从爱因斯坦相对论到霍金辐射，关于宇宙中那些神秘的黑洞，我们已知的和未知的事。

书名：黑洞之书

定价：49.00元

作者：史蒂文古布泽

出版社：中信出版集团

出版日期：2018-10

页码：208

装帧：精装

开本：32开

ISBN：9787508693651

想了解黑洞是什么？读《黑洞之书》这一本就够了！这是一本全面简洁的黑洞科普读物，堪称“7堂极简黑洞课”，用具象的类比介绍抽象的物理知识。

《黑洞之书》特邀国家天文台“青年千人”研究员、恒星级黑洞爆发现象研究创新团组负责人苟利军教授翻译。

2015 年9月14日， 自爱因斯坦写下广义相对论方程后几乎过去了100年。两台巨大无比的探测器，一台位于路易斯安那州，另一台位于华盛顿州，正在为探测引力波做最后的准备。突然且出人意料地，探测器记录下了一串独特的啁啾信号。5个月后，在对探测器记录下的数据进行了谨慎检查的前提下，LIGO团队公开宣布了他们的探测结果。这个微弱的信号是10 亿年前两个黑洞的合并产生的，它们中的每一个都约为太阳质量的30 倍那么大。整个物理学界都为之沸腾，就好

像我们一直都是红色盲患者，突然在某个时刻眼前豁然开朗，我们生平第一次看到了一枝红玫瑰。

黑洞和引力波都是爱因斯坦广义相对论预言的结果。《黑洞之书》将从两个方面来讲述黑洞。一方面，作为天体物理的一个重要研究对象，黑洞的存在几乎毋庸置疑；另一方面，作为理论的实验室，它有助于我们锤炼对引力、量子力学及热学的理解。

黑洞可以启发我们思考一些最奇怪的问题：有朝一日，黑洞能否为我们所用？它们的内部到底有什么？掉入黑洞究竟会怎么样？或者—有没有可能我们已经身处黑洞之中却浑然不觉呢？

一个多世纪以前，爱因斯坦的广义相对论预言了黑洞的存在。从那时起，黑洞的奇异和谜一般的特性便激起了科学家和大众的好奇心。

尽管爱因斯坦知道黑洞就是他的场方程的数学解，但他却一直没有接受黑洞的物理实在，很多人也都认同他的观点。

20世纪六七十年代，这种状况发生了颠覆性的变化。新的观测结果证明了类星体和X射线双星系统的存在，而且它们的神秘特性只能用黑洞来解释，这让科学家和大众对黑洞的概念有了进一步的认知。此后，黑洞成为物理学研究的重要课题，黑洞的行为、对周围物质的影响、背后的物理学原理，比任何科幻小说都更离奇古怪和令人费解。

《黑洞之书》在简要介绍狭义相对论和广义相对论之后，从天体和理论实验室的角度介绍了物理学家利用黑洞检验引力理论、量子理论和热力学的情况。从施瓦西黑洞到旋转黑洞再到黑洞碰撞，从引力辐射到霍金辐射和信息丢失，两位物理学家用创造性的思想实验和接地气的类比方法将黑洞的奥秘娓娓道来。他们还介绍了几十年来的引力波探索历程，特别是2015年9月14日LIGO成功探测到由十几亿年前的两个黑洞碰撞产生的引力波信号，人类第一次直接观测到黑洞的存在，多信使天文学时代由此拉开序幕。

《黑洞之书》带领读者展开了一场探索黑洞奥秘的神奇之旅，令人眼界大开。

一个多世纪以前，爱因斯坦的广义相对论预言了黑洞的存在。从那时起，黑洞的奇异和谜一般的特性便激起了科学家和大众的好奇心。

尽管爱因斯坦知道黑洞就是他的场方程的数学解，但他却一直没有接受黑洞的物理实在，很多人也都认同他的观点。

20世纪六七十年代，这种状况发生了颠覆性的变化。新的观测结果证明了类星体和X射线双星系统的存在，而且它们的神秘特性只能用黑洞来解释，这让科学家和大众对黑洞的概念有了进一步的认知。此后，黑洞成为物理学研究的重要课题，黑洞的行为、对周围物质的影响、背后的物理学原理，比任何科幻小说都更离奇古怪和令人费解。

