科学速读：爱因斯坦的新宇宙(txt+pdf+epub+mobi电子书下载)

作者：（英）《新科学家》杂志

出版社：人民邮电出版社有限公司

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科学速读：爱因斯坦的新宇宙试读：

内容提要

一个多世纪前，爱因斯坦向全世界介绍了他的广义相对论，并彻底改变了人们对宇宙的认知。他通过揭示万有引力是如何从空间和时间的弯曲中产生的，颠覆了几个世纪以来人们对万有引力的认识。基于爱因斯坦的洞察力，如今的宇宙学家进行了更进一步的研究，但宇宙仍然有许多未解之谜。本书由英国《新科学家》杂志汇编世界知名专家和学者在宇宙学方面的研究成果而成，探讨了诸多问题，比如黑洞附近到底发生了什么，引力的本质到底是什么，为什么相对论不是最终的答案等。本书将带你轻松进入相对论的世界，解读宇宙从大爆炸的初始一直到不同膨胀阶段的迷人历程。

编者

主编：艾莉森·乔治（Alison George），英国《新科学家》杂志《速成专家》专栏编辑。

编辑：斯蒂芬·巴特斯比（Stephen Battersby），从事物理学知识写作的作家，也是《新科学家》杂志的顾问。

本书主要基于2016年《新科学家》杂志组织的“相对论及未来”高级讲习班系列讲座的内容，以及以往刊登在《新科学家》杂志上的相关文章编写而成。

学术供稿者

迈克尔·达夫（Michael Duff）：英国伦敦帝国理工学院的理论物理学荣休教授，也是一位超引力领域的先驱。

佩德罗·费雷拉（Pedro Ferreira）：英国牛津大学天体物理学教授，主要研究广义相对论以及暗物质、暗能量的本质。

约翰·格里宾（John Gribbin）：天体物理学家兼科学作家，目前是英国萨塞克斯大学的天文学访问学者，在那里他从事宇宙年龄的研究工作。

马丁·亨德里（Martin Hendry）：英国格拉斯哥大学的引力天体物理和宇宙学教授，也是引力波天文学方面的专家。

丹·胡珀（Dan Hooper）：位于美国伊利诺伊州巴达维亚的费米国家加速器实验室的副研究员，芝加哥大学天文学与天体物理学副教授。

萨宾·霍森费尔德（Sabine Hossenfelder）：德国法兰克福高等研究所的科学家，主要研究量子引力。

尤金·利姆（Eugene Lim）：英国伦敦国王学院的理论宇宙学家。他的研究兴趣广泛：从弦理论到量子信息在宇宙中的地位都有涉及。

安德鲁·彭岑（Andrew Pontzen）：英国伦敦大学学院讲师，研究星系的形成和计算宇宙学。

玛丽卡·泰勒（Marika Taylor）：英国南安普敦大学理论物理学教授，也是黑洞方面的专家。

迈勒纳·瓦泽克（Milena Warzeck）：科学史家，主要研究现代科学的社会学和政治学背景。

同时也感谢以下作者和编辑：

阿尼尔·阿南塔斯瓦米（Anil Ananthaswamy）、 雅各布·阿伦（Jacob Aron）、 迈克尔·布鲁克斯（Michael Brooks）、 马库斯·乔恩（Marcus Chown）、 斯图亚特·克拉克（Stuart Clark）、 丹尼尔·科辛斯（Daniel Cossins）、 阿曼达·格夫特（Amanda Gefter）、 丽莎·格罗斯曼（Lisa Grossman）、 娜奥米·卢比克（Naomi Lubick）、 霍弗特·席林（Govert Schilling）、 约书亚·索科尔（Joshua Sokol）、 科林·斯图尔特（Colin Stuart）、 理查德·韦伯（Richard Webb）、 乔恩·怀特（Jon White）。

引言

透过那一头绝对不会让人认错的蓬松白发，你会发现对这个宇宙的一个全新认识，在那里，时间和空间交织在一起，物质变成了能量，而宇宙的纹理也揭开了它的面纱……然后，被撕成碎片。

阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein,1879—1955）在一百多年前打造了他的相对论，这一盛举堪称人类智慧史上最伟大的成就之一，时至今日我们仍在一点点琢磨其中的真味。相对论的一项成就就是加深了我们对于宇宙历程的认识，包括从大爆炸的初始一直到不同阶段的膨胀。此外还有一个怪异的家伙，名叫暗能量，它主导了这个宇宙，在爱因斯坦20世纪20年代的计算公式中就出现了。

在2016年，我们可能见证了历史上最相对论性的时刻。这一年，科学家们宣布探测到了两个黑洞并合产生的引力波，而这个引力波经过时空膨胀导致的拉伸以后历经10亿年来到地球。很快，引力波探测器和射电望远镜就可以联合起来探索视界的本质。视界是黑洞边缘有去无回的临界点，对它的探索可以检验在最极端的环境下相对论是否依然成立。与此同时，在相对论和量子力学的碰撞过程中，理论上的疯狂想法开始涌现，通过超弦、量子纠缠和其他奇特的概念，人类可以为相对论提供一个更深层次的解释。总有一天，我们会超越爱因斯坦。

本书收集了顶尖科学家的文章和《新科学家》杂志的佳作，展现了科学家对爱因斯坦提出的相对论的最新研究成果，以及相对论对我们认识宇宙的影响。斯蒂芬·巴特斯比

第1章 相对论溯源

相对论简史

首先，我们得弄明白一点：爱因斯坦不是一个孤胆天才。没错，他的贡献是巨大的，但绝对不是凭空而来的。

故事要从苏格兰物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（James Clerk Maxwell,1831—1879）实现物理学领域的一次伟大统一说起。在19世纪60年代，他研究了许多关于磁场与电场的理论，并证明了这些理论都可以被同一套公式所描述。接下来，他提出了一个惊人的预言：电力与磁力所形成的场会产生一种以光速行进的波。到19世纪末期，光本身就是一种电磁波这一事实已广为人知，所以光和波速度相同。

奇怪的是，这套公式表明了这些波永远以相同的速度传播，不管波源相对于观测者是否在运动，或者运动得有多快。这似乎不太对劲。比如，我从一辆运动着的车子里往前扔一个东西，比起我站着不动时扔，扔出的东西运动的速度总是会快些。为什么光就不一样呢？

根据这个逻辑，人们开始研究光速的变化问题，其中最著名的尝试就是由美国物理学家阿尔伯特·迈克耳孙（Albert Michelson, 1852—1931）和爱德华·莫雷（Edward Morley,1838—1923）在1887年开展的实验。他们试图寻找地球自转、公转的过程中光改变自身速度的证据。他们把一束光分成两份，分别射向呈90度角放置的两条臂。他们的预期是，根据实验仪器与地球相对运动的方位不同，光沿着两条臂行进所花的时间会有些微偏差。然而，无论他们怎么仔细观测，结论还是一样的，光的速度总是不变的。

