)黑洞的現(xiàn)代研究開(kāi)始了。

他提出的廣義相對(duì)論和著名的場(chǎng)方程，有力證明了引力是時(shí)空彎曲造成的。

在本書(shū)作者看來(lái)，黑洞位于探索引力與空間和時(shí)間關(guān)系的舞臺(tái)中心，因?yàn)樗鼈兪强杀挥^測(cè)到的、引力最極端的產(chǎn)物。

后來(lái)，科學(xué)家史瓦西在愛(ài)因斯坦的基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究，并找到了著名的史瓦西解，預(yù)言了黑洞可能存在。

不過(guò)直到20世紀(jì)60年代，有許多物理學(xué)家仍然相信，即使黑洞是廣義相對(duì)論在數(shù)學(xué)上推導(dǎo)出的一個(gè)特征，但是自然界一定會(huì)找到某種方法避免其形成。

甚至愛(ài)因斯坦本人在1939年也寫了一篇論文，其結(jié)論是黑洞“不存在于物理現(xiàn)實(shí)中”。

包括和他同時(shí)代的杰出人物亞瑟·埃丁頓，也更加簡(jiǎn)潔地表達(dá)了觀點(diǎn)：

應(yīng)該有一條自然法則來(lái)防止恒星以這種荒謬的方式存在。

然而，事實(shí)卻恰恰相反，黑洞的確存在。

上述反對(duì)并沒(méi)有阻止后來(lái)的研究。當(dāng)時(shí)科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，恒星也是有壽命的，一旦耗盡燃料就會(huì)收縮，最后的結(jié)局可能是白矮星、中子、黑洞。

后經(jīng)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(zhì)量的恒星能夠坍縮到一點(diǎn)，這個(gè)點(diǎn)被稱為“奇點(diǎn)”。

奇點(diǎn)是一個(gè)體積無(wú)限小、密度無(wú)限大、引力無(wú)限大、時(shí)空曲率無(wú)限大的點(diǎn)，其存在常被用來(lái)作為廣義相對(duì)論失效的證明。

不過(guò)，上述研究進(jìn)程曾一度受到二戰(zhàn)影響而中止，戰(zhàn)后則由新一代學(xué)者惠勒培養(yǎng)的繼任者們接過(guò)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(kāi)來(lái)。

當(dāng)時(shí)科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，無(wú)論黑洞如何形成，所有的信息都會(huì)被簡(jiǎn)化成三個(gè)數(shù)字：即黑洞的質(zhì)量、自轉(zhuǎn)和電荷，惠勒將這個(gè)定理稱為“無(wú)毛定理”。

再到后來(lái)，進(jìn)入20世紀(jì)70年代后，理論學(xué)家已經(jīng)普遍接受了黑洞的存在。（盡管天文學(xué)家尚未觀測(cè)到它們）

而仍然對(duì)黑洞感興趣的一小部分人 ，開(kāi)始將注意力轉(zhuǎn)向了它們所帶來(lái)的概念挑戰(zhàn)。

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

……

總之，從愛(ài)因斯坦到霍金再到當(dāng)代，黑洞這200多年來(lái)一直在吸引科學(xué)家們不斷探索。

現(xiàn)在我們已經(jīng)明白，對(duì)于比太陽(yáng)質(zhì)量大幾倍的恒星來(lái)說(shuō)，黑洞是它們生命演化中自然而然且不可避免的一個(gè)階段。

而在我們的銀河系中有千百萬(wàn)顆這樣的恒星，因此也將存在千百萬(wàn)個(gè)黑洞。

在《黑洞》一書(shū)作者考克斯看來(lái)：

從這個(gè)角度來(lái)看，黑洞是宇宙的羅塞塔石碑，讓我們能夠?qū)⒂^測(cè)結(jié)果轉(zhuǎn)化為一種新的語(yǔ)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(nèi)容，在天文學(xué)中指代用于破譯宇宙的關(guān)鍵事物。

One More Thing

關(guān)于本書(shū)作者之一布萊恩·考克斯，最后值得說(shuō)道說(shuō)道。

此人算是把跨界玩明白了。

他最廣為人知的身份，當(dāng)屬主持BBC紀(jì)錄片“奇跡系列”，包括《太陽(yáng)的奇跡》、《宇宙的奇跡》、《生命的奇跡》。

由于說(shuō)話風(fēng)格充滿詩(shī)性和哲學(xué)色彩，他的科普廣受喜愛(ài)。

就連“世界自然紀(jì)錄片之父”大衛(wèi)·愛(ài)登堡也曾表示，“如果我有一盞火炬，我會(huì)交給布萊恩·考克斯”。

不過(guò)節(jié)目主持只是他的副業(yè)之一，明面上其主要身份還是粒子物理學(xué)家、曼徹斯特大學(xué)理論物理學(xué)教授，英國(guó)皇家學(xué)會(huì)研究員，大英帝國(guó)勛章獲得者……

而且一邊教書(shū)的同時(shí)，一邊還不忘探索前沿技術(shù)。目前他還在歐洲粒子物理實(shí)驗(yàn)室(CERN)里研究大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)。

總之從學(xué)術(shù)領(lǐng)域來(lái)看，他被譽(yù)為霍金之后，英國(guó)最具影響力的物理學(xué)家。

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

或許正是由于這樣的背景，其《黑洞》一書(shū)也將看起來(lái)復(fù)雜、深?yuàn)W的物理知識(shí)轉(zhuǎn)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(xué)原理和宇宙學(xué)意義，涉及廣義相對(duì)論、量子力學(xué)、熱力學(xué)以及它們與黑洞的關(guān)系。

同時(shí)這本書(shū)的中文譯者，也是物理學(xué)方面的專業(yè)人士。

耿率博，波蘭國(guó)家核研究中心天體物理博士在讀，研究方向?yàn)橐Σㄅc強(qiáng)引力透鏡效應(yīng)在宇宙學(xué)研究的應(yīng)用。

張建東，北京大學(xué)理論物理學(xué)博士，現(xiàn)任中山大學(xué)物理與天文學(xué)院副教授，主要研究方向?yàn)橐碚摵鸵Σㄎ锢怼?/p>

最后還有尹倩青，理學(xué)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(wèi)星平臺(tái)的空間x射線天文觀測(cè)。曾為《中國(guó)國(guó)家天文》《中國(guó)大百科全書(shū)》等撰文，合作或獨(dú)立翻譯過(guò)多部科普書(shū)，包括《第一推動(dòng)叢書(shū)·宇宙系列：瘋狂的宇宙》《物理之書(shū)》《濕婆之舞：前往地球偏遠(yuǎn)之地，尋訪物理學(xué)的邊緣》等。

Okk，對(duì)黑洞相關(guān)理論感興趣的小伙伴們，可以讀起來(lái)了～