《黑洞之书》在简要介绍狭义相对论和广义相对论之后，从天体和理论实验室的角度介绍了物理学家利用黑洞检验引力理论、量子理论和热力学的情况。从施瓦西黑洞到旋转黑洞再到黑洞碰撞，从引力辐射到霍金辐射和信息丢失，两位物理学家用创造性的思想实验和接地气的类比方法将黑洞的奥秘娓娓道来。他们还介绍了几十年来的引力波探索历程，特别是2015年9月14日LIGO成功探测到由十几亿年前的两个黑洞碰撞产生的引力波信号，人类第一次直接观测到黑洞的存在，多信使天文学时代由此拉开序幕。

...

序 言 … III

甲辑 数学的故事 … 001

从大禹治水到丢勒画《忧郁》 …003

马可·波罗和阿拉伯数字的旅行 …014

公鸡、母鸡、雏鸡与兔子 …025

黄金分割与五角星的故事 …035

自行车的发明与黎曼几何学 …045

玄妙的统计：从诸葛亮借箭说起 …056

恩尼格玛，从戚继光到图灵 …066

乙辑 数学家的故事 … 077

个留名的泰勒斯 …079

畴人之家出身的祖冲之 …086

会造桥和打仗的秦九韶 …096

拿破仑与他的数学家师友 …107

皇帝、女皇与数学大咖 …119

婚礼，从婆什迦罗到拉曼纽扬 …127

冯·诺依曼的午餐和家教 …139

战俘营、棉花店与讲座 …150

丙辑 有趣的数学问题 … 161

阴阳完美数的故事 …163

埃及分数与狄多女王 …176

回文数与角谷猜想 …185

布丰的实验与蒙特卡罗 …194

堆球问题与开普勒猜想 …203

后 记 … 213

史蒂文·古布泽（Steven S. Gubser）

普林斯顿大学物理学，2017年西蒙斯物理研究员奖得主。

弗兰斯·比勒陀利乌斯（Frans Pretorius）

普林斯顿大学物理学，2017年科学突破奖“物理学新视野奖”得主。

这本书对黑洞的基础特性及其在宇宙中的存在，做出优雅且简练的介绍。我满怀热情地推荐大众读者阅读。

——罗杰·彭罗斯，英国物理学家

对于宇宙中的黑洞，我们充满好奇，这本书对我们想知道的一些情况进行了适时的、精彩的概述。在研究黑洞这个令人热血沸腾的课题方面，两位作者都是杰出的专家。

——拉斐尔·布索，美国加州大学伯克利分校理论物理学家

非常有趣，而且增长见识！这本书写作上乘、内容紧凑，更重要的是，读来有趣。

——加里·霍洛维茨，美国加州大学圣巴巴拉分校物理学家

这确实是一本又美丽的书。几乎没有哪本书能像它一样如此简明扼要地将黑洞物理学呈现在你面前。

——肖恩·哈特诺尔，美国斯坦福大学物理学家

20世纪六七十年代被称为广义相对论的黄金时代，这个时代见证了一场关于黑洞的认知革命。凭

借新的数学知识和许多研究者包括约翰·惠勒（John Wheeler）、基普·索恩（Kip Thorne）、 沃纳·伊斯雷尔、罗杰·彭罗斯和史蒂芬·霍金等］的睿智洞见，前面几章所描述的黑洞的现代理论图景在很大程度都是那时绘制的。与此同时，天文学家使用更灵敏的光学和射电望远镜更深入地观测宇宙，首次瞥见了X 射线天空的样子。我们发现了两种全新的、在当时一无所知的天体—类星体和X 射线双星，如今我们认为它们是黑洞的家。