在1895年，荷兰数学家亨德里克·洛伦兹（Hendrik Lorentz, 1853—1928）提出了一种方法来理解光速是常数这一点。他发展了一套规则，能够把运动时所观察到的现象与静止不动时观察到的现象联系起来（详见第2章）。他构造的这套规则里包含一种虚构的时间：如果你以高速运动，那么你就要用到这种与普通时钟测量到的时间不一样的虚构时间。通过这一数学“把戏”，所有的结果似乎都顺理成章了，而光速对所有人来说都是一样的了。

时间弯曲

5年后，法国数学家亨利·庞加莱（Henri Poincaré,1854—1912）写了一篇论文《时间的量度》（La mesure du temps）。在论文中他问道：“为什么我们对于时间的概念如此刻板？”这个问题是深刻的，洛伦兹认为时间的弯曲仅仅是一种数学“把戏”，但是庞加莱（并没有明确提到洛伦兹）指出，在未来也许有必要抛除物理时间只有唯一一种表示方法的这种想法。这一认知上的飞跃帮助爱因斯坦打破陈规，并最终提出了相对论。

从哲学层面上看，另一个影响了爱因斯坦后期工作的人是奥地利物理学家、哲学家恩斯特·马赫（Ernst Mach,1838—1916）。在1883年出版的《力学史评》（The Science of Mechanics）里，马赫指出，决不应该在绝对的框架下讨论物体的运动——我们能做的只是讨论一个物体如何相对其他物体运动。

最终，基础都为爱因斯坦打好了。在1905年的论文《论动体的电动力学》（On the electrodynamics of moving bodies）里，爱因斯坦从两个假设出发提出了他的观点：（1）物理学定律相对于任何匀速运动的参考系都应该等价；（2）我们应该严肃对待麦克斯韦方程组——不管什么光线，不管处在什么参考系里，它们的速度都严格相同。

关于阿尔伯特·爱因斯坦

1879年3月14日，阿尔伯特·爱因斯坦出生于德国西南部地区的乌尔姆。他是一家电子工程公司的创始人赫尔曼·爱因斯坦（Hermann Einstein）和其妻子波林（Pauline）的第二个孩子。这个并不严守教规的阿什肯纳兹犹太家庭在阿尔伯特出生不久之后就举家搬迁到了慕尼黑，而阿尔伯特之后也在那里上学。

在17岁的时候，爱因斯坦进入了瑞士的苏黎世联邦理工学院，在这里接受作为物理与数学教师的培训。正是在这儿，他遇到了同学米列娃·马利奇（Mileva Maric），他们在1903年结婚。在1987年发现的两个人的信件里，我们知道在1902年他们没结婚的时候就有了一个孩子，然而这个女孩的命运无人知晓——她可能在婴儿时期被别人领养了，或者可能夭折了。他们之后又有了两个儿子——汉斯（Hans）和爱德华（Eduard），再之后两人分居并最终在1919年离婚。爱因斯坦随后娶了他的堂姐艾尔莎·罗文福（Elsa Löwenthal，本姓爱因斯坦）。

毕业之后，爱因斯坦在寻求教职而不得的挫败中度过了两年时光，并最终在瑞士专利局找到工作。正是在这里，在闲暇时光中，他做出了早期的发现，包括一系列于1905年“奇迹年”发表的非凡论文（详见第2章中的“奇迹年”）。1908年，这些成就为他争得了瑞士伯尔尼大学讲师的职位，并很快转成了苏黎世大学的教授职位。1914年，他成了柏林大学的教授，在那里度过了20年时光，直到德国的政治环境产生了巨变，纳粹政府开始禁止犹太人出现在大学的讲台上。1933年，他放弃了德国公民身份，并移居到了美国——在新泽西州普林斯顿高等研究院偏安一隅，并一直到退休。

爱因斯坦的盛名不仅来自他卓越的发现，他也是一位热情的爱乐人、一个和平主义者。他于1955年因动脉瘤去世，享年76岁。他的骨灰被抛撒在某个秘密的角落，不过他的大脑被留存了下来。

特殊的相对性——狭义相对性

仅仅用了几页纸，爱因斯坦就推导出了我们现在称之为狭义相对论的理论，其中的许多结论在之前就已经出现过，但是现在它们被统一在一起，并被赋予了一个清晰的物理解释。比如说，时间膨胀效应是真实存在的，并非虚构：运动着的时钟真的会慢下来。也许正是因为洛伦兹和庞加莱做了非常多的基础性工作，爱因斯坦于1905年发表的狭义相对论才似乎并没有引起人们的太大争议。当然，它也没有像他对这一工作的推广化理论（即广义相对论）一样在大众中引起巨大反响，而他正是为此耗费了10年光阴。

相对论最初的发展并不顺利。德国籍波兰裔数学家赫尔曼·闵可夫斯基 （ Hermann Minkowski,1864—1909）发现了一个解释狭义相对论的简单方法。他一手打造了“时空”这个概念，也就是说时间和空间是交织在一起的。你可以想象一张在时间和空间中事件发展的地图：在地图的底部是遥远的过去，而在顶部是遥远的未来，左侧和右侧对应不同的地方。闵可夫斯基意识到，运动的时候，你朝向时空中的不同方向：运动方向并不是直直地向上的，而是向左或者向右倾斜。从数学层面上说，这看起来就像做了一个旋转变换，在你眼中，一部分空间变成了时间，而一部分时间变成了空间。这种抽象的概念可以非常简洁漂亮地推导出狭义相对论的正确结果。

但是爱因斯坦意识到，狭义相对论是有局限性的，只有在参考系之间是匀速运动的时候，它才可以提供不同参考系之间的转换关系。他同时也在为引力的问题发愁。当时，最好的引力理论来自牛顿（Newton）。牛顿和麦克斯韦一样，也是一位统一物理概念的大师：他证明了将我们牢牢抓在地球表面的力与阻止月球飞离地球、地球飞离太阳的力本质上是同一种力。这个理论堪称完美，但是它依赖于某种瞬时作用的力。即使远在天边，你也可以在任何时候感受到来自宇宙中所有星系的吸引力。这种结论与狭义相对论矛盾，因为在狭义相对论里没有什么东西可以瞬间传输；在这个框架里，没有什么东西的运动速度可以快于光速，即使是力也不行。

