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我们认识到有某种东西是我们无法洞悉的,只能以最原始的形式才能感受到其最深刻的理性和最灿烂的美。
——阿尔伯特·爱因斯坦
仰望星空,繁星闪烁,苍穹幽邃。
日月星辰的运动、结构和演化,是人类历史上的第一门科学——天文学研究的主要内容。经过世世代代天文学家的辛勤探索,现在我们对宇宙已经有了全新的认识。
北京古天文台(来源:视觉中国)
当你在阅读这篇文章时:
太阳正以每分钟60亿吨的速度燃烧物质,释放的能量足够地球上所有人类使用数百万年;
银河系与仙女座星系正以每秒110千米的速度靠近,预计38亿年后发生碰撞;
猎户座星云正以每年约0.001倍太阳质量速度孕育新的恒星,而质量为太阳65亿倍的M87*超大质量黑洞正在室女座星系中心漫游。
△ 猎户座星云M42(来源:视觉中国)
宇宙的奇观,总是一次次颠覆我们的想象力。而黑洞作为宇宙中一种极为神秘和特殊的致密天体,更是引发无数猜想和好奇。
10年前,科幻电影《星际穿越》上映,这部电影在豆瓣平台被200多万人打出了9.4的高分,其中著名的黑洞镜头,让观众大为惊叹。
科幻小说《三体》中也有关于黑洞的精彩描述:
“2339年,掩体纪年第1年:环日加速器产生的微型黑洞被注入到木卫十三内部,半径八千米的木卫十三变成了视界半径二十一纳米的微型黑洞。”
△ 天鹅座X-1,恒星黑洞 模拟效果(来源:视觉中国)
随着黑洞被越来越多地提起,它已经从一个深奥的物理学概念变成流行文化的一部分。网络上关于黑洞的视频、文章、讨论有很多。
黑洞到底是什么?我们真的了解黑洞吗?
由中国国家地理·图书引进的年度科普新书《黑洞》,用清晰易懂的语言、极具生活化的比喻生动讲述了物理学和时空探索领域最热门的话题——“黑洞”,为新一代读者重新定义时间和空间,被誉为“21世纪的时间简史”。
01
黑洞:理解宇宙的“罗塞塔石碑”
2019年4月10日,科学家们利用世界上不同地区的望远镜,模拟出了一台超级望远镜——事件视界望远镜(EHT),拍出了人类历史上第一张黑洞照片,这个黑洞在M87星系的中心。
3年后,EHT又公布了另一张黑洞照片,该黑洞是隐藏在银河系中心的超大质量黑洞——人马座A*星,距地球约2.5万光年。
左图:位于 M87 星系中心的超大质量黑洞。右图:人马座 A*,我们银河系中心的黑洞(来源:《黑洞》)
其实,人类并不是最近才开始研究黑洞,黑洞的故事最早要追溯到200多年前。
历史上,第一个意识到一个致密天体密度可以大到连光都无法逃逸的人,是18世纪英国的自然哲学家约翰·米歇尔,这位自然哲学家将这些引力怪兽称为“暗星”。13年后,拉普拉斯在他的名著《宇宙体系论》第1版中,也独立提出了相似的想法。
△ 左图:约翰·米歇尔(John Michell) 。右图:拉普拉斯(Pierre-Simon Laplace)
到了20世纪初,科学家们发现光既是波,也是粒子。也就是说,光会受到引力的影响。后来,爱因斯坦证提出了广义相对论和著名的场方程,有力证明了引力是时空弯曲造成的。
科学家史瓦西知道后,开始着手研究这个方程,并找到了著名的史瓦西解。虽然史瓦西解预言了存在黑洞的可能性,但许多物理学家(包括爱因斯坦在内)仍然相信,自然界一定会找到某种方法避免其形成。
爱因斯坦的反对并没有阻止后来科学家们的研究,当时科学家们发现,恒星也是有寿命的,一旦耗尽燃料就会收缩,最后的结局可能是白矮星、中子、黑洞。
后来钱德拉塞卡、奥本海默以及沃尔科夫的努力下,终于证明了大质量的恒星能够坍缩到一点,这个点也被我们称为“奇点”。
1967年,惠勒在一场演讲中使用了“黑洞”一词,从此“黑洞”才真正地流传开来。当时,科学家们发现,无论黑洞如何形成,所有的信息都会被简化成三个数字:即黑洞的质量、自转和电荷,惠勒将这个定理称为“无毛定理”。
