书名：给好奇者的暗黑物理学

出版社： 北京联合出版公司

ISBN：9787559626165

版次：1

商品编码：12458258

包装：精装

丛书名： 未读·探索家

外文名称：Les idées noires de la physique

开本：32

出版时间：2018-09-01

用纸：轻型纸

页数：240

字数：90000

★聚焦宇宙科普中五个zui吸引人的主题：黑夜、黑体、黑洞、暗物质、暗能量，讲述它们的发现史和引发的科学革命，如黑夜之于宇宙膨胀、黑体之于量子革命、黑洞之于大统一理论……

★科普与人文跨界呼应，综合哲学、艺术、文学的新视角，用文科生看得懂的语言，使你获得科学与人文素养的双重提升。有爱因斯坦的相对论，也有保罗?萨特的哲学，有霍金的黑洞，也有波德莱尔的诗句……

★以艺术的姿态呈现宇宙“暗黑”之美。硬壳精装，工艺考究，法国先锋插画家斯科特独具风格的插画极具感染力，阅读科学也可以充满美感和诗意。随书附赠超酷【暗黑物理学】主题明信片。

★《世界报》《天文学》《科学与未来》力荐。Youtube 作者讲书高票点击量，Goodreads高分图书 两位作者在多个平台网站讲书，吸引几十万忠实听众；原版书多次加印再版，口碑不衰。

★《给忙碌者的天体物理学》后，“未读?探索家”又一现代人不得不看的科普通识读本。

黑色的夜空，几百年来让天体物理学家们魂牵梦萦；黑体辐射的研究孕育了随后的量子革命；黑洞一直是宇宙中zui富魅力的独特存在；暗物质与暗能量则是当代宇宙学里zui神秘的假说……

黑体、黑洞、暗物质、暗能量——为什么物理学家喜欢用“黑暗”一词来形容这些晦涩的科学发现呢？这个问题引导我们回顾物理学历史，思考其中的一些关键点。

罗兰?勒乌克和文森特?博滕斯，通过追溯这些物理概念的发展演变史，深入探究“黑/暗”在不同的领域分别代表了什么，试图在物理的复杂性中驱散黑暗，让人能够从物理学的“黑概念”里得到收获与启发。

罗兰 勒乌克(Roland Lehoucq)：法国科普作家，法国原子能委员会天文学家，宇宙拓扑学专家，任教于巴黎政治学院，著有《黑洞》《外星人有几根手指？》等。

文森特 博滕斯（Vincent Bontems）：法国科学哲学家，在法国原子能委员会实验室工作，著有《巴什拉》《机器：知识的工具》等。

前言 物理学中的黑概念 2

Part 1 7

A 黑色的夜空 7

膨胀的宇宙 10

最古老的光是何时发出的？ 11

我们能看到宇宙视界之外的地方吗？ 11

B 为什么夜空是黑色的 12

黑色的透明性：半透明介质 13

彩色的夜空 14

星座的黑色盒子 15

黑的选择 16

Prat 2 18

A 黑体 18

黑体之谜 19

黑体是真实存在的吗？ 22

最冷的黑体 23

B 黑体辐射 24

物体的暗黑性 26

黑色射线 26

潜意识的黑暗意识 29

Part 3 30

A 黑洞 30

黑洞是什么？ 31

在黑洞视界的边缘 33

在怪物的肠道中 34

一个不是那么黑的洞…… 35

宇宙旋涡 36

B 黑洞引力 38

宇宙坍缩 39

忧郁的星体 40

黑洞的光辉 42

Part 4 44

A 暗物质 44

暗物质的发现 44

星系中的暗物质 45

星系团中的暗物质 46

宇宙幻象 47

宇宙中的暗物质 47

原始核聚变 48

一个新的定律？ 49

暗物质的属性可能是什么？ 49

B 暗物质的炼金术 51

一种比黑色更黑暗的黑色 52

苦炼 54

宇宙的阿尼玛 54

宏观宇宙和微观宇宙的结合 55

Part 5 57

A 暗能量 57

令人惊奇的观测结果 59

解释的过剩 60

B 暗能量之谜 63

黑暗的教训 65

谁会杀死宇宙？ 65

实体的迷幻 68

不必失望：并非一切都是黑色的！ 71

结语 黑色的统治 72

 

