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黑洞簡史:對黑洞的理解左右著人類對宇宙未來的預測圖書
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黑洞簡史:對黑洞的理解左右著人類對宇宙未來的預測

人人都可以看懂的天文科普;一部有趣、的黑洞理論發展史及發現史;《時間簡史》以來*動人心弦的宇宙之書;詮釋恒星的終極演變如何改寫宇宙格局
  • 所屬分類:圖書 >科普讀物>宇宙知識  
  • 作者:[美] [瑪西亞] [芭楚莎]([Marcia] [Bartusiak])
  • 產品參數:
  • 叢書名:--
  • 國際刊號:9787535789853
  • 出版社:湖南科學技術出版社
  • 出版時間:2016-08
  • 印刷時間:2016-08-01
  • 版次:1
  • 開本:16開
  • 頁數:--
  • 紙張:輕型紙
  • 包裝:平裝
  • 套裝:

內容簡介

時間簡史》以來□動人心弦的宇宙之書

詮釋恒星的終極演變如何改寫宇宙格

u 黑洞是一種怎樣的天體?既然光都無法逃逸,為何會有“霍金輻射”?

u 黑洞內部究竟有什么?相對論為何無法解釋?量子力學如何描述微觀視角下的黑洞?

u 時空凹陷如何制造奇點?白矮星、中子星、類星體的相繼發現對黑洞理論的發展和人類尋找黑洞帶來怎樣的啟示?

u “宇宙頭號黑洞嫌疑犯”天鵝座X-1真的是黑洞嗎?你聽說過“面條效應”嗎?想不想來一場奇妙的黑洞之旅?

從誕生之日起,黑洞理論便飽受非議,但這并不妨礙它成為天體物理學研究的焦點和人們對它的廣泛喜愛。瑪西亞 芭楚莎的《黑洞簡史》以時間為序,闡述了這項偉大理論的誕生和發展如何與基礎物理理論的演進緊密纏結、相互促進,而對黑洞本質的研究將為我們帶來一個愛因斯坦夢寐以求的大一統理論,從而解決物理學上的終極問題。

作者還以生動的筆法,清晰地描述了黑洞的神秘成因、奇特屬性以及其在宇宙中的統治地位和對宇宙未來的深刻影響,還原了愛因斯坦、霍金等物理學家在這項□令世人困惑的科學探索中表現出的思維碰撞與無畏創新,是一部恢宏的黑洞理論發展史及發現史。

編輯推薦

推薦理由1:一本引人入勝,帶來燒腦快感的讀物……為讀者提供了前沿的視角,讓讀者觀看世界上出色的科學家們如何挑戰宇宙中奇怪的天體——黑洞。

推薦理由2:為我們帶來了一場奇妙的黑洞之旅,展示了這個概念的美和神秘,以及許多大科學家包括愛因斯坦和霍金,都為之感受到的好奇或者癡迷。

作者簡介

瑪西亞 芭楚莎

太平洋天文學會克里普克 羅伯茨獎得主

首位且兩度榮獲美國物理學會科學寫作獎的女性

曾任美國國家航空航天局(NASA)專職記者

《發現》雜志主編

《自然歷史》雜志專欄作家

瑪西亞 芭楚莎是麻省理工學院教授,在物理學和天文學領域工作超過30年。作為美國科學促進會、科學研究學會會士,她在科研和科普方面獲獎無數,多年來一直擔任《發現》雜志主編及《天文學》雜志顧問。

芭楚莎著述豐富,屢獲媒體熱捧,《紐約時報》更是三度將其不同著作評為“年度□值得關注書籍”,包括《愛因斯坦尚未完成的交響樂》《星期四的宇宙》及《通往黑暗的宇宙》。她現在和丈夫、他們的愛犬居住在馬薩諸塞州波士頓郊外的薩德伯里。