等效原理

爱因斯坦在1907年迈出了将引力引入其理论的第一步，这就是提出了我们现在称为等效原理的概念。他指出，当你在往下掉的时候，从某种意义上来说，这个时候没有引力。你往四周看的时候，其他在往下掉的事物看起来都是静止不动的，因为所有的事物都在以相同的速度坠落着。这一效应在国际空间站中就时刻作用着：在那里，宇航员们并没有逃出万有引力的“魔爪”，只不过空间站无时无刻不在掉向地球中心，与此同时宇航员蒂姆·皮克（Tim Peake）也在以同样的速度掉向地球。（空间站并不会坠落到地表，那是因为它同时也会在水平方向上高速运动。）

爱因斯坦的天才之处体现在，受马赫先前的思想影响，他迈出了大胆的一步，并坚持认为：所有在空间站这个小环境内所开展的实验，其结果应该和在没有引力的影响情形下一模一样。这就是等效原理。图1.1 所示为1904年拍摄的爱因斯坦的照片。图1.1 1904年的阿尔伯特·爱因斯坦（时年25岁）

这有些奇怪：爱因斯坦关于引力的理论的基础，恰恰正是建立在对我们所研究的这个力完全不存在的情形的深刻思考之上的。不用说，我们需要进行大量的数学上的工作才足以将上述思考转化为一个可以给出有意义的预言的理论。在1913年，爱因斯坦开始琢磨闵可夫斯基关于时空的想法。他发现，如果假设时空是弯曲的，并且物体总是试图在弯曲的时空中沿着最短的路径运动，那么他就可以得出关于物体在引力场下如何运动的正确结论，不过他一开始还弄不明白时空是如何弯折的。

在那时，爱因斯坦一直都在数学公式中挣扎。在1915年疯狂工作的几个月中，他和许多人进行了大量的交流，尤其是德国数学家大卫·希尔伯特（David Hilbert,1862—1943）。爱因斯坦的研究工作和希尔伯特的紧密交织在一起，所以现在也很难说清楚当时是谁第一个得出了场方程。然而，毋庸置疑的是，爱因斯坦是这背后的主要推手。终于，在1915年11月，通过广义相对论，他可以描述时空如何由于存在于其中的物质、能量和压力而变得弯曲：

这简单的几个字母蕴藏着丰富的内涵。在辛苦求得最终的场方程之后的6个月里，爱因斯坦很快就写出了关于引力波的论文，这比最终直接探测到它早了将近一百年（详见第4章）。很快，他还预言了黑洞的存在（详见第3章）。

其他的结论来得就晚多了。在1949年，美籍奥裔数学家、哲学家库尔特·哥德尔（Kurt Gödel,1906—1978）向相对论发起了冲锋。哥德尔是一个热衷于荒诞事物的人，他可以证明广义相对论允许人穿越到过去进行时间旅行。这可是物理学家的心头大忌：如果可以穿越到过去，有谁可以阻止我们改变过去呢？任何一个科幻爱好者都会告诉你，改变过去可不明智。

虫洞及其他

哥德尔所证明的时间旅行若要实现，需要整个宇宙都在转动，而实际上并不存在这样的整体转动（或者说，我们目前还没看到）。但是在1988年，物理学家迈克·莫里斯（Mike Morris）和基普·索恩（Kip Thorne）发现了时间旅行的另一条路径。他们证明了，如果一个先进的文明可以创造出某种奇特的能量，那么至少在理论上有可能开启虫洞——所谓虫洞，就是连接时空中不同位置的捷径。一旦开启，人们就可以利用虫洞在时间与空间中跳跃前行。尽管离得到最终的结果还很遥远，但是爱因斯坦的公式似乎证明时间旅行是有可能的。关于这一点，至今依然可以挑起一场物理学家间激烈的论战。

与此同时，关于广义相对论还有很多研究可以进行。直到最近，通过计算机求解爱因斯坦的方程组才变得可行，而这开辟了一条探索黑洞和其他奇特天体的诡异性质的全新道路。将之与引力波探测相结合，我们终于可以将理论与其预言牢牢地结合在一起，而这一过程耗费了将近一百年。但是我们必须记住，相对论的“军功章”上不仅有爱因斯坦的天纵奇才，也有他的前辈、同侪以及许许多多前仆后继去阐述相对论微言大义的学者们的贡献。“将爱因斯坦的思想讲解得最为深入浅出、风趣幽默的人，一直是爱因斯坦本人。”

——斯蒂芬·霍金（Stephen Hawking）, 《固守的错觉》（A Stubbornly Persistent Illusion,2008）

爱因斯坦笔下的爱因斯坦

在2010年，爱因斯坦的《广义相对论的创立》（The Foundation of the Generalized Theory of Relativity）手写原稿在位于耶路撒冷的以色列科学与人文学院第一次以完整的形态公开展示。

爱因斯坦的这篇46页的论文写作于1916年——比通过日食观测实现对广义相对论的第一次重大认证早了3年。这篇论文提到了对这个理论的潜在检验方法，以及它的一些预言，如水星轨道的进动等，而在广义相对论之前，这依旧是一个谜。在论文中，爱因斯坦同时还评论说，“描述电磁场的理论与描述引力场的理论是否能够构成物质论的充分依据，这依旧是一个悬而未决的问题”。

在1916年的时候，爱因斯坦还不知道另外两种需要考虑的作用力——所谓的强核力与弱核力——但是他提出的问题意义深远，时至今日人们依旧未能解答。 大批的物理学家都曾尝试过一项相似的工作，那就是在一个万物理论的框架下将广义相对论和量子力学协调统一。

阅读爱因斯坦的原文会使人产生一种独特的震撼之感（该文及其他文献的数字版本均可在网上下载）。他的独特理论风格大道至简，有用的思想实验俯拾皆是，并持续地拷问着我们对于现实的最根本的假设。在1921年，他由于“在理论物理学方面的成就，特别是发现光电效应”获得诺贝尔奖。

光线弯折

爱因斯坦的理论如何经受住了现实世界的检验？

相对论通常被视为纯智力的一次大捷，是最为优美的基础物理理论之一。然而在物理学领域，如果一个理论与我们对大自然的观察不匹配，那么它再优美、再高深也毫无意义。

两百年来，牛顿的引力理论出色地经受住了这一检验。它的核心思想是万有引力定律：任意两个物体间的引力正比于它们的质量，而反比于两者距离的平方。在太阳系里，用牛顿的万有引力定律预言的行星运动达到了令人赞叹的精度，以至于在1846年，法国天文学家奥本·勒维耶（Urbain Le Verrier,1811—1877）利用它成功地预言了海王星的存在。图1.2所示为1947年拍摄的爱因斯坦的照片。