黑洞是什么？

我们都知道，一个被抛向高空的球在达到最大高度后会最终落地，抛球的力气越大，球的高度就越高。这是地球重力的一个表现，因为地球的重力会将所有的东西向地心拉去。球的高度会随着初始速度的平方增加：抛球的速度快两倍，球的高度就是原来的四倍。如果抛球的速度足够快，超过每秒11.2千米（约每小时4万千米），球就不会再落到地球上，而是会彻底摆脱地球的引力。只有行星际探测器的发射器才能达到这个足以摆脱地球引力的速度，让我们可以看到我们身处的太阳系。这个逃逸速度与行星的质量和半径的商的平方根成正比，一个比地球大4倍或小4倍的行星的逃逸速度会是地球的两倍。光的速度约为每秒30万千米，拉普拉斯算出，为了让光线无法逃逸，一个与地球密度相同的恒星的半径应为：太阳半径的250倍。显然，拉普拉斯公式只适用于经典物理学中的物质抛射体，不能先验地适用于粒子——即光子-——质量为零的光线。

关于引力对光产生影响的缜密研究必须在爱因斯坦于1915年发表的广义相对论的框架内进行。这个理论指出，引力的作用实际上是时空的几何表现，它本身是建立在物质和能量分配之上，时空因它而变形、弯曲了。自由运动的粒子必须沿着新几何中较短的线，也就是短程线来运动。因此，与经典理论相反，光虽然没有质量，也会受引力影响，或者更准确地说，是受时空的弯曲影响，它的轨迹在一个巨大的物体附近会偏转。英国天文学家亚瑟?爱丁顿（1882—1944）在1919年的日全食期间首次验证了这一效应。在日全食期间观测到的接近太阳方向的恒星的位置与在一段时间后测量到的这颗恒星的位置之间存在着微小差异，这和爱因斯坦的计算完全相符。这是对于他的万有引力新理论的一个有力证明。今天我们知道，爱丁顿使用的实验器具太不精确了，以至于这个观察结果并不是真正有说服力的，但是，除了这个幸运的巧合之外，科学家又多次重复了这个实验，都明确证实了爱因斯坦的预言。

如果时空的弯曲会影响光线，那么在广义相对论的框架下，我们就有可能再次计算在何种条件下，星体能够限制光线的逃逸。爱因斯坦的理论证实了一个临界半径的存在，当星体的半径低于临界半径时，光线就无法从星体中逃逸。让我们出乎意料的是，计算这个临界半径的公式与由经典理论推导出的拉普拉斯公式完全相同。这个临界半径被命名为史瓦西半径，以纪念在1915年计算出这个半径的德国物理学家卡尔?史瓦西（1873—1916），这个半径和物体的质量成正比，例如，根据史瓦西的公式，要将太阳转化为黑洞，必须将它的全部质量压缩成一个半径仅为3千米的球体！

在光线和物质无法逃逸的区域外有一个球形的表面，我们称之为黑洞的“视界”（horizon）。它是一个几何表面，不是真实物体，我们赋予它这个名称是因为它和地球的“地平线”类似，都是视线范围的边界。如果说地球上的地平线位置取决于观察者的位置，那与之相反，黑洞的视界是绝对的。它是时空的边界，与观察者的位置无关，并且会将所有的事件分为两类：在视界线之外，通过光信号我们可以在任意大的距离之间进行联系，这就是我们居住的普通宇宙；在视界线之内，由于光线要向中心聚集，因此它们无法在任意两点之间自由移动，联系受到了严格的限制。例如，物质和辐射可以从外部区域传到内部区域，却无法从内向外传播。这甚至证明了“黑洞”这个在1967年由美国理论学家约翰?阿奇博尔德?惠勒（ 1911—2008）提出的术语，因为在当时这只是一个理论上的可能。惠勒是一个充满想象力，并且对最大胆的猜测也抱有开放精神的理论学家。除了“黑洞”，他还普及了很多极为新颖的概念，比如“多重世界”“虫洞”“时光倒流的粒子”，以及物质与信息之间的平行论。这些概念往往只是人们想象出的观点，但是能证明黑洞这个著名理论存在的证据出现在1971年：天体物理学家们探测到了天鹅座x-1，这个二元系统的特征表明它是由一个黑洞和一颗巨大恒星组成的。此后，在我们身处的星系中又发现了大约20个黑洞，其中最大的一个——其质量达到了400万个太阳质量——就隐藏在银河系的中心。正如文森特在下一章中所指出的那样，有一个黑洞存在于银河系中心，这冲击着我们的想象力，但黑洞本身并不是邪恶的，恰恰相反，它有利于银河系的稳定和发展演化。2002年，我们通过观测银河系中心附近的恒星轨道，发现了黑洞的存在。2022年，事件视界望远镜项目将通过结合分布在地球整个表面上的无线电望远镜的数据，来制作这个中心黑洞视界附近的图像。目前的观测还显示，在一些活动星系的中心，如M87星系，存在着一个超大质量的黑洞，其质量可以轻松超过10亿个太阳质量！

