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黑洞之书(精)

  • 定价: ¥49
  • ISBN:9787508693651
  • 开 本:32开 精装
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  • 折扣:
  • 出版社:中信
  • 页数:194页
  • 作者:(美)史蒂文·古布...
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  • 2018-11-01 第1版
  • 2018-11-01 第1次印刷
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导语

  

    想了解黑洞是什么?史蒂文·古布泽、弗兰斯·比勒陀利乌斯著苟利军、郑雪莹、赵雪杉译的《黑洞之书(精)》这一本就够了!一本全面而简洁的黑洞基础科普(“7堂极简黑洞课”),用具象的类比介绍抽象的物理知识。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。

内容提要

  

    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。
    史蒂文·古布泽、弗兰斯·比勒陀利乌斯著苟利军、郑雪莹、赵雪杉译的《黑洞之书(精)》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。
    这本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。

媒体推荐

    这本书对黑洞的基础特性及其在宇宙中的存在,做了优雅且简练的介绍。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
    关于宇宙中的黑洞,我们都知道些什么,这本书进行了适时的、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
    这确实是一本优秀又美丽的书。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

目录

前 言
第1章 狭义相对论
第2章 广义相对论
第3章 施瓦西黑洞
第4章 自转的黑洞
第5章 宇宙中的黑洞
第6章 黑洞碰撞
第7章 黑洞热力学
结 语
译后记

前言

  

    2015年9月14日,自阿尔伯特·爱因斯坦(AlbertEinstein)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。如果把这串信号转化成声音,那么它听起来就像微弱而低沉的捶击声。
    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(激光干涉引力波天文台)团队公开宣布了他们的探测结果。那串啁啾信号正是他们希望探测到的引力波,来自一对合并的黑洞。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。
    这是一枝多么漂亮的红玫瑰啊!LIG0团队的最佳估计表明,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。在碰撞过程中,有相当于三倍太阳质量的能量被蒸发成了引力辐射。
    黑洞和引力波都是爱因斯坦广义相对论预言的结果。广义相对论预测了在黑洞碰撞事件中,LIG0探测器将会看到的引力波类型,2015年9月14日记录下的啁啾信号就非常接近这个预言。引力波的第一次成功探测不仅证明了长久以来的理论猜想,也预示着引力波天文学时代的到来。LIG0探测器实现了几十年来我们梦寐以求的愿望。现在,我们希望能探索这个盛开着惊喜之花的全新引力花园。
    科学很难具有数学意义上的确定性,因此我们会问:LIGO团队的解释有多大把握是正确的,即这个微弱的声音来自10亿年前两个黑洞的合并?答案是:非常确定。所有证据都与这个结论相吻合。两台探测器都记录下了这个信号,附近似乎也没有发生什么能解释这个信号的事件。对于此前的探测技术来说这个信号实在太微弱了,但对于现在的设备来说,它已经足够强了。双黑洞在10亿年前合并的假设也未与一般的天体物理学和宇宙学理论发生冲突。关键的一点是,我们有希望能探测到更多此类事件去验证它。事实确实如此,LIGO团队后来又宣布了第二例被证实的引力波事件,发生在2015年的圣诞节,第三例事件发生在2017年1月4日,这些事件与第一次的发现大体一致,因此我们应该有充分的信心认为LIGO真的探测到了双黑洞合并事件。总而言之,我们相信现在正是天体物理学新时代的黎明时分,黑洞将在未来扮演关键角色。
    在本书里,我们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。在第1章和第2章里,我们将以狭义相对论和广义相对论作为开场白。在之后的章节中,我们将一一讨论有关施瓦西黑洞、自转的黑洞、黑洞碰撞、引力辐射、霍金辐射和信息丢失等问题。
    那么,黑洞到底是什么?从本质上说,它是一个时空区域,物质一旦被拉入这个区域,将无法从中逃逸(图0—1)。让我们来看一下最寻常的黑洞,即所谓的“施瓦西黑洞”,它是以其发现者卡尔·施瓦西(Karl Schwarzschild)的名字广义相对论方程得到的弯曲时空几何结构来解释。可以肯定的是,下落的物质会使事情变得复杂一些,但我们对普通物质落入黑洞的行为也有不错的理解。如今,我们甚至已经有了较好的黑洞碰撞的数值模拟,这本书第6章的主要内容之一就是解释这是如何实现的,以及这对像LIGO这样的探测实验有什么意义。
    事情的奇怪之处就在于黑洞并不黑。借助量子力学,史蒂芬·霍金(Stephen Hawking)证明了黑洞有一定的温度,这跟它们表面的引力相关。事实上,专门有一个名为“黑洞热力学”的研究领域,致力于研究黑洞解的几何特征与我们熟悉的热学特征(比如温度、能量和熵)之间的精确对应关系。甚至有观点认为,在宇宙遥远区域的黑洞内部会发生重叠,编码出一种名为“纠缠”的量子效应。我们将在本书的第7章介绍这部分内容。
    黑洞持续地吸引着科学家们的好奇心。天文学家一直在寻找关于自转黑洞特征的更精确的证据,现在他们热切期望与引力波天文台合作,以进一步理解与黑洞合并相关的灾难性事件。这只是引力波天文学的开端,全世界正在努力建造引力波探测网络,包括美国(华盛顿州汉福德和路易斯安那州利文斯顿的两台LIGC)探测器)、欧洲(Virgo和GEO600)、日本(KAGRA)、印度(LIGO India)等国家和地区。同时,弦理论物理学家们从更高维度研究黑洞,不仅将其作为探索引力的量子效应的方法,还将其与重离子碰撞、黏性流体和超导体等物理现象进行类比。黑洞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?或者一有没有可能我们已经身处黑洞之中却浑然不觉呢?
    