目錄

前 言 黑洞之美 14

第1 章 經典黑洞 引力使光無法逃逸 1

蘋果樹下開啟的偉大時代 3

哈雷彗星的現身說法 7

只要是成對出現的恒星,必然彼此靠近 9

米歇爾設想的極限情形 14

如何“看”見不可見的恒星? 15

第 2 章 相對時空 物質告訴時空如何彎曲 17

經典力學與電磁理論不協調? 19

宇宙飛船上的時間要比地球上的慢? 22

廣義相對論首勝:水星軌道額外進動43 角秒 29

行星圍繞太陽轉,其實是陷入太陽制造的時空凹陷? 31

第 3 章 奇異之點 密度無窮大,體積卻為零 39

讓相對論熠熠生輝 41

史瓦西奇點 44

令一切物理定律崩潰的地方 46

襁褓期的黑洞 49

第 4 章 恒星危機 不可避免的引力坍塌 51

天狼星的搖晃 53

白矮星的質量上限為1.4 個太陽? 61

超過錢德拉塞卡極限又如何? 62

好一個“星級玩笑” 65

準備好“買入”黑洞了嗎? 69

第 5 章 致密星體 新星大爆發宣告了中子星的誕生 71

新星大爆發 73

恒星核將被擠壓為半徑極小而密度極大的中子裸球? 75

不同質量恒星的聚變鏈 79

物質會被壓縮得如此致密嗎? 81

第 6 章 長期跌落 恒星將會無限制地持續收縮 83

研究恒星能夠避免被捕嗎? 85

奧本海默:中子星也有質量極限 88

恒星坍縮,奇點再現 95

愛因斯坦不相信黑洞 98

普林斯頓的老傻瓜 100

第 7 章 恒星結局 坍縮的結果是形成黑洞 105

古怪金融家資助的反重力研究 107

惠勒:教授相對論是為了了解敵方? 111

阻止恒星末日 115

殊途同歸——黑洞與凍結星 119

將黑洞視界上發生的事視覺化 123

黑洞無毛 125

□后一個逃生出口 128

第 8 章 宇宙之音 以嶄新的方式發現宇宙 131

詹斯基:及時位竊聽宇宙聲音的人 133

射電星的巨大不明能量源 137

“紅移”破譯奇特光譜玄機 138

只需一秒,便可為整個地球供電數億億年? 141

第 9 章 類型 對于黑洞且的描述 145

相對論與天文學的大融合 147

超大質量黑洞正是類星體的巨大能量源 150

GPS :廣義相對論在日常生活中的首次應用

克爾度規:描述旋轉物體周圍的時空 157

黑洞的類型 161

誰將黑洞這一詞語引入天文學? 163

第 10 章 黑洞旅行 如果你穿越視界進入黑洞 169

科學家大遷徙 171

越過視界的奇異旅程 173

在視界的邊緣上,你會永遠年輕 175

第 11 章 尋找黑洞 局勢明朗到足以讓霍金低頭認輸 177

借探月之名,行黑洞之實 179

天鵝座X-1 :宇宙頭號黑洞嫌疑犯 184

霍金不光彩的賭約 187

形狀奇特的宇宙射流是如何產生的? 188

能量如何逃出黑洞? 191

命中注定的邂逅 192

第 12 章 黑洞本質 不同尺度下的黑洞會有不同的特征 195

以量子力學重塑引力理論 197

霍金:黑洞視界只增不減 199

從“黑洞有熵”到“霍金輻射” 201

黑洞會蒸發嗎?會爆炸嗎? 204

基于量子力學的黑洞 206

物理學上的終極問題 208

結 語 引力波探測與黑洞 210

黑洞大事記 217

譯后記 黑洞研究的全景圖 228

瑪西亞 芭楚莎訪談錄 232

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第 4 章 恒星危機 不可避免的引力坍塌

白矮星的發現不過是驚人的恒星革命的前奏,一旦電子簡并壓與來自恒星內部的引力之間的平衡被打破,恒星又將如何演化?年輕的錢德拉計算出了白矮星的質量極限,而一旦超過這個極限,恒星的坍塌將不可阻擋。這種大膽的言論以相當直率的方式拋出,招致一位頂級物理學家的無情嘲諷,一場力量懸殊的對決就此開啟。

必定會有一條自然定律來阻止恒星的這種荒唐行為!

——亞瑟 愛丁頓

天狼星的搖晃

“史瓦西奇點”這個詞語首次出現時,人們將其視為奇聞怪談,沒有人真的料想到,有朝一日它會從科技期刊里跑出來,成為活生生的現實。但是20 世紀早期,天文學上一系列令人震驚的新發現迫使那些保守的理論物理學家不得不長期性地改變他們的態度。此處□值得一提的是,那顆圍繞著夜空中用肉眼能看到的□亮的恒星——天狼星而慢慢旋轉的暗星。天狼星位于大犬座,長期被人們稱為“犬星”。

天狼星及其伴星的發現歷程開端于19 世紀的普魯士。弗里德里希 威廉 貝塞爾任普魯士柯尼斯堡天文臺臺長時,為方位天文學制定了新標準。1838 年,這位天文臺臺長因首次直接測量出恒星的距離而獲得了巨大的聲望。在當時,這項任務可謂是天文學上□大的挑戰。之后,貝塞爾將注意力轉向了恒星的運動。

貝塞爾多年來一直從事老星表的修訂工作,為了追蹤天狼星和南河三是如何隨著時間的流逝在星空中移動的,他親自進行了一些天文測量工作。到了1844 年,他已掌握了相當多的數據。他宣稱,天狼星和南河三的運動并非如人們想象的那般平穩,而是呈現明顯的輕微搖晃——類似波浪式的起伏運動。憑借其非凡的智慧,貝塞爾大膽斷言:這種晃動是由圍繞著它們旋轉的看不見的天體引起的;暗星之于亮星,就像一位時時緊拽著母親裙裾的小男孩。根據他的估計,天狼星的暗星圍繞著亮星旋轉一周的時間約為50 年。

這一發現顯然令貝塞爾興奮不已。他在給英國皇家天文學會的信中這樣寫道:“這個發現……對整個實用天文學意義重大,我認為值得大家關注。”

確實有天文學家關注了此事。一些人試圖通過望遠鏡辨認天狼星的伴星,但不巧的是,在貝塞爾報告他的發現時,天狼星B(作為一顆小體積的伴星而逐漸被人們所熟識)正位于和閃亮的天狼星A □近的位置(從地球觀測者的角度),光度本就微弱的天狼星B很難被人們觀測到。在隨后的數年中,也無人能成功地找到這顆□亮恒星的伴星。

到1862 年1 月31 日,一切都變了。這天晚上,在美國馬薩諸塞州的劍橋港,高端望遠鏡制造商阿爾文 克拉克和他的小兒子阿爾文 格雷厄姆 克拉克,正在測試他們為密西西比大學設計的新型折射式望遠鏡,這款望遠鏡將成為當時世界上□大的折射式望遠鏡。他們需要通過觀測那些著名的恒星,對18.5 英寸的鏡頭進行色彩測試。在此過程中,小克拉克發現天狼星身邊有一顆昏暗的伴星,正發出極為暗淡的光芒。