牛顿的理论只在一处有误。勒维耶发现水星的实际轨道相较牛顿理论的预言有些微漂移——每一个世纪小于1%。这种不一致一直让人百思不得其解，直到1916年，爱因斯坦证明了他的广义相对论可以推导出从水星轨道所观测到的这种漂移。可以说，这个理论几乎立刻就通过了它的第一个检验。

爱因斯坦还预言，一个像太阳一样有质量的物体，会将光路弯折：从效果上看，空间弯曲的几何效应就相当于一面透镜弯折了光束（详见第3章）。（实际上，牛顿的理论也能预言光束的弯折，但是其预言的弯折量是广义相对论预言的一半。）图1.2 1947年的阿尔伯特·爱因斯坦（时年68岁）

幸运的日全食

在1999年8月11日，爱因斯坦的出生地——德国城市乌尔姆的上空发生了一次日食，月亮把太阳遮住，城市陷入一片漆黑。这是对那位改变了我们对大自然理解的人的最佳献礼——当然，这次日食只是十分凑巧地发生在了乌尔姆。尽管在这个世界上，每隔大约18个月就会发生一次日食，然而对于任何一个固定的地点而言，两次连续的日食的间隔时间大概是350年。所以，你可以算算看，在20世纪最伟大的科学家的出生地发生上一个千年的最后一次日食的概率究竟有多小。不过我们也许不需要对这个巧合感到惊奇；对爱因斯坦而言，碰到日食总是幸运的。

就以近百年前的那次日食来说好了，它在证明爱因斯坦广义相对论正确性的过程中起到了关键作用。爱因斯坦的论文在第一次世界大战期间悄悄流出了德国，被剑桥大学的英国物理学家亚瑟·爱丁顿（Arthur Eddington,1882—1944）所获知。正是爱丁顿意识到，1919年5月29日在西非海岸旁的普林西比岛上发生的日全食，为检验广义相对论的一个关键预言提供了一次宝贵的机会。

爱丁顿的团队顺利抵达了普林西比岛，并成功地开展了拍摄。他们想观测的是一个名为毕宿的明亮星团（见图1.3）。因为那个时候太阳正好在这一星团前面，为了挡住太阳的耀眼光芒，爱丁顿需要一次日全食。如果爱因斯坦的理论是正确的，那么毕宿星团在天空中的位置看起来会有一点偏移，大概是1度的1/2000。图1.3 光被弯曲时空弯折

首先，爱丁顿在牛津的一个夜晚拍摄了毕宿星团的照片。然后，在1919年5月29日普林西比岛发生日全食时，毕宿星团几乎位于太阳的正后方，他又拍了一张照片。要检测到光线的弯折可不容易——毕竟，星星位置偏移的程度非常小——但是，在1919年的9月，爱丁顿宣布爱因斯坦是正确的。通过比较两次观测的结果，爱丁顿发现行星位置的偏移正如爱因斯坦所预言的。这一结果立刻将爱因斯坦捧成一位国际巨星。

话说回来，这大概也能算爱因斯坦的另一份幸运了。爱丁顿所获得结论的缜密性在今天看来是颇有争议的。有些人认为光线弯折效应实在太小了，对于爱丁顿来说应该不可能清晰地分辨出来，要不是他对爱因斯坦的理论有着极佳的接受度，说不定他不会这么快就得出如此有力的结论。

在那之后，爱因斯坦的理论通过了更多的检验，其理论中的一个预言就是，当光从带质量的天体附近弯曲的时空中往外“爬”的时候，它的波长应该会被拉长，或者说被“红移”。在1959年，美国物理学家罗伯特·庞德（Robert Pound,1919—2010）和格伦·雷布卡（Glen Rebka,1931—2015）在他们位于哈佛大学的实验室里测量到了引力红移。目前，我们有了大量大大小小的黑洞存在的证据（详见第3章）。2015年激光干涉仪引力波天文台（LIGO）科学合作组织的物理学家们终于探测到了引力波（详见第4章）——爱因斯坦在一个世纪前预言的时空形变的传播。

时空轴

爱因斯坦的大脑有什么异于常人之处？

爱因斯坦辞世的时候，一名病理学家因为热切地想知道爱因斯坦惊人智慧的源泉，将他的大脑从尸体上切除，并对其进行了详细解剖、拍照。这颗大脑一开始是有些令人失望的，因为它比一般的大脑还要轻一些。然而，在最近几十年里，爱因斯坦大脑的图像引发了人们一些新的思考。1999年的一项研究指出，爱因斯坦大脑的顶叶相比常人宽15%，而这一区域正是与数学、空间推理等相关的。芝加哥国家卫生和医学博物馆甚至制作了一个爱因斯坦脑图App，包含超过350张数字化的大脑切片，让研究人员可以在这位伟人的灰质中尽情徜徉。2012年一篇发表于神经学期刊《大脑》（Brain）中的研究论文指出，爱因斯坦的惊人智慧可能源自他的前额叶，这个区域主要负责语言、将事件图像化及模拟事件结果。相比普通的大脑，他的大脑中的这部分面积要大很多。研究人员还在他的运动皮层中发现了一个巨大的结，这与爱因斯坦早年演奏小提琴的活动相关。

不过，目前爱因斯坦的大脑有一部分下落不明。

第2章 关于空间与时间

一个很特别的理论

爱因斯坦发表于1905年的狭义相对论改变了我们对于空间与时间的认知。

爱因斯坦描绘了一幅宇宙的奇特新图景，在这里，观测者会发现运动着的钟会变慢，运动着的尺子会缩短，而运动着的物质质量会变大。上述所有奇特的现象都源自两个简单的概念：光速的不变性，不管谁去测量它，光速总是不变的；以及相对性原理，即对于匀速直线运动的观测者而言，所有的物理定律都保持不变。

为了理解其中的原因，一个经典的方法是想象一列火车（见图2.1）。鲍勃坐在火车里，在车厢正中间设置了一个光源，向前后两个方向发出两束光脉冲。从鲍勃的角度来看，两束光脉冲是同时抵达车厢两头的。然而，站在车站站台上的爱丽丝观察到的现象却不一样。对她而言，两束光脉冲的速度依然严格相同，正如鲍勃所测量到的一样，然而，在光脉冲运行的同时，列车也在向前行进，爱丽丝会看到向后运动的光脉冲先碰到车厢尾部，然后才是向前的光脉冲抵达车厢头部。由此可见，对于一个人来说同时发生的事情，对另一个人而言可能是先后发生的，同时性是相对的。

