【摘 要】
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新看 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。近期，天文学家召开全球新闻发布会，宣布首次直接拍摄到黑洞的照片。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
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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。近期，天文学家召开全球新闻发布会，宣布首次直接拍摄到黑洞的照片。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。以下便是本书作者为爱因斯坦写的一封信。
我们不相信时间旅行，也不热衷神秘主义，但如果我们能给阿尔伯特-爱因斯坦写一封信，用几段文字告诉他关于引力和黑洞的研究进展，我们会这样写：
亲爱的阿尔伯特，
你是最出色的。人人都知道的物理学方程就是E=mc2。《时代周刊》将你评选为“世纪人物”。关于爱因斯坦的笑话再也没人讲了，因为每个人都知道那并不好笑。尽管我们已经拥有了许多核武器，但是我们还没把自己炸飞。事实上，在“二战”结束前投掷的那两颗原子弹是核武器仅有的一次用于杀戮的目的。
如今，我们对广义相对论和黑洞更感兴趣，因为巨大的LIGO探测器成功探测到发生在10多亿年前的一次黑洞碰撞发出的引力波信号。我们写了一本有关黑洞的书，因为我们知道你对施瓦西解非常感兴趣，但或许对它的物理意义不太确定，所以我们想告诉你，在你离世后的60多年中的一些相关进展。
在施瓦西解里存在一个事件视界。一旦你穿过它，除非你的速度超过光速，否则你就再也回不来了。如果你还记得施瓦西解的形式，当半径等于质量乘以牛顿引力常数的时候，它就会表现出一些奇异性，尤其是度规的时间项（我们现在称之为时移函数）消失了，那是事件视界的地方。当半径趋于零时，施瓦西解也会表现出奇异性，我们最好的理解就是这些奇异性标志着一个时空奇点，空间几何在那里失效了。如果你进入一个施瓦西黑洞，你肯定会碰到奇点，但我们不知道接下来会发生什么，甚至用“接下来”这个詞是不是合适，也值得商榷。
我们多么希望你能看到在你过世后的20多年里广义相对论研究工作的进展。约翰-惠勒是其中的核心人物。（我们跟他熟识！他和我们同在普林斯顿大学直到2008年他离开这个世界。）他让“黑洞”这个描述施瓦西解及其度规的词变得流行。—位名叫罗伊-克尔的新西兰人找到了施瓦西度规的一般化形式，用于描述旋转黑洞。这是一个相当复杂的度规！而且重要的是，它描述了拼缩恒星的终态，它们总有一些非零的角动量。
我们现在十分确信宇宙中有很多黑洞。像钱德拉塞卡、托尔曼、奥本海默和沃尔科夫等人早在20世纪30年代就说过，如果你把太多的质量放到一起，那么没有什么能够支撑住它们。具体的数字难以估算，但如果一颗恒星在核燃料耗尽后还剩下3倍的太阳质量，那么它将会坍缩成一个黑洞。更令人惊奇的是，在星系中心还有更大的黑洞。银河系中心就有一个约为400万倍太阳质量的黑洞。我们没有开玩笑！现代的观点一致认为许多星系的中心都有很大的黑洞，甚至达到几十亿倍的太阳质量。我们现在尚不清楚这些黑洞是怎么形成的，但就银河系而言，通过观测一些恒星的轨迹和黑洞的引力效应，我们确信它的中心存在黑洞。
LIGO探测到引力波实在是一项了不起的成就。LIGO是一台巨大的迈克尔逊干涉仪，每条干涉臂有4千米长。LIGO的全称是激光干涉引力波天文台。就激光本身而言，它是神奇的单色光源，聚焦好、功能强，我们可以用它们来焊接金属。与此同时，它很便宜，我们在现代唱片机上用它们取代针头。尽管我们还没能制造出会飞的汽车，但激光已被广泛使用。
总之，当时建造LIGO就是出于严谨的科学目的，并偶然捕捉到正好经过的完美的引力波，它们的波形与描述两个黑洞合并的模板相匹配，每个黑洞都约有30倍的太阳质量。全世界再次为广义相对论而折服，因为它成功描述了黑洞附近的强场区域，在那里时空被撕扯成碎片;它也描述了远场区域，在那里引力波是穿越时空的最微弱的声音。（未完）
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