這項重大發現當時可能并未被記錄在案,但幸運的是,老克拉克是一位狂熱的雙星觀測愛好者,也許是他鼓勵兒子到附近的哈佛大學天文臺報告了這一發現。科學歷史學家芭芭拉 威爾瑟則說,事實上,這一發現并不像一些書籍上所講的那樣是一次意外,而是在尋找天狼星的伴星方面,“老克拉克和哈佛大學早有接觸”。

不管事情的真相如何,哈佛大學天文臺臺長喬治 邦德一周后證實了這一發現。他很快就完成了兩篇論文,其中一篇寄給一家德國天文雜志,對新發現只作了寥寥數語的簡單介紹,另一篇寄給了《美國科學雜志》,在其中作了極為詳細的匯報。在第二篇論文中,邦德提出了他腦中縈繞不去的問題:“它持續可見——正是這顆迄今為止被認為不可見的天體引起了天狼星的晃動,無論這是否能夠得到證明。”新發現的這顆恒星出現的位置似乎恰好可以用來解釋天狼星波浪式起伏的方向,但其亮度極為微弱。事實上,恒星如此昏暗在當時看來是質量太小的表現,而小質量的恒星可能不足以引起附近恒星的晃動。這是天狼星B 首次遭遇到的獨特問題。

由于發現了天狼星暗淡的伴星, 阿爾文 格雷厄姆 克拉克于1862 年獲得了由法國科學院頒發的具有聲望的拉朗德獎。全球范圍內的天文學家們通過持續多年對天狼星及其伴星軌道的觀測,□終判定:盡管這顆伴星發出的光還不足我們太陽的百分之一,但其力量巨大到足以拉動天狼星A(相當于整個太陽的質量)。沒有人立即對這種不一致性表示質疑。人們只是聳聳肩,認為天狼星B 不過是顆類似太陽的恒星,而且正在逐漸冷卻下來,即將走到生命的盡頭。

此時此刻,還沒有人獲得天狼星B 的恒星光譜。也就是說,獲取來自那顆微小球體微弱光線的光譜圖。由于這個雙星系統中主星的亮度太高,這項任務很難完成。直到□終取得其光譜時,天文學家才推測出,天狼星B 也像其他暗星或較冷的星一樣,是黃色的或紅色的。這是因為在天文學界有一條公認的規則:恒星越熱就越明亮;□亮的恒星呈白色、藍白色或藍色。

但是在1910 年,普林斯頓大學的天文學家亨利 諾利斯 羅素的發現讓人們對這條規則產生了懷疑。波江座40有一顆昏暗的伴星,人類于1783 年就知道這顆伴星的存在了。而在哈佛大學天文臺對其拍攝的一張照片底片上,羅素發現,它被貼上了寫有“藍白色”字樣的標簽。羅素馬上質疑這張標簽是否正確,但在1914 年,沃爾特 亞當斯在美國加州的威爾遜山天文臺證實了這顆伴星光譜的正確性。一顆恒星怎么會既是白熱的又是昏暗的呢?“我非常驚愕。”羅素回憶道,“我真的很困惑,想要弄清楚這到底意味著什么。”到了1915 年,亞當斯確認,天狼星的伴星也同樣顯示出一顆熾熱的呈藍白色恒星才具有的光譜特性,有高達25000 開爾文的溫度,比我們的太陽還要熱很多。為何天狼星伴星不像我們僅用肉眼就能看到的天狼星一樣明亮?火一般的白色恒星,怎么會只有如此微弱的光輻射呢?相對于太陽,這顆恒星的質量相差無幾,亮度卻只能達到太陽的四百分之一。

很快,理論物理學家們,包括愛沙尼亞的恩斯特 奧皮克和英國天體物理學家亞瑟 愛丁頓,解釋了這種現象的原因。如果一顆恒星是白色的,其溫度又比我們的太陽還高的話,它在其表面每平方厘米一定會釋放更多的光。但天狼星B 發出的光太微弱了,所以,這只能意味著,它的表面積比太陽小。換句話說,它密度更大,體積更小。事實上,它僅比地球大一點點。(奧皮克計算該星的密度是太陽的25000 倍左右。這個結果令人震驚,他起初宣稱這是“不可能的結果”。)這樣的恒星后來被稱為“白矮星”。

與太陽質量一樣大的恒星被壓縮進如此小的體積內,天文學家和物理學家都無法解釋,恒星是如何在這個令人難以置信的壓縮狀態中保持穩定的。在那個時代,物理學家仍無法解釋這樣的致密體如何得以持續存在。正如愛丁頓后來略帶淘氣地說:“天狼星伴星發向地球的信息被解碼后是這樣的:‘我是由密度比你們見過的任何東西還大3000 倍的材料構成的。我身上摳下來的一點點東西就可以重一噸,你可以放進火柴盒里。’對此,人們會有怎樣的反應呢?大多數人的回答會是:‘閉嘴!別胡說八道!’”

