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tianlangTianlang  2021-11-19 18:00 天浪书屋 隐藏边栏 |   抢沙发  0 
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黑洞之心pdf-epub-mobi-txt-azw3
书名:黑洞之心
格式:EPUB/MOBI/AZW3
标签:黑洞 科普
ISBN:

内容简介:


如果你掉进黑洞会发生什么?
黑洞真的存在吗?
我们能看到黑洞吗?
……
黑洞简洁而神秘,任何东西都无法从中逃逸。没有人知道黑洞中心的样子。从诞生之日起,黑洞理论便成为天体物理学的研究焦点,更引发了人类无数奇妙的幻想与莫名的恐惧。
《黑洞之心》旨在向读者展示黑洞的奇幻魅力,全书尽量避开艰深难懂的术语,抛开烦琐的数学证明,通过采用两位主人公一问一答的聊天方式,在不失科学、准确的前提下,传递黑洞种种重要的特性,展现黑洞对宇宙未来的深刻影响,将相关知识娓娓道来。
从爱因斯坦到霍金,从广义相对论到新物理,本书将呈现目前人类已透彻掌握了的物理学成果,也将带读者漫步于物理学的前沿领域。
作者的文字通俗易懂,生动活泼,带领读者轻松地进行黑洞旅程之余,揭开我们宇宙中最狂暴又最迷人的天体的神秘面纱。

作者简介:


奥海良·巴罗,法国物理学家,专业领域为黑洞、粒子天体物理和宇宙学。法国格勒诺布尔-阿尔卑斯大学教授,同时就职于法国国家科学研究中心(CNRS)亚原子物理学和宇宙学实验室。他还是巴黎索邦大学哲学博士。除专业写作外,亦著有多种科普著作,获众多科学奖项。

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部分摘录:


赫 你昨晚讲的那些黑洞的故事让我无法入睡。

埃 这可太好了。

赫 你这么说就有点不太友善了啊。

埃 我可没有,我一向友善。但是,我觉得当我们思考的时候偶尔遇到想不明白,脑子转不过来的状况,其实是一件很好的事情。我也很高兴我给你对宇宙的认知带来了更多疑惑。宇宙往往比我们认识的要更加丰富、令人敬畏、吸引人、陌生,也更加令人不安。

赫 可以用这些简单易懂的话语来理解黑洞,确实很吸引人啊。

埃 我可没有说这段故事已经结束了哟。你也知道,科学从来没有给出过既有决定性又十分“完美”的解释,从来都没有。它只是在一定精确度之内给出一个我们所期望的解释,而它也没有正确与否,我们只能说对它“满意”或者“不满意”。

赫 但是,如果要超越昨天讨论的牛顿的视角(毕竟它还忽视了爱因斯坦的发现),我想我们还需要求助于大量实验。

埃 那是当然,实验以及观测是物理学的本质,它将引领我们去理解物理。但是爱因斯坦的天才之处就在于知道如何运用我们所谓的“思想实验”,并且仅靠想象的力量就发明了一个革命性的新理论。

赫 但这种在测量中产生的不一致也挺好,因为它能告诉我们是时候修改我们的模型了。

埃 对,确实如此……然而情况往往比较复杂。我来给你举个关于天体力学的例子:两个相似的问题可能有着完全不同的原因。多年前人们观测到水星和天王星并没有按照牛顿万有引力计算的轨迹运动:人们的计算结果和它们的实际位置并不相符。在水星的情况中,人们提出新的理论——相对论——来解释这个现象。但是在天王星的情况中,人们不需要改变理论模型,而是发现了一个新的星体[1],这就与水星的情况不一样了。有时候我们需要更新理论,有时候却应该审视更多。

赫 那么,著名的相对论,这个爱因斯坦的伟大理论到底讲了什么呢?它对理解黑洞有帮助吗?

埃 它真是最美妙的发明,从根本上改变了我们对时空的认知。要想了解黑洞的美妙之处,相对论可是必不可少的。最初的问题其实很简单:当我们改变了参照系,不同的坐标系之间将如何转换?也就是说当我们从一个坐标系转换到另一个坐标系,如何确定物体在空间(及时间)中的位置?

赫 这可真是一个典型的让我想合上物理课本的枯燥问题……

埃 这我明白,通常来说,这类问题确实没有什么吸引力,我也尽量避免让这个话题变得太枯燥无味,不过,这确实是非常奇妙并且值得永世传颂的功勋。但是你放心,我不会过多讨论这个问题的细节。就在此时此刻,在这座图书馆内,我们来测量一下两个事件之间的物理距离以及时间间隔。举个例子:现在我对你笑了,一秒之后,距离我两米之外的你对我回以微笑。这两个微笑的时空距离看似被明确地定义了。但是,如果有个人跑得非常快,正在以每秒20万千米的速度运动,事情又将怎样呢?

赫 你是个物理学家,又不是个运动员!

埃 我跟你说过了,这只是一个思想实验!我们并不需要真正通过实现它来理解其中的原理。我们来问问这位“超人”对这两个事件的距离测量结果是多少。此时不同就出现了,在当前情况下既有的假设以及物理规律,都没办法解释为什么这位超人跟我们的测量结果不同:他测量到的空间距离将会变短,但是他测量的时间间隔将会拉得更长。

赫 嗯,我有所耳闻,无论在何种坐标系下,光速都是不变的,你是不是忽略了这一点?

埃 不,我没有。一直以来,科学家们都知道,极限速度和不变速度都是理论模型,不必作为假设前提。

赫 我期待着我在大学的第一堂课就能学到这么多关于黑洞的知识。但是,让我们来设想一个情况:我和一个人相约一小时后见面,既然你说速度会改变时间流逝速度,如果我们当中有一个人跑着去赴约,那么在这种情况下,我们两个人的时间不就变得不同步了吗?