如果观测者无法就同时性达成一致，他们便无法对与时间有关的测量达成一致，这就产生了所谓的时间延迟问题。在火车上的鲍勃带了一个钟——一个完美的钟，其测量时间的原理是，在垂直于列车运行的方向上放置两面镜子，然后通过记录光在两面镜子之间传播所花的时长来测量时间。一个光脉冲从一面镜子出发到达对面的镜子再反弹回去，对应了这个钟发出的一次嘀嗒声。图2.1 根据相对论，对于一个观测者而言同时发生的事情对另外一位观测者而言发生在不同时刻

鲍勃知道光速以及两面镜子之间的距离，所以他也能推算出钟每次发出嘀嗒声所对应的时间。

速度不变

然而，对于站在站台上的爱丽丝而言，钟和镜子都在向前走，所以光脉冲是沿着一个三角形的两条边行进的。这样的路径比静止时两面镜子间的直线距离要长。由于光速不变，从爱丽丝的角度看，与站台上一模一样的钟相比，运动中的钟发出一次嘀嗒声所花的时间较长。

需要强调的是，这个情形是对称的。根据相对性原理，鲍勃可以认为火车是静止的，而站台在飞驰，从而得出结论：爱丽丝的钟走得慢了。一旦我们牢记同时性是相对论，就不存在什么悖论了。在还没确定“同时”是什么意思的时候，讨论“同时”比较不同钟的时间读数是没有意义的，而两位观测者对于“同时”的概念是有差别的。

由于运动着的火车里的光脉冲是沿着两个直角三角形的斜边传播的，我们可以简单地计算出时间膨胀的具体数值。如果v是钟的运动速度，而c是光速，那么时间就会被拉长到原来的倍。这个量我们称为洛伦兹因子，它出现在许多相对论的计算公式中。

时间膨胀

时间膨胀效应在上述这种特殊的钟里可以特别清楚地被解释，而且这个效应是真实存在的，所以不管什么钟、什么过程，只要存在运动就会有这种效应。

花开两朵，各表一枝，咱们再来看看空间。假设在火车里的桌子上有一根长棍子。爱丽丝可以通过数一下棍子通过站台上固定某点所花的时间测量棍子的长度。但是对鲍勃而言，他的钟走得要慢些，所以与他的测量结果相比，爱丽丝对长度的测量值就会偏小，这个偏小的比例系数同样是（洛伦兹因子）。

这种所谓的洛伦兹–菲茨杰拉德收缩同样适用于火车和火车里的鲍勃。所有的事物都会由于运动而在其运动方向上发生收缩。当然，对于比光速慢得多的运动而言，这个效应很小：超声速喷气式飞机哪怕以2马赫（2450千米/小时）——也就是两倍于声速——的速度飞行，它所能被感受到的收缩也不过是一万亿分之二。一个物体相对于观测者的运动速度越快，它的外形被压得越扁，而钟就走得越慢。在达到光速时，物体沿运动方向的长度变成了零，而它的时间则完全静止了。“奇迹年”

1905年被称为爱因斯坦的“奇迹年”（annus mirabilis）。这一年，这位精干的26岁小伙子发表了4篇改变世界的论文。在6月9日，他发表了光电效应方面的论文，通过证明能量是如何以一份份独立的形式传播的，他在量子物理领域实现了一次重大突破。让他获得诺贝尔奖的正是这次突破，而不是相对论。一个月以后，他发表了另一篇文章，讲的是关于布朗运动的理论，他认为布朗运动是液体和气体中粒子的随机运动。在9月26日，他的狭义相对论发表，而11月21日他提出了2那个最著名的公式E=mc。

由于长度和时间都与参考系有关，因此速度的正确叠加方式可能和你预期的不太一致。比如说，鲍勃所乘坐的火车以速度v前进，然1后他向前射出了一颗速度为v的子弹，当然这个速度是在火车上测量2出来的。爱丽丝在站台上看到的子弹速度可不是v+v，而是比这个122速度稍微慢些。她看到的速度实际上是（v+v）/[1+（vv）/]。1212c

这就意味着，子弹——或者其他物体——对于任何惯性观测者而言（所谓惯性观测者指的是任何以常速运动的人），速度都不可能比光速c更快。举例来说，如果火车的速度是0.75c，而子弹相对于火车的速度是0.75c，爱丽丝看到的子弹的速度就是0.96c，而不是1.5c。

那么子弹的能量怎么算？不管对爱丽丝还是对鲍勃来说，能量都应该是守恒的。枪支给了子弹额外的能量，但是从爱丽丝的角度来看增加的速度不足以平衡能量的增加。动能的表达式是E=（1/2） 2mv（m表示质量），因此如果速度没有增加到足够大的值，质量就必须增加。换句话说，运动物体的质量比它们在静止状态下时更大。根据爱因斯坦的推导，运动物体的质量等于其静止质量乘以我们所熟悉的洛伦兹因子。

著名的公式

根据相对论可以计算出来，质量的增加量等于能量的增加量除以22c，而爱因斯坦据此推断出物体的静止质量等于能量（E）除以c，2换句话说E=mc。

这一能量和质量间的关系式对于所有形式的能量都成立。这也为放射性之谜带来了最终的解答。法国物理学家皮埃尔·居里（Pierre Curie,1859—1906）在1903年发现，1克镭可以在每小时内释放出超过400焦耳的能量。这个能量的起源究竟在哪里？爱因斯坦解释说，2当一个放射性原子解体时，根据公式E=mc，它的一部分质量转化成了能量。如果把所有的质量都转化为能量，1克镭就足够让一个1000瓦的电热器烧上2850年。

狭义相对论所有的奇怪预言都被实验一一验证了。英国物理学家保罗·狄拉克（Paul Dirac,1902—1984）在1928年拓展了描述电子如何运动的相对论性理论。他的相对论版的量子力学为理解原子中的电子行为以及它们如何占据原子核外的稳定“壳层”提供了解释，而这些问题都是化学的基础。所以在你体内进行的每一个化学反应都在见证着这个时间、空间、能量、质量相连的世界。

与数学结合

在爱因斯坦的理论中，空间和时间同时失去了绝对性。但是德国数学家赫尔曼·闵可夫斯基证明了时间和空间结合在一起，可以构成某种更为本质的对象。

如图2.2所示，我们想象一下，根据观测角度的不同，一个物体（如扫帚把）的长度如何发生相应变化。从侧面看，你能看到它的全长；从顶部看，看起来扫帚把没有任何长度；从中间的某个角度看，扫帚把的长度会缩短。闵可夫斯基指出，所有狭义相对论的奇怪结果都可以理解为是由一个物体在四维的时空中放置的方向不同导致的。

为一个如扫帚把一样的物体赋予一个四维的“长度”（量度），意味着得把我们观测扫帚把两端的时刻也考虑进去。如果在不同的时刻进行观测，扫帚把就会占据具有一定量的时间和空间。图2.2 闵可夫斯基对于相对论的解释