□終,這個謎題的解開歸功于20 世紀20 年代迅猛發展的量子力學。1926 年,英國理論物理學家拉爾夫 福勒指出,與整個太陽質量一樣大的恒星之所以能夠被壓縮進地球大小的空間里,從而產生宇宙中密度□大的物質,是因為在致密的白矮星內部,壓力變得極大,所有的原子核就像一大批小彈珠一樣,被盡可能地擠進□小的體積內。原子內的大部分空間是空的。(如果一個原子被放大到一個足球場大小,原子核看起來就像是50 碼線上的一粒豌豆,周圍的電子在□遠的座位周圍快速運動,發出嗡嗡聲。 ) 但在白矮星內部,所有這些剩余空間都大幅度減少。與此同時,其自由電子產生了內部能量和壓力,防止原子進一步坍塌。具有不相容性的電子摩肩接踵,擠在一起(由沃爾夫岡 泡利制定的一條量子力學定律,禁止電子合并),阻止體積進一步縮小。白矮星持續穩定的關鍵是由極高密度和快速移動的電子產生的令人難以置信的巨大斥力,這種斥力被稱為簡并壓,可以防止恒星進一步坍縮。這種壓力要比在太陽中心的壓力高出100 萬倍。量子力學出現之前,這種壓力是不可想象的。

白矮星的超密態物質在地球上是不可能聚集的,只有當恒星處于極端環境時,才有可能生成。天文學家后來了解到,這種致密星體是太陽這樣的中等質量恒星演化的終極階段。白矮星是恒星內部燃料消耗殆盡后殘留下來的發光星核,核心以外的氣態物質都被拋離恒星本體,進入太空,成為星云。這也將是我們的太陽在大約50億年后的宿命。在逐漸釋放完過去燃燒遺留的能量后,白矮星會像一堆灰燼,□終慢慢冷卻,并慢慢死去。

極為致密的白矮星的發現原來不過是一場驚人的恒星革命的前奏。到了20 世紀30 年代,在運用相對論和量子力學的新定律時,理論物理學家震驚(且困擾)地發現,如果垂死的恒星質量足夠大,就有可能面臨比變成白矮星更加不可思議的命運。發現白矮星并理解其物理特性,開啟了人類對于宇宙的全新研究。

1930 年夏天,正值全球經濟大蕭條時期,宇宙研究的大戲即將上演,大幕徐徐開啟了。這與一次從印度出發的18 天海上之旅有關。旅行者是一位19 歲的高貴青年,名叫蘇布拉馬尼揚 錢德拉塞卡,簡稱錢德拉。錢德拉獲得了劍橋大學獎學金,正計劃前往劍橋大學讀研究生,導師是拉爾夫 福勒。錢德拉需要先乘船,然后轉乘火車前往。在印度的馬德拉斯大學學習期間,錢德拉就十分著迷于白矮星的物理特性研究。在這次漫長的海上旅行中,他又開始鉆研起這個問題。

福勒不久前向人們展示了,在一顆密度為一噸每立方厘米的致密星體上,被擠壓得很緊的電子所產生的壓力是如何使致密星體保持完好無損的。但這能夠永遠持續下去嗎?錢德拉自問。他又接著問自己:如果是一顆質量更大的白矮星,又將如何?在輪船通過蘇伊士運河駛入地中海的漫長航程中,錢德拉有充裕的時間慢慢思索。他突然間頓悟,意識到當白矮星的質量越來越大時,在致密星體的內部,電子移動的速度會越來越快,甚至接近光速。這意味著有必要運用相對論的規則來解釋恒星的行為。這是福勒還沒有做的事情。

世界就是這樣終結的,不是伴著巨響,而是伴著嗚咽。

——蘇布拉馬尼揚 錢德拉塞卡

白矮星的質量上限為1.4 個太陽?

盡管此時的錢德拉只是一名本科生,但他已對量子力學和相對論非常熟悉。他在輪船上完成了計算,得出的結論令自己大吃一驚:白矮星的質量有一個□大上限——殘留的星核要小于1.4 倍太陽質量。錢德拉熟讀科學文獻,而且碰巧的是,他讀過一些相關的重要書籍,而且將其中三本帶上了船,以便自己隨時翻閱。總之,在船上,他得出了這個結論。“過程其實很簡單。一切都是基礎計算,任何人都可以做到。”錢德拉后來于1971 年謙遜地回憶道。如果白矮星的質量超過他計算的極限,就有可能無法對抗自身的引力。在這個臨界點上,會發生什么?這是一片未知的領域。質量更大的白矮星到底會如何演化,錢德拉沒有頭緒。“我不知道這樣的白矮星將如何收場。”回想起那個發現的時刻,他補充說道。一到達英國,錢德拉即刻著手起草論文。

福勒將錢德拉在開始海上旅行前寫的一篇關于白矮星的論文寄給了《哲學雜志》,卻把錢德拉后一篇采用相對論解決方案的論文送給另一位專家評審。等待數月后仍未收到反饋意見,年輕的錢德拉覺得論文不太可能在英國發表,有些失望,就自作主張,把論文寄到了美國。后來,這篇論文以《理想白矮星質量的□大值》為題,發表于1931 年的《天體物理學》雜志上。這篇論文相當簡明,差點被拒刊。一位審閱人起初懷疑錢德拉的一個方程是錯誤的,直至錢德拉提供了詳細的證明過程。“我對他的方程吹毛求疵,這是錯誤的,我很抱歉。”這位審閱人對編輯說,“但在當時的我看來,這個方程如果是對的,事情就會極不尋常。在及時瞥中,我可沒指望有什么重大發現。”

當錢德拉□初開始計算時,并不知道還有其他人,像英國的愛德蒙 斯通納和愛沙尼亞的威廉 安德森,已經在早些時候發表過關于白矮星密度上限的估計值。他們認為,白矮星中的原子排列已盡可能地緊密了。但錢德拉采用的恒星模型更為復雜,□后得出的結論也更強而有力(并且更不易理解)。他的方程說明,如果白矮星的質量超過他計算出的那個閾值,就會面臨的坍塌,其密度將趨于無窮大(他認為這是一個“無法使人信服”的結果)。

超過錢德拉塞卡極限又如何?

