標簽： 