由于光是以大约30万千米/秒的速度运动的，每秒的时间就对应于30万千米的空间。当然，在我们的经验里时间和空间明显是两回事，这一点在数学里也有体现。在普通的三维空间里，扫帚把的长度（s）可以根据其在3个维度x、y、z的长度计算出来：

但是从闵可夫斯基的四维时空来看，时间并不是加到这个公式里的——它是从这个公式里面减去的。所以四维量度的准确写法是

这个时空间隔s对于任何惯性系中的观测者而言都是不变的。不同的观测者看同一个物体时，尽管他们测量到的量度不一样，测量到的绑在物体上的时钟的运行速度也不一致，但是通过正确地结合时间和空间性质，他们会对其在时空中的量度给出一致的测量结果。

爱因斯坦一开始不太情愿认真地对待这个观点，但是他之后意识到闵可夫斯基的观点提供了一把通向广义相对论的钥匙，使得这个理论可以将引力也考虑进来（见下面的“

关于引力的理论

阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论是20世纪物理学的明珠，而爱因斯坦本人也因此声名鹊起。这个于1915年提出的理论揭示了我们所感知的引力实质上源自时间和空间的弯曲。

启发爱因斯坦走上这条广义相对论道路的灵感，是他意识到一个处在自由下落的电梯里的人并不能感受到引力。他会飘浮，轻轻松松地就能从地板到达天花板。现在我们可以看到宇航员处于类似的情景中——铅笔悬在半空中，水杯倒着放时其中的液体也不会流出来，请如此类——但是爱因斯坦当时必须想象这一切。他的天纵奇才，表现在意识到两者相似这一点的重要性上。如果往下加速运动的电梯能够精确地抵消引力作用，那么引力与加速度就是完全等同的。这就是等效原理（见图2.3）。图2.3 爱因斯坦的等效原理：引力和加速度产生了相同的力，没有任何实验可以分辨两者

要认识到这个想法有多重要，你得先把上述想象中的电梯替换成一个封闭的实验室。想象一个搭载在火箭上的实验室，持续地以同样的力在太空中加速。所有实验室中的物体都掉向地板。物理学家可以在其中开展实验，测量物体所受的向下的力，但是他们永远无法得知这是由于加速度还是由于引力导致的。

可能有个聪明的物理学家会想到将一束光射到对面的墙上，指向与加速度方向垂直。在光穿过房间的时间里，光对面的墙由于加速运动而相对移动了。通过观察在墙上的光斑的位置，我们似乎可以得知光束是否被弯折。那么物理学家可否通过这种方法分辨加速度与引力呢？爱因斯坦说不行：由于等效原理，引力也必须能将光束弯折。

4个维度

爱因斯坦苦苦思索，终于得到了一个可以解释光束弯折等效应的数学理论（详见第1章）。在他的宇宙观里，没有了我们通常理解的虚无空间，取而代之的是几乎触手可及的四维连续体——三维的空间与一维的时间。这是基于闵可夫斯基理解狭义相对论的时空观而得出的结果，但是闵氏的时空是平坦的，而广义相对论的时空可以是弯曲的。无论能量还是压强，都可以弯曲时空（见图2.4），但是实际上时空曲率的主要来源还是物质的质能。图2.4 现实的阡陌：有质量的物体可以弯曲时空

四维是很难图像化的，所以我们不妨想象一张二维的橡皮布，它的边缘绷得紧紧的。在这块橡皮布上滚动一颗弹珠：弹珠在橡皮布上会压出一个浅凹痕，并且会沿着直线前进。如果再加上一个质量更大的球，橡皮布会进一步向下弯折。这时，弹珠走的路径就会弯曲。这就是爱因斯坦关于引力的模型。在弯曲的时空中，物体走的是最直接的路径——测地线。这一点对弹珠、行星或者光束都成立。

时空弯曲最令人震撼的后果就是引力透镜效应：星系或者其他的物质聚集起来会将来自远处的光束弯折，并使光束在空中聚焦成两个甚至更多个图像，有时候甚至会弥散成一个我们称之为爱因斯坦环的闪亮圆环（见图2.5）。图2.5 爱因斯坦环——这种光环是由于时空弯曲产生的引力透镜效应而形成的

在引力较弱的情景下，广义相对论的结果与牛顿的理论几乎别无二致：作用于物体时，力的大小与距离的平方成反比。但是在强场环境下，新的效应就会展现出来。对太阳到水星的距离而言，这就意味着行星的轨道会有微小的漂移，在广义相对论给出解释前，牛顿的理论与观测结果的不一致一直是一个谜团（见第1章中的“光线弯折”）。

最能体现广义相对论与牛顿理论的差别的非黑洞莫属。黑洞会将其周围的时空弯曲到极致，以至于这一小块时空与宇宙的其他区域完全隔绝。在橡皮布的比喻中，它就会形成一个深深的漏斗，连光都无法逃出。黑洞的正中心，在一个被称为“奇点”的点上，密度趋向无穷；打比方也好，写公式也罢，在这一点上都无效。

宇宙模型

广义相对论也能自然地运用于整个宇宙。但当爱因斯坦第一次运用它打造一个关于宇宙的数学模型时，他遇到了一个大麻烦。在1917年，宇宙静止不动是一个广为人们接受的设定，然而广义相对论的公式却预言宇宙要么扩张，要么收缩。要使这个宇宙模型静止，爱因斯坦唯一能做的是往公式里加入一个新的项，即宇宙学常数。12年后，由美国加利福尼亚州的埃德温·哈勃（Edwin Hubble, 1889—1953）领衔的观测天文学家团队发现宇宙正在膨胀；沿用广义相对论的橡皮布比喻，也就是橡皮布不断地被拉向四面八方。这不仅意味着遥远的星系在离我们远去，也同时意味着光线在传播时会被拉伸，导致红移。

橡皮布的比喻也可以帮我们把引力波的产生过程图像化。当橡皮布上的一个物质发生振动时，它会沿着布发散出一圈圈涟漪，而这些涟漪会让别的物质振动。引力波非常微弱，但是在2015年，科学家们首次对其实现了直接探测（详见第4章）。爱因斯坦的广义相对论现在已经牢固地建立起来，毋庸置疑，它是目前解释引力和宇宙的最佳理论。

我们如何理解相对论的概念？

时间和空间曾经是简单的。你在三维的空间中自由漫步，而在一维的时间里感慨逝者如斯夫。这就是生活。

果真如此吗？在他提出的相对论里，爱因斯坦第一次禁止了任何快于光速运动的事物，并将空间与时间结合为一个统一的时空，而这个时空还可以被引力弯曲。在一个世纪前，这一切革新了我们的认知。由爱因斯坦的狭义和广义相对论所引入的这一革新，使得时间和空间的间隔大小依赖于我们观测的角度。两个拿着手电筒的观测者，如果其中一个位于高速运动的火车上，那么他们可能同时观测到对方先打开了手电筒，而从他们各自的角度出发，他们可能都是对的。