毫不奇怪,并不是錢德拉一個人在進行這項探索。恒星或者白矮星的質量問題懸而未決,這個時期的天體物理學家已開始分析恒星的內部結構,思考它們是如何被驅動的,又是如何形成的等問題。數百年來,天文學家已經可以追蹤恒星的位置和運動,現在他們想“啪”地一下打開恒星( 理論上),找出它們運行的原理。當身處英國的錢德拉對白矮星進行深入思考的時候,的理論物理學家列夫 朗道在蘇聯也做著類似的事情。通過思考恒星的內部結構,朗道認為,在他的專業核物理學上,可能會有一些驚人的新發現。在建立起一個將恒星作為一團冷物質的簡化的模型后,他于1931年得出結論:如果恒星的質量是太陽的1.5 倍,“整個量子理論再也找不出阻止恒星坍縮為一個點的方法”。但他同時又認為,這個結論顯然是“荒謬”的。他知道,當然有更大質量恒星的存在。如何解釋這個顯而易見的矛盾?為了回答這個問題,朗道認為,應該按照丹麥原子物理學家尼爾斯 玻爾之前提出的想法來看待恒星核心內部的問題,而不是采用原來的物理定律。用朗道的話來說,就是恒星的內核是“反常”區。由于物質變得如此致密,會形成“一個巨大的核”。這種看法頗具預見性,給即將到來的宇宙革命以重要的啟示。

與此同時,錢德拉也在繼續探尋白矮星的命運之謎。但愈往前走,他愈是困惑。在1932 年發表的一篇論文中,他表達了這樣的困惑。為了避免被英國人拒絕,他把在一家德國雜志上。文章的結尾這樣寫道:“我們可以得出這樣的結論——如果我們不能回答一個根本性的問題,在恒星結構分析上就不可能取得更大的進步。這個問題就是,在一個包含電子和原子核(總電荷為零)的區域內,假設我們持續地壓縮物質,會發生什么?”事實上,他是指,恒星會發生什么?錢德拉把□后這句話用斜體表示,很可能是試圖引起天體物理學家的注意,因為當時的天體物理學家對此根本不感興趣。英國天體物理學三巨頭——亞瑟 愛丁頓、詹姆斯 吉恩斯和愛德華 米爾恩,都忙于在會議上對恒星內部結構及組成的問題爭論不休,因而無暇顧及一個無足輕重的研究生的論文。只在一個問題上三巨頭看法一致,那就是:恒星永遠不會坍縮為一個點。

在錢德拉1932 年后的一段時間里,他的注意力轉移到了別的天體物理學問題和旅行上。在獲得博士學位并當選為劍橋大學三一學院研究員后,錢德拉重新回到了這個問題上。“有必要強調整項研究的一大成果,”他在1934 年寫道,“必須建立并接受這樣的觀念——小質量恒星的演化過程和大質量恒星一定有本質上的不同。”對小質量恒星來說,自然的白矮星階段是它們走向熄滅這一過程的初始。大質量恒星……不可能進入白矮星階段,余下的工作是推測它們的其他演化可能。”換句話說,小質量恒星一定會以白矮星的方式走向終結,但對內核質量超過□大限度的大質量恒星,等待著它們的命運又將如何?究竟會發生什么?

錢德拉的頭腦中曾涌現過這樣的念頭:自己的發現可能會開辟出一片物理學的新天地。“但我打消了這個念頭……”他說,“我不愿意得出這個結論。”劍橋大學聲名顯赫者眾多,作為一個外國人,他在那里難以找到歸屬感。“在我看來,有……太多人從事著無比重要的工作,相比之下,我所做的微不足道。我當時顧慮重重。”他回憶道。

然而錢德拉并未對這個問題放手,盡管他一如既往地默默無聞。在訪問蘇聯期間,他意識到,如果沒有一個很好的范例來佐證,即一顆從未超過關鍵的質量極限的恒星,經過一系列質量和屬性的變化而演變成白矮星這樣的事實,天文學家就不會相信他的質量極限說。錢德拉決意接受這一挑戰。他用一臺笨重的臺式計算器,為每顆恒星做復雜的微分方程計算。□終,錢德拉于1935 年1 月1 日完成了一篇18 頁的論文,里面充斥著各種計算。他把論文寄給了《皇家天文學會月刊》。文中有一張圖表,生動地向世人展示了驚人的結論:質量越大的白矮星體積越小,直至半徑接近零;超過一定質量后,白矮星將坍縮成某種近似不存在的狀態。錢德拉早期的研究基于近似值,而這一次,他采用了值。

實現這一成果的過程是對錢德拉的腦力和體力的雙重榨取。在長達幾個月的時間內,他廢寢忘食,通宵工作。在他不久后寫給哥哥巴拉科瑞斯南的信中有這樣的話:“被恒星內部的謎題圍堵,被難解的微分方程虐待,被大量繁雜的運算施以重拳,飽受無人理睬的煎熬,被急欲趕在新年之前完成的想法弄得心慌意亂……□終,我體驗到的并非剛開始潛入大自然深處時渴望得到的歡欣,而是焦頭爛額、七竅生煙、失意和困頓。”