1974年,霍金运用量子理论,研究了在黑洞附近的物质的行为,惊奇地发现黑洞具有温度!因此,黑洞也能产生辐射,也就是著名的“霍金辐射”。
△ 霍金墓碑上刻有霍金辐射的温度公式( 来源:《黑洞》)
人类的黑洞探索史群星璀璨,200年来不断吸引着最顶尖的物理学家孜孜不倦地探索。
黑洞为何如此令人着迷?正如《黑洞》原版书名所言:THE KEY TO UNDERSTANDING THE UNIVERSE。黑洞不仅仅是一个神秘天体,其中还隐藏着物理世界更底层的运行法则,是我们理解宇宙、理解自身的钥匙。
《黑洞》的作者明星物理学家布莱恩·考克斯在书中如是说:
“从这个角度来看,黑洞是宇宙的罗塞塔石碑,让我们能够将观测结果转化为一种新的语言,让我们一睹最深刻的理性和最灿烂的美。”
02
留着英国发型的卡尔·萨根
如果你经常看宇宙天文的科普纪录片,那么你一定熟悉这张脸。
他叫布莱恩·考克斯,由他主持的BBC纪录片“奇迹系列”(《太阳的奇迹》、《宇宙的奇迹》、《生命的奇迹》)广受赞誉,他的语言充满诗性和哲学色彩,在解说宇宙万物的同时,探讨关于宇宙和生命的意义。
作为目前世界上少有的还活跃在电视纪录片里的科学家,考克斯用他的专业和趣味讲解引发了很多人对天文的热爱。
不过,纪录片主持人可不是他的主职工作,布莱恩·考克斯主要身份其实是粒子物理学家,曼彻斯特大学教授,英国皇家学会研究员,大英帝国勋章获得者,也是地球上最有雄心的实验之一——瑞士的大型强子对撞机中的ATLAS实验的研究人员。
在20世纪90年代,他还曾是英国流行乐队D:Ream的键盘手。多重跨界身份,让这位明星物理学家,不仅能够深入最前沿、艰深的量子物理研领域,还能做很多面向大众的科学普及,将最新、最前沿的研究和思考,以简洁、通俗的方式传递给有好奇心的普通人。
在学术领域,布莱恩·考克斯同样颇有建树,被誉为霍金之后,英国最具影响力的物理学家。
在科普领域,大卫·爱登堡曾说:“如果我有一盏火炬,我会交给布莱恩·考克斯。”
《黑洞》正是这位明星物理学家布莱恩·考克斯的重磅新作。
很少有人能像考克斯那样,将复杂、潜在的深奥主题转化为大众的引人入胜的'教育娱乐'——无论是在BBC纪录片、现场演出还是书籍中。
03
21世纪的时间简史
黑洞位于那些曾经最闪耀的恒星所在之地,是空间和时间的交集,挑战着人类认知和智识的极限。
1988年,斯蒂芬·霍金的《时间简史》首次出版,它把读者带进一个神奇的宇宙世界,打破了人们对于时空认识的局限。接下来的几十年里,这本书成为全球最畅销的科普书之一,据统计,全世界每750人中就有一个人拥有这本书。
30多年过去了,人类科学家们对于黑洞、时空又有怎样的认知突破?
如果你是对“黑洞”这一概念稍有了解的读者,那么你很可能对它产生过很多疑问:
黑洞是怎么形成的?
它的里面是什么?
它为什么会“吸走一切”?
会有东西从黑洞里逃出来吗?
我要是掉进了黑洞会发生什么……
如果这些是你现在或者曾经好奇过的问题,那么简直太棒了,因为这些正是作者在本书中试图回答的。
在书中,作者布莱恩·考克斯为我们深入探讨了黑洞的科学原理和宇宙学意义,涉及广义相对论、量子力学、热力学以及它们与黑洞的关系。
从爱因斯坦到霍金到当下,作者以“黑洞”为透镜,串联起100多年人类对时间和空间本质的理解和探求。
书中,布莱恩·考克斯用清晰易懂的语言、极具生活化的比喻逐一讲述物理学和时空探索领域最热门的话题,非专业读者也能看懂。
当《三体》《星际穿越》等科幻小说/电影中震撼场景变成一个个科学事实时,你会发现科学可能更是想象力本身。
作为一本专业严谨的科普书,《黑洞》拥有强大的译者团队,保证翻译质量和内容的准确性:
独特的装帧设计,还为这本书赋予了满满的收藏价值:
读过《三体》的朋友,一定对这句话印象深刻——“光锥之内就是命运”,而科学就是在不断拓展人类认知边界的过程中,不断发现新的可能性。
对天文、物理以及世界本质感到好奇的朋友,千万不要错过这本《黑洞》啦!