后记

  

    很高兴看到我和我的学生一起翻译的《黑洞之书》终于出版了,这是一本我很喜欢的书。
    翻译此书的初衷是带有一些私心的。我自己从事黑洞研究,而且指导学生做相应的研究。学生需要一本相对简单、全面、权威且包含学界研究最新进展的黑洞入门读物,这本篇幅精炼的《黑洞之书》就完全满足了我的这些需求,所以当中信出版社科普工作室邀请我翻译此书的时候,我欣然答应了。
    黑洞是宇宙间最为简单却又极为神秘的一类天体,这本书介绍了黑洞的发现历史、基本知识以及它的研究现状和最新进展。牛顿提出的万有引力定律,可以说是人类认识史上的一件巅峰之作,黑洞概念的雏形就是由18世纪的数学家拉普拉斯在牛顿定律的基础上提出来的。然而,对于黑洞的现代描述却是建立在爱因斯坦的广义相对论的基础之上。在广义相对论提出的几个月之后,当时身处俄国前线的德国物理学家卡尔·施瓦西依然心系科研,在战壕之中得到了爱因斯坦方程的第一个黑洞数学解,它描述了没有转动黑洞周围的时空几何。不幸的是,因为身染重疾,几个月后施瓦西就在前线过世了。为了纪念施瓦西的重要贡献,后人将此解命名为施瓦西解。
    宇宙间的天体通常都有自身的转动,更符合实际情况的克尔解的出现让人们等待了将近50年。直到20世纪60年代初,爱尔兰数学家罗伊·克尔得到了旋转黑洞的精确解,这也是对宇宙间普遍真实存在的黑洞周围几何的理论描述。就在同一时期,随着x射线天文学的出现与兴起,第一个后来被确认为黑洞的系统——天鹅座x—l——被观测到,作为20世纪60年代的四大天文学重大发现之一的类星体,在后来也被确认为与超大质量黑洞有关。这些理论和观测的发展齐头并进,激发出物理学家和天文学家的研究兴趣与热情,自此,对于黑洞的研究进入了黄金时期。我们现在所知道的大部分关于黑洞的知识和问题就是在20世纪六七十年代完成的,约翰·惠勒、基普·索恩、史蒂芬·霍金等是这一黄金时期的代表人物。
    在对单个黑洞的研究趋向成熟之际,黑洞研究的热点逐渐转向了双黑洞的合并及其产生的引力波,这也是伴随着计算机的成熟而逐渐发展起来的。索恩教授是这方面的先行者,他不仅大力发展用来探测引力波的地面装置,也发展团队开展相对论数值模拟,计算两个黑洞的合并。从20世纪90年代筹建地面设备开始,经过一次大规模的设备升级,2015年9月14日,美国的激光干涉引力波天文台(LIGO)终于探测到了距离地球10亿光年的引力波。这是对爱因斯坦广义相对论的再一次验证,让我们不禁感叹爱因斯坦理论的伟大。这一年也恰好是广义相对论发表1 00周年,此时发现引力波极具纪念意义。引力波的直接探测,还为人类探索宇宙打开了一个全新的窗口。通过引力波,科学家们又一次发现了一些前所未见的现象,比如,大质量的恒星级黑洞。这些新的发现不断地改变着我们对宇宙天体的认识,索恩教授作为LIG0项目的领军人物之一,喜获2017年诺贝尔物理学奖。 这些历史故事都穿插于此书的各个章节中。除此之外,对于大家所好奇的冻结星问题、黑洞中心能否实现时空倒流等问题,本书也都有提及。需要说明的是,虽然最初翻译此书藏有一点儿私心,但这本书不仅适合想了解黑洞的学生,同样适合想对黑洞有更多了解的没有专业背景的读者。在此书翻译和校对的过程当中,就某些疑难问题请教了我的同事、国家天文台的陆由俊老师,在此表示衷心感谢。本书经过译者和编辑的共同努力,希望能够把最好的内容展现给读者。愿读者通过阅读此书,能够对宇宙神秘天体多一分了解,少一分神秘,从而扩展自己的知识疆域。 是为记,纪念辛苦的翻译和不易的出版。