好一個“星級玩笑”

他得出的結論極為直率。“當核心密度足夠大時……”,錢德拉寫道,“(恒星)會坍縮到半徑非常小,小到在天體物理學上沒有任何實際意義。”人們未料到恒星會演化為如此結局。亞瑟 愛丁頓對這樣的結論非常不悅,在1935 年1 月11 日于倫敦召開的皇家天文學會會議上,當討論到錢德拉恒星劇烈坍縮的觀點時,愛丁頓發表了他那聲名狼藉的宣言(經常被引用):“必定會有一條自然定律來阻止恒星的這種荒唐行為!”在場的觀眾哈哈大笑。

錢德拉剛在會議上展示了自己的研究成果,只得到了禮貌性的掌聲,隨即驚恐地聽到了愛丁頓這句頗帶諷刺意味的評價,這不啻于當頭一棒。觀眾的反應也令他深感蒙羞。在這篇論文完成的過程中,錢德拉時常向愛丁頓請教,這位偉人并未有任何否定之語,甚至幫錢德拉找來了需要的計算器。也許,愛丁頓就是想等到公開的會議,方才向錢德拉的研究打出一記重拳,把它變成天體物理學史上□令人矚目的智力角逐之一。

愛丁頓發表了他主導性的觀點。他認為,把狹義相對論和量子力學結合起來使用是錯誤的,至少錢德拉以如此方法處理白矮星不可行。“我不知道我是否還能活著逃離這個會議,”愛丁頓在會上說,“但問題……是沒有所謂的相對論簡并性……我不認為這樣的結合生出的孩子是合法的。”在同一年稍晚時,愛丁頓在《皇家天文學會月刊》上又發表了一篇言辭尖銳的文章,再次提到了“非法的結合”。愛丁頓早已因在天體物理學領域成就斐然而名揚天下,尤其是建立了恒星的標準模型,這是20 世紀天文學□偉大的成就之一。但他不信任錢德拉的特殊方法,也從不認為自己有可能是錯誤的。他身著花呢套裝,保持腰身挺直,鼻子上端正地架著一副夾鼻眼鏡,這位著名的天體物理學家似乎就是英國傲慢的化身。

愛丁頓在公開場合直言不諱這種情況并不少見,他總是樂于時不時地發表一通學術言論。對他來說,科學就是通過這種方式得來的。錢德拉并不是飲痛之人。多年以來,已經有許多人被愛丁頓的敏思所灼傷,但為何在這個至關重要的晚上,沒有人幫錢德拉辯護呢?部分原因是錢德拉的研究中涉及的數學和物理知識太艱深,能像錢德拉一樣熟悉天文學理論(更不用說量子力學或狹義相對論)的人很少,所以,沒有人有能力支持他。愛丁頓是恒星結構和光度的世界級專家,部分旁觀者認為,愛丁頓當然是對的,錢德拉肯定是錯的。也有一些人雖然支持這位年輕的理論物理學家的工作,但因畏懼與當時□受追捧的天體物理學家公開對抗而選擇了沉默。甚至數年之后,幾位重要的天體物理學家逐漸意識到了愛丁頓的錯誤,也只是私下里向錢德拉表示這一點,但在公共場合卻仍然緘默,不愿讓愛丁頓這位天文學界泰斗蒙羞。許多人建議錢德拉單槍匹馬自我辯護,但缺乏來自同伴們的支持,錢德拉覺得痛苦。

愛丁頓號稱恒星方面的知名專家,但令人困惑的是,他并沒有將人們引領向新的天體物理學。他是相對論的世界級專家,也能駕輕就熟地將量子力學應用到其他領域。事實上,在較早的時候,對于斯通納等人提出的白矮星的密度上限,他頗為支持,并為他們穿針引線,將他們的在《皇家天文學會月刊》上。而為何在面對錢德拉時,愛丁頓卻言之鑿鑿,不贊成將這兩大理論結合起來,用于恒星坍縮問題呢?很可能,他只是心理因素在作怪——物質竟然可以壓縮到體積接近于零的程度,這個觀念太荒謬了。那些物質能去哪呢?當時的愛丁頓52 歲,他所接受的教育讓他認為,已知的宇宙相當簡單,所以,他肯定,宇宙不會像錢德拉描述的那樣復雜。在他來看,這違背了常識。他覺得,只要用膝蓋想想,就可以碾碎錢德拉的結論,忽視掉任何讓他不悅的理論。英國科學史學家亞瑟 米勒認為,愛丁頓對錢德拉之所以公然嘲笑,其主要原因是想保護他已為之工作了8 年的一個奇異的數學體系。這個他所珍視的項目,目的是自然而然地同時推導出自然界的物理常數和宇宙中的粒子數,錢德拉的發現把他多年來的辛苦研究推到了危險的境地。如果相對論簡并性成立的話,愛丁頓的“基本理論”就會一無是處。