埃 你说得也有道理,但是事实上,由于我们的速度相较于光速实在不值一提,所以这一丁点儿差别也就可以忽略不计了。但是如果我们有一个非常精确的时钟,就会发现当速度不一样时,时钟上的时间并不会以同样的方式流淌。现在我们假设你的手表和你朋友的手表是同步的,那么在运动一段时间之后,你们的手表将不再同步。昨晚回家的时候,我走得比你更快,我们之间的年龄差就会微微缩小。即使此刻我大你几岁,但我回家的速度远远大于你的速度,如此运动一段足够长的时间,那么当我们重新坐在一起讨论时,你的年龄就会比我大了。

赫 如你所说,这思想实验可真有意思啊!但它是真实的吗?

埃 啊,就如我们之前所说的,“真实”是很复杂的。从一个角度来说,在人类的虚构幻想中,仙女和独角兽都是真的。但是我知道你真正想表达的意思是:这个实验是否真实可行?答案是肯定的,我们已经精确测量了这个效应。这时间差是真实存在的,而且这个效应在某些时候十分明显。比如,在日内瓦的欧洲核子研究中心(CERN)粒子加速器里的粒子,它的寿命十分短暂,但由于高速运动导致我们实际测得的粒子寿命是它本身的几千甚至几百万倍。这有点像我们将粒子送向了未来,也有点像如果一个人原本只有80年的寿命,但如果高速运动,他将陪伴地球度过百万年时光。对一个物理学家而言,这只是一个再寻常不过的现象,它并不是仅来自于思辨的理论。

赫 这实在太令人吃惊了,但是这和黑洞又有什么关系呢?

埃 要有耐心……在用广义相对论解释黑洞之前,我们要好好理解这个狭义相对论。

赫 当然,但是别忘了黑洞永远是“黑”的!如果说狭义相对论将时间与空间联系起来,它表明空间与时间其实是在同一个基本框架下,那么你想表达的就是空间与时间并没有本质上的不同咯。

埃 完全正确。这个基本框架我们称之为“时空”。但是狭义相对论的内容绝不仅仅如此,它同样给出了十分著名的转化能量(E)与质量(m)的质能公式E=mc2。

赫 嘿,这听着就开始有点专业了,能量,质量……即使我们能够利用这个公式对能量和质量进行相互转化,但我想除此之外应该也没有什么能让我们对它如此欣喜若狂了吧。

埃 对于你这个观点,我不敢苟同。这个公式极其深刻且具有革命性。

赫 你这么说就是为了激励我吗?

埃 不,因为事实就是这样。它之所以被称作革命性的公式,是因为它能用“拥有”来制造“存在”。能量能被一个物体拥有,任何东西都能消耗掉能量或者获得更多能量。能量转化成质量,换句话说就是变成“存在”,这就像凭借一本书书页的形态或封面的颜色制造出另一本新书,但并不损坏原来的书!

赫 你别跟我说得这么隐晦啊。

埃 你可千万不要僵硬地逐字逐句地理解它。

赫 我知道实际情况总是更加复杂。让我们回到物理上,拉瓦锡[2]曾说:“没有任何东西丢失,也没有任何东西产生,所有的物质都在相互转化。”这么表达是不是错的?

埃 没错,从粒子的角度来看这的确是错的。就如我之前跟你说的,一个粒子的运动就可以产生另外的新粒子。现实中这些小球的数量并不是一个固定不变的数字。

赫 但是我们说的这些好像和黑洞还是没什么明显的联系啊……

埃 我们已经快接近真相了。爱因斯坦可从来没有在这条道路上停止思考,他也希望能用新的模型来重新描述宇宙的万有引力。对牛顿来说,地球围绕着太阳运动是因为我们的星球正受到一个超距离的、特殊的力,这个力也使得地球的运动轨道呈椭圆形。并且引力有一个最重要的特性,就是它以同一种方式作用于所有的物体之间。

赫 多么民主的力!然而一个100千克的物体和一个10千克的物体,为什么它们会以同样的方式下落呢?

埃 对,一个确实比另一个质量更大一些。但是由于质量越大的物体越难移动,所以这得到了补偿,从而导致两个物体以同样的方式下落。

赫 为什么我们要谈论“力”呢?毫无疑问,如果考虑运动轨迹是由空间形状决定的,这样理解可能更简单一些,因为所有物体都遵循着相同的曲线运动。

埃 你刚刚所说的就是爱因斯坦的等效原理的核心所在。不要将引力看作一种力,而是看作一种空间的变形,更准确地说,是时空的变形。就如我们刚刚所说,时间与空间是紧密联系的。

赫 但是物体围绕黑洞旋转或是掉入黑洞仍然是引力所致的啊!

埃 以牛顿力学的观点来看,确实如此。但是爱因斯坦的相对论认为,这些物体只是以一条“尽可能直”的轨迹穿过被黑洞弯曲的空间。这样的观点也同样可以解释行星围绕恒星的运动。

赫 所以说这就是描述同一件事情的另一种方式啊。

埃 如果这仅仅是解释一颗核桃从树上掉落,那么你的总结是正确的。但是对于黑洞这种极限问题,爱因斯坦的相对论可以解释一些牛顿力学体系不能解释的问题。来看看这张图:这是一张黑洞周围情况的模拟图,你可以看到,黑洞不仅像一个黑暗的圆盘,而且它使周围的星空发生了明显的扭曲。

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tianlang
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这个人很懒,什么都没写

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