如果说黑洞似乎确实存在，仍然需要提出一个能够解释黑洞形成的机制。恒星的黑洞——其质量至少是几个太阳质量——是由于一颗大质量恒星（约为10个太阳质量以上）的中心引力崩溃而形成的。事实上，当恒星达到硅的热核燃烧阶段时，其结实的内核的质量会增加，直到变得不稳定。恒星的内核崩溃并产生一个中子恒星，而恒星的外壳则被一个名叫“超新星”的巨大爆炸吹散。1939年，美国物理学家罗伯特?奥本海默（1904—1967）指出，如果中子恒星的质量超过3个太阳质量（兰道-奥本海默-沃尔科夫极限），星体自身的引力绝对强过所有其他的相互作用，黑洞便形成了。自此，黑洞成为宇宙大爆炸的一部分，尽管长久以来，天体物理学家的工作仅限于通过观察来探测黑洞存在的间接影响。而这一情况在2015年10月发生了变化，因为美国的激光干涉引力波天文台（LIGO）首次探测到了引力波。物理学家们在所记录的振动中看到了关于一个巨大振荡的证据。在13亿光年外，有两个黑洞，质量分别是36和29个太阳质量，它们以每秒250转的速度围绕共同的重心旋转，最终合并为一个唯一的、巨大的、质量为62个太阳质量的黑洞。3倍于太阳质量的质量差已经以引力波的形式被放射掉了。

在黑洞视界的边缘

黑洞真的是通常描绘中的宇宙怪物吗？不是的！在距黑洞的距离超过黑洞的史瓦西半径时，时空与同质量的正常星体的时空是无法区分的。因此，将太阳转化为黑洞，对行星的运动没有任何影响，而将黑洞想象成一种可以在所经之处吞噬一切的宇宙吸尘器，至少也是一种夸张。只有在黑洞视界这条线附近，才会出现黑洞特有的时空变形。

我们在黑洞视界的附近会感受到什么？一种对脚和头的奇怪而强烈的拉伸感。你的身体有一定的空间延伸，它的不同部位探索着不同曲度的区域，这些不同曲度被解释为引力场的差异。我们也会在地球表面体验到这种潮汐力，我们可以很容易地观察到这个壮观的结果：由于太阳和月亮的相互作用，就有了海水的潮起潮落。在经典物理学中，重力的强度取决于物体之间的距离。因此，地球上靠近月球的区域比位于对跖点的区域更容易受到月亮的吸引，在地球的参照系中，这会引起海水的明显变形。我们的脚，因为比我们的头要更接近地球的中心，也更受地球的吸引；从我们的角度来看，这个吸引力是一个拉伸的力量，在地球表面，这个力量的强度非常微弱，不到你体重的百万分之一。在黑洞视界的附近，你的头部感受到的引力和脚部受到的引力之间的差异要明显得多。对于质量为10个太阳质量的黑洞来说，你感受到的牵引力就好像是你被吊起来，巴黎地区的人挂在你的脚踝上一样！而奇怪的是，黑洞的质量越小，这个效果反而越强。这个明显的矛盾有一个简单的解释：潮汐力的强度与造成潮汐力的星体密度成正比。由于黑洞的半径与其质量成正比，所以它的密度（与质量除以半径立方的商成正比）随着其质量平方的倒数而减小。因此，一个质量为100万个太阳质量的黑洞产生的潮汐力比一个质量为10个太阳质量的黑洞产生的潮汐力低100亿倍。所以，我们可以出入超大质量黑洞的边缘：“巨人”黑洞的巨大质量使得电影《星际穿越》的主人公能够进入黑洞之中。

由于黑洞存在而引起的时空扭曲还有另一个影响：当我们向远处的观察者发射时钟信号时，在观察者看来，时钟信号的频率仿佛变弱了。因此观察者会觉得靠近黑洞的时钟比自己的时钟要慢。时钟频率的下降也可以表现为发射光的频率下降：光线比发射时显得更红。

现在，如果你决定穿越这道视界线，并将你这一壮举的图像寄去给同事，会发生什么事呢？对你来说，在这个穿越的过程中，不会有什么特别的事情发生：黑洞的边界并没有神奇之处。相反，身处视界线之外的你的朋友永远看不到你穿过这条界线！随着你逐渐接近这条线，放映的影片似乎变慢了，因为接收两个连续图像间隔的时间越来越长。时间膨胀的原理就是，几乎相同的图像彼此相连，达到的视觉效果就是你被凝固在你穿越视界线时的位置上。而且，由于光线的变红和强度的降低，接收到的图像很快变得太弱而无法被接收。对于位置遥远的观众来说，在黑洞内部发生的这一部分旅程都是缺失的。在穿越视界线时传输的图像只能在无限的时间之后才能被接收到，而之后的图像将永远无法穿越黑洞视界这条线。