所以毫不奇怪,愛丁頓依然堅決持反對意見。1936 年,在哈佛大學,他繼續稱錢德拉的白矮星極限為“星級玩笑”。面對責難,錢德拉作為紳士,表現出一貫的謙謙君子的優雅,泰然處之。加拿大物理學家維爾納 伊斯雷爾說,在那個時候,“辯論是一項體育運動,就像打板球一樣。打完之后,你可以到公共休息室去,和其他人干一杯”。盡管學術意見不一致,這兩位科學家還是保持著友好的關系。他們繼續一起喝茶,一起參加體育活動或結伴騎自行車。錢德拉確信自己的分析是正確的,他認為時間會證明一切。所以,盡管當時的天文學家以異樣的眼光看待他,讓他的內心無比煎熬,他仍保持了極大的耐心。“他們認為我就像堂 吉訶德,企圖殺死愛丁頓。”四十多年后的他方才坦言,“你可以想象,與天文學界的領軍人物對抗,這對我來說,是一段多么令人沮喪的經歷。”

來自英國頂級科學家的嘲笑對這位年輕的科學家而言,確實是屈辱和挫折。二十多年后,“錢德拉塞卡極限”——白矮星質量能達到的□高限度,才作為一個基本參數出現在天體物理學的教科書上。1983 年,錢德拉因此獲得了諾貝爾物

媒體評論

亞當 里斯 2011年諾貝爾物理學獎得主

一本引人入勝,帶來燒腦快感的讀物……芭楚莎為讀者提供了□前沿的視角,觀看世界上□出色的科學家們如何挑戰宇宙中□奇怪的東西:黑洞。

沃爾特 艾薩克森 《喬布斯傳》(Steve Jobs)、《本杰明 富蘭克林傳》(Benjamin Franklin)及《愛因斯坦傳》(Einstein)作者

瑪西亞 芭楚莎為我們帶來了一場奇妙的黑洞之旅,展示了這個概念的美和神秘,以及許多大科學家包括愛因斯坦和霍金都為之感受到的好奇或者癡迷。

華爾街日報》

你不需要博士文憑,也能享受這本講述黑洞如何從古怪理論變為必備常識的曲折故事……這是一個很美麗的案例研究,敘述了科學觀點如何通過靈感、思索以及□終的觀察而得以成長。

華盛頓郵報》

黑洞簡史》是一本閃耀著光芒的佳作……這本充滿智慧的書□有趣的地方之一,就是看歷史上的物理學家們如何各顯神通地否認、鄙視黑洞理論。啪啪啪地打臉。

科克斯書評》

這是一本上乘的科學佳作,與那些令人生厭的科學人物傳記不同,芭楚莎摒棄了乏味的人物事件和讓人無法喘息的語言,撰寫了這本十分有趣而雋永的書。

出版商周刊》

芭楚莎對科學理論生動簡明的敘述以及對科學家背后人格之深刻洞察,讓這本書娛樂性和嚴謹性兼備。一本難得的佳作。

新科學家》

愛因斯坦把宇宙徹底弄亂后,又拼命想要在里面尋找某種秩序,這個諷刺的事實并沒有困住芭楚莎。這本筆觸輕盈、富有趣味性的著作中包含了大量學問。

科學新聞》

黑洞簡史》生動有趣,幽默的個人風格非常強烈,更清晰記錄了許多大事件背后的科學歷程。芭楚莎不愧為一名備受贊譽的科普作家。

空間評論》

芭楚莎詳細地講述了黑洞興起的故事……為我們帶來一段清晰而且完整的歷史……從18世紀對質量大到光都無法逃逸的星球的沉思,到今天對真正存在的黑洞的研究,都盡有敘述。

旁觀者》

生動有趣……如果你想知道過去一百年里黑洞概念經歷了怎樣戲劇性的變化,就翻開這本書吧。黑洞從表面上的數學謬誤變成了迄今為止我們所知道的□奇怪、奇特的物體。

科學美國人》

芭楚莎的書追溯了黑洞在科學史上經歷的曲折歷史……其中包含了很多歷史上著名物理學家的趣聞軼事。

論壇雜志》

若換成別的科普作家來寫這個題材,或許要費盡心思才能把它寫得有趣一些,但芭楚莎做起來卻舉重若輕。除了對硬科學外,芭楚莎對科學歷史和人物研究也頗下功夫。哪怕患有□嚴重的科學恐懼癥的讀者,也能從這本書中得到滿意而愉悅的閱讀體驗。

泰晤士高等教育》

生動有趣的作品……絕不用擔心閱讀時會感到枯燥。芭楚莎出色地記錄了人類理解黑洞的曲折歷程,從牛頓到愛因斯坦,再到今天我們嘗試將萬有引力擴展到量子領域的努力。

經濟學人》

芭楚莎以生花妙筆為科學體制本身畫像,揭示了它的潛在規范以及塑造其演變路徑的人物個性……敘述了一個尚待繼續展開的理念的背景故事。

文學評論》

對一段精彩歷史而且可讀性很強的記敘。

普通讀者》

一本妙筆生花的好書,非常注重歷史細節,出人意料地展現了大量記敘詳盡的檔案資料,精彩絕倫地敘述了黑洞與廣義相對的歷史。

展望雜志》

這是一部分析擘肌分理、解釋入木三分的黑洞簡史。

牛津人書評》

這本書展示了黑洞的發現史和不斷發展的相關科學原理,芭楚莎以奇異新穎、富有個人特色的風格闡述了宇宙中□狂暴的天體與事件,強力推薦閱讀。

戴瓦 梭貝爾 《經度》(Longitude)作者

天文學家花了五十年功夫,將黑洞從一個可笑的概念變成每個星系當中□重要的核心存在,瑪西亞 芭楚莎在本書中也完成了同樣的壯舉。這是一本讓人無法抵抗的作品。

雷 賈亞瓦德納 《微中子獵人》(Neutrino Hunters)作者

一本迷人而又權□的作品。從概念猜想到無可逃避的現實,黑洞永遠是那么不可思議。芭楚莎講述了一個離奇曲折、充滿好奇、智力碾壓和孤注一擲的精彩故事。

阿蘭 萊特曼 《愛因斯坦的夢》(Dreams and The Accidental Universe)作者

芭楚莎的新書研究透辟,文筆優美,充滿對科學事業本質的深刻洞察——黑洞迷會愛死這本書的。

網友評論(不代表本站觀點)