X 射线双星是一个恒星系统，由一颗普通恒星和非常邻近轨道上的一颗看不见的伴星组成，这颗伴星可能是白矮星、中子星或者黑洞。我们认为，从可观测恒星向其看不见的伴星进行的物质转移贡献了这些系统强烈的X 射线辐射。

如果我们看不到伴星，我们又怎么知道它存在呢？答案是：借助光子的多普勒频移。多普勒频移源于可观测恒星的大气，是由双星的轨道运动引起的。原子和分子只吸收和发射特定波长（即谱线）的光子，这些谱线就成为特定原子或分子的一个独特又显著的特征。比如，钠气路灯之所以呈现明亮的黄色，是因为它发射的光子主要来自 589.0 纳米和589.6 纳米这两条钠谱线。当天文学家观察一颗恒星时，他们可以看到这颗恒星大气中原子和分子的许多吸收谱线和发射谱线。如果这颗恒星是双星系统的一部分，那么由于恒星与其伴星相互绕转运动，这些谱线将周期性地交替发生红移和蓝移。这种周期性交替的红移和蓝移现象，与我们在第3章中讨论过的变焦–旋转轨道的相关现象是一样的。

好的，现在我们知道，尽管只能观测到其中的一颗星，X射线双星也是由两颗星组成的双星系统。但是我们怎么知道在某些双星系统 —比如天鹅座X–1（Cygx–1，天鹅座中一个明亮的X 射线双星系统）—中的伴星是黑洞呢？怀疑者也许会提出，这颗伴星可能只是一颗太暗淡以致看不清

的恒星。要反驳这个观点很容易：这颗看不见的伴星太大了，因此不可能是一颗暗淡的恒星。为了具体说明这个简单的结果，我们需要借助一些额外的观测、开普勒轨道运动定律，以及恒星演化理论。首先，通过观测，我们不仅可以从多普勒频移中推断出这颗恒星处在一个双星系统中，还能其轨道的具体特性。谱线的振动周期恰好就是双星的轨道周期；多普勒频移在一个周期内的精确变化体现了轨道的椭率；频移的振幅则给出了恒星的大速度的下限。（只在我们沿轨道侧面观察时，它才是实际的大速度，然而天文学家只在极少数情况下才能推断出轨道倾角）。将这些观测值与开普勒轨道运动定律联系在一起，就可以给出双星系统中两颗星的质量之和的下限。如果我们能够计算出可见恒星的质量，就可以计算出看不见的伴星的质量。这就是需要用到恒星演化理论的地方。事实证明，一旦我们知道了恒星的表面温度和光度（这两者都可以通过直接观测来确定），仅凭恒星演化的常识就足以得出一个相当准确的质量估计。

恒星的一生都是由力的竞争来驱动的：向内的引力与向外的压力相互对抗。实际上，这个说法也适用于类地行星。但与行星不同的是，恒星的质量太大，以至于冷物质产生的压力不足以和引力相抗衡，更确切地说，至少在恒星的生命早期情况如此。a恒星是由一团主要为氢气的气体坍缩形成的。随着气体云的坍缩，其核心的压力和温度会逐渐升高，直至氢气开始发生核聚变反应。聚变以光子和中微子的形式释放出极大的能量，并进一步加热了气体云的核心，使它的热压高到足以让坍缩停止，一颗恒星就这样诞生了。从外表上看，恒星已达到了平衡，但其核心的化学成分还在不停地演化，并将氢燃料聚变成氦。至于核心的大部分氢被耗尽之后会发生什么，这取决于这颗恒星的质量。我们不想在这里赘述过多的细节和可能性，但要注意的一点是，对于质量大（10~100倍太阳质量）的一类恒星，它们的演化将会出现多个平衡阶段，被一个个的

..........