票房大卖的《星际穿越》（Interstellar,2014）立足的假设在爱因斯坦的理论框架下是可能的，但当下在技术上还不一定可行：以接近光速的速度运动，或者在一个黑洞一般的强引力场附近运动的人，比留在地球上的人衰老得更慢些（见图2.6）。其实在现实生活中我们就可以看到不那么戏剧化的相对论效应，没必要跑那么远。图2.6 《星际穿越》中的科学图2.6 《 星际穿越》中的科学（续）

在国际空间站上的宇航员由于空间站运行速度很快，比起我们，他们衰老得就更慢一些，但是他们又会因为受到的地球引力更小而反过来衰老得更快些。二者综合的效果并不会完全抵消，速度将获得胜利，使得国际空间站上的宇航员在每完成一次6个月的飞行任务后，都会比留在地球上的人年轻0.0007岁。

乍一看，相对论充满了佯谬，若要充分理解，我们必须仔细思考运动如何影响我们对于他人时间的流逝的感知，以及别人看我们时间的流逝如何不同。

爱因斯坦的相对论——狭义与广义的——包含着两种影响我们对时间和空间认知的效果（见图2.6）。

反相对论人士

当一些人不喜欢科学结论时，他们会诉诸阴谋论以及伪科学，并对其污名化。爱因斯坦对此深有体会。在写给朋友马塞尔·格罗斯曼（Marcel Grossmann）的信里，他写道：“这个世界是一个奇怪的疯人院， 每个车夫、每个服务员都在讨论着相对论是否正确，而是否相信这个理论取决于政治倾向。”

爱因斯坦收到了大量号称证伪其理论的外行人写的信。在20世纪20年代，形成了一股反相对论运动，参与者甚至包括物理学教授和诺贝尔奖得主，他们采用的策略与今日的创世论者、反气候变化论者如出一辙。

在所有针对爱因斯坦的批评里，最引人注目的当属来自柏林帝国理工学院的物理学家恩斯特·格尔克（Ernst Gehrcke,1878—1960）的。如同许多实验物理学家一样，他很不喜欢深刻改变时间与空间概念的理论。在1921年，他论证说，放弃绝对时间的概念会混淆因果律的根基。他首先在学术期刊中提出反对意见。但是在1919年日全食证实了广义相对论的一项重要预言后（详见第1章），爱因斯坦一跃成了媒体明星，广义相对论获得了更为广泛的公众影响力。

在1920年8月，随着在柏林爱乐音乐厅举办的一系列反对爱因斯坦的公共讲座，反相对论运动在德国甚嚣尘上。这些讲座包括格尔克的一个报告，他把其数年来都不怎么成功的论调又老调重弹了一遍；还有德国科学家保罗·韦兰（Paul Weyland,1888—1972）充满“激情”的演讲，正是保罗组织了这一系列讲座。这一事件也让爱因斯坦开始严肃地思考离开德国的决定。

格尔克与许多爱因斯坦的反对者都有联系，从天文学家、哲学家到学校老师，也包括诺贝尔奖得主约翰内斯·斯塔克（Johannes Stark）和菲利普·莱纳德（Philipp Lenard）。一个名为“国家学院”的组织诞生了，它的名头和带有组织名字抬头的文件都让这个组织带着一种学术派学院的气质。实际上，这个组织扮演了网罗爱因斯坦反对者的国际组织的角色。组织的发起人是美籍瑞典裔科学家阿维德·雷乌特达尔（Arvid Reuterdahl），时任明尼苏达州圣保罗市的圣托马斯大学工程与建筑学院院长。

由于担心科学变得越来越专业化，“国家学院”的创立目的是，通过将科学发现糅合为一个对大自然统一的、宗教性的理解，重新将知识的不同分支连接起来。对于雷乌特达尔而言，体现科学在现代的专业化与不可理喻的最佳例子莫过于相对论了，而“国家学院”的成立宣言中有一半都是对爱因斯坦理论的激烈攻击。这一乍看起来令人尊敬的学术协会所开展的有组织的抹黑活动，意味着爱因斯坦有了一个死对头。“疯狂的异想”“国家学院”的美国分部包括一些“大腕”，如在加利福尼亚州马雷岛上的美国海军天文台工作的天文学家托马斯·西伊（Thomas See,1866—1982）。在20世纪20年代早期，他发表了一系列文章，指责爱因斯坦抄袭，并宣称相对论是一种“疯狂的异想”。

雷乌特达尔热切地想要同遍布全球的爱因斯坦反对者们建立联系，于是他在1921年接触了格尔克，想要建立一个德国分部。格尔克一开始招募到的德国物理学家都认为相对论没什么用，因为用经典物理就可以解释所有的天文观测现象。陆陆续续加入“国家学院”的还有哲学家、工程师和医生，甚至还有一个退休的少将。

为什么会出现这么一个由外行和科学家拼凑的“奇形怪状”的联盟呢？一个比较冠冕堂皇的理由是，那些爱因斯坦的反对者通常对科学的未来感到担忧。理论物理日趋数学化的本质与传统的认知产生了冲突：有些人认为科学应该是一个简单的系统，一个受过教育的外行应该就可以理解。相对论是一个威胁——据1919年的《纽约时报》报道，爱因斯坦说过“只有12个聪明的人”可以理解这个理论（见图2.7）。高等数学在物理理论中所扮演的越来越重要的角色似乎把物理学拉离了现实。

20世纪20年代对于德国而言同样是一个风雨飘摇的年代，恶性通胀、政局动荡。在这个充满不确定的世界里，有些人认为科学应该作为一个坚实的基础，成为一个可以信赖的对象。

一些反对者攻击的是爱因斯坦本人——民主主义者、和平主义者、犹太人；另一些人会转到反犹太主义的阴谋论里。雷乌特达尔在1923年写道：“我们在美国的问题是，由于犹太人的影响，所有的科学期刊都对反相对论的工作关上了大门，报业则几乎全部处于犹太人的控制之下。”图2.7 在1919年普林西比岛的日食证实爱因斯坦的广义相对论后，《纽约时报》的头版头条所做的报道（详见第1章）