來自shineyo**的評論:

給單位圖書館買的書,還不錯。

2017-10-09 13:09:48
來自無昵稱**的評論:

給孩子了解我們的世界

2017-10-12 13:44:04
來自粉紅色**的評論:

很不錯的書,很喜歡

2017-10-23 19:05:31
來自兵之戈**的評論:

書到了,慢慢看

2017-10-26 21:53:53
來自寶鈦**的評論:

書質量好,當當發貨快,服務好,點贊!

2017-10-29 23:43:26
來自無昵稱**的評論:

老師推薦書目,孩子喜歡看

2017-11-04 13:38:13
來自2012微**的評論:

值得讓孩子看看!

2017-11-05 15:29:53
來自無昵稱**的評論:

不錯的商品,已經多次購買

2017-11-07 13:43:57
來自born**的評論:

可做一般性閱讀

2017-11-09 11:34:14
來自無昵稱**的評論:

想了解宇宙的人,這本書值得推薦

2017-11-11 20:01:40
來自luerbab**的評論:

書本身沒問題,很好的書,說下物流,8點買,該當日達的,1點多到達附近站點一直沒配送,23點物流狀態改成臨時人員配送,緊跟著趕成客戶推遲收貨,請問你一個電話都沒有我就推遲了?第二天依然沒送,并且改成同樣理由,打了電話給客服回答是給催,第三天下午3點半來了,請問你同城快遞這個速度合理嗎?不配送理由能不能改成你們自己原因?憑空說客戶推遲你們還要不要誠信????

2016-11-01 22:42:08
來自匿名用**的評論:

黑洞簡史:對黑洞的理解左右著人類對宇宙未來的預測 可以的,紙質不錯,給小朋友買的,就是物流慢了點,打折時實惠,買了幾本書

2017-06-28 15:32:39
來自無昵稱**的評論:

兒子喜歡呢,就是不知道他有時間看不,初三了學習有那么緊張了

2016-10-15 18:35:36
來自匿名用**的評論:

燒腦燒腦但是很有意思看起來很累但是很開心

2017-01-04 21:27:09
來自***(匿**的評論:

非常喜歡看科普的書,趁著搞活動優惠買了一批書。

2017-01-17 11:45:30
來自小丸子1**的評論:

這是六歲的孩子強烈要求買給她的書,他竟然能堅持看了半本,佩服佩服。

2017-03-13 09:01:21
來自看***潔**的評論:

一口氣讀完,最為科普書,寫的不錯,不需太多基礎知識。

2017-05-20 17:37:17
來自小魔王2**的評論:

面對無邊的宇宙,感到一種宏大的力量,讓你豁達

2016-10-16 08:19:18
來自喬***0(**的評論:

這本書是我用來買給別人的禮物,結果讓我非常非常的滿意,物流也很快,很棒很棒很棒很棒很棒很棒。下次還在他家買。

2017-06-28 23:46:34
來自近***生**的評論:

內容非常好,就是有個小小的建議,內文插圖如果是彩版就好了,希望能出銅版紙的,而且這種紙和這種印刷,價格偏貴了,雖然在中國買書已經很便宜了

2017-02-06 15:54:02
來自匿名用**的評論:

黑洞簡史:對黑洞的理解左右著人類對宇宙未來的預測 一天看完,很不錯,文字流暢不枯燥,大概了解了黑洞,順便了解了近代物理界的泰斗們,普通人大概了解就行了,想得太多容易鉆牛角尖

2017-03-14 11:55:50
來自無昵稱**的評論:

科普類天文學普及書,翻譯的很好,插圖精美,正在研讀。湖南科學技術出版社的一向贊,引進國外黑洞研究成果,值得學習。新書正版,包裝好,配送上門,好評!

2016-11-01 00:15:55
來自無昵稱**的評論:

對于這本書我是不感興趣哈哈,只是孩子喜歡的不得了,天天叨叨黑洞,興趣所致,希望孩子讀過之后,能夠了解他想了解的東西

2017-11-14 11:07:46
來自只影而**的評論:

買來打發時間看的,這本書的名字和封面逼格很高啊,內容當然都是根據地球上的物理知識來推測啦,黑洞這玩意,人類再發展個幾百年都不一定能掌握它的特性吧。

2016-12-20 13:37:56
來自真***(**的評論:

時間簡史,黑洞簡史,對宇宙的探索和了解越來越多了

2017-03-31 15:57:40
來自哥倫布1**的評論:

宇宙中有許多的奧秘,黑洞是其中之一,這本書對黑洞的奧秘給予解答。

2016-10-26 10:43:00
來自匿名用**的評論:

一本引人入勝,帶來燒腦的快感的讀物。對黑洞的理解,左右著我們對宇宙未來的預測。黑洞是美麗的,神秘的,許多科學家都為之感到好奇或者癡迷。

2017-06-22 10:40:55

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