到20世纪20年代中期，反相对论人士面临的是压倒性的抵制，大多数人都克制住了自己，不再公开地与相对论为敌。许多人直接放弃了反对态度，而“国家学院”作为一个中心化的反爱因斯坦活动组织的角色也迎来了终结。然而对相对论的反对声时至今日仍有回响。某些网站声称相对论是“被自由派重点推广”的，并且列出了32个原因说明为什么这个理论是错误的。不过起码今天的相对论反对者中学术派人士的参与度低了许多，且其出镜率比起20世纪20年代也下降了不少。也许在今天只有一小部分服务员还在争论相对论到底是否正确。

当我们说时空弯曲时，它在弯向哪儿？

这个问题与宇宙学家在一个世纪来不断面临的一个老生常谈的问题是相关的，通常这个老生常谈的问题是这样表述的：“如果空间在膨胀，那么它往哪里膨胀？”简单的回答是，它没必要向任何地方膨胀。

我们通常会用一个二维比喻来理解空间膨胀。可以想象，气球膨胀的时候，气球表面的小点会相互远去。这里，气球的二维表面就对应着我们的三维空间。当然，我们可以看到气球是在往另一个维度膨胀。但即使处于这个二维平面上，我们依然有办法了解其部分性质，比如它究竟如何弯曲。通过观察气球表面的点的一些性质，以及弯曲的线和角度在气球膨胀时如何变化，我们可以将其与一张平坦的纸区分开来，而不需要考虑更高的维度。

这就是气球表面的所谓内秉曲率。类似地，由具有质量的物体或者引力波引起的时空改变可以由时空的内秉曲率描述，我们只需要用到三维空间和一维时间。

然而，尽管更高的维度并非必需，它们仍然有可能存在。在一些猜测性的物理理论里，宇宙是一张飘荡在更高维空间中的弯曲的膜。

第3章 黑洞

弯曲时空

1915年到1916年的冬天，正在德国陆军服役的物理学家卡尔·史瓦西（Karl Schwarzschild,1873—1916）给爱因斯坦写了一些信。他第一个解出了爱因斯坦广义相对论方程，并展示了有质量天体的内部与外部时空的特性——在这个特例中，是一个呈完美球形的、非旋转的天体。爱因斯坦惊喜欲狂。

然而他对于史瓦西的工作最终会推导出的一个预言并不十分惊喜。这个预言说，一个质量足够大或者密度足够高的恒星会产生极强的引力，这个引力能弯曲时空，甚至连光都无法逃离。

史瓦西在与爱因斯坦通信仅仅数月之后就去世了，对于被称为史瓦西奇点的奇特天体的具体细节，只能留待他人继续研究了。在这些后来者中，领头的是一位年轻的印度物理学家苏布拉马尼扬·钱德拉塞卡（Subrahmanyan Chandrasekhar,1910—1995）。在1930年，他获得了剑桥大学的奖学金，于是登上从印度开往英国的汽船去求学。在为期18天的旅程中，他研究了白矮星的性质。他发现，如果白矮星的质量大于太阳质量的1.4倍，它们会在自己的引力下坍缩，形成一个史瓦西奇点。

然而事情并非一帆风顺。在1935年召开的一次皇家天文学会的会议上，著名天体物理学家亚瑟·爱丁顿宣称，“大自然一定有某种定律可以阻止恒星的这种荒诞行径”。在1939年，爱因斯坦发表了一篇论文来解释为什么史瓦西奇点无法存在于理论物理学家的大脑之外。

坍缩的恒星

这一僵局一直持续到20世纪60年代，以罗杰·彭罗斯（Roger Penrose,1931— ）为代表的一些物理学家证明了黑洞——这个名词在那段时间首次出现，并且被天体物理学家约翰·惠勒（John Wheeler,1911—2008）采用——是大质量恒星坍缩无可避免的最终归宿。在黑洞的中心，时空曲率之类的物理量会发散到无穷，而广义相对论方程也会失效。不仅如此，连黑洞的内部世界也永久地隐匿于其视界之下——所谓视界就是连光都一去不回的表面。这也就意味着在黑洞内部发生的一切都无法影响到外界，因为没有任何物质或能量可以从黑洞中逃逸出来。

尽管我们无法直接看到黑洞，天文学家还是于1970年在天鹅座观测到一个致密天体喷发出X射线的喷流，而这一观测结果与理论预言一致：炽热的物质不断旋转着掉入视界，并辐射出能量（见图3.1）。从那之后，我们越发相信黑洞真实存在。图3.1 艺术家对旋转着的物质盘掉入黑洞过程的想象图

黑洞的性质现在仍被人们热烈地讨论着，尤其是广义相对论无法与量子理论调和，而量子理论在原子与亚原子层面解释了物理世界。在20世纪70年代，雅各布·贝肯斯坦（Jacob Bekenstein, 1947—2015）和斯蒂芬·霍金证明了黑洞一定拥有温度。有温度的物体就对应有熵——一种对无序程度的度量，在量子力学层面，熵意味着微观结构的存在。 另一方面，爱因斯坦的公式将黑洞描述为光滑、无特性的时空弯曲。霍金同时还表明，在视界里面和附近的量子效应意味着黑洞在持续蒸发，并以被我们称为霍金辐射的形式不断喷出粒子。

火墙悖论

如果黑洞最终会化为乌有，那么掉进黑洞的物质和能量到底遭遇了什么？从本质上来说，物质与能量都携带着信息，而量子力学认为信息不能被毁灭。也许信息通过霍金辐射发射出去了，但是这个解释会遇到另一个问题：这会导致黑洞被一堵由炙热的高能粒子组成的火墙所包围，而这一点也是广义相对论不允许的。

火墙悖论至今还是一个热门课题。一个最近兴起的吸引人的解释是，爱因斯坦的光滑时空阡陌起源于视界内外通过虫洞建立起联系的量子力学效应。在2015年8月，霍金提出了另一个想法：信息可能从来没有真正被黑洞吞噬，事实上它停留在视界上，混乱而模样难辨。一个月以后，来自荷兰乌得勒支大学的诺贝尔奖得主杰拉德·特·胡夫特（ Gerard' t Hooft,1946— ）提出当物质和能量掉落进黑洞时，它们所携带的信息会被反弹回去。

隐形的研究

人们对黑洞性质的监测并不是直截了当的。根据定义，黑洞不能辐射出光，所以不能把望远镜指向它去观测。但是你可以观测到它的引力效应。

在1971年，一个名叫天鹅座X-1的天体被认为可能是一个恒星级黑洞（由大质量恒星的引力坍缩形成），这是因为它对其伴星有强大的引力作用。3年后，人们发现了人马座A*，这是一个位于我们星系中央的超大质量黑洞。它周围的恒星的轨道表明，在中央存在一个具有巨大质量的物体，质量大约是太阳质量的400万倍。

发现黑洞的方法还有其他一些。 尽管视界本身不能发光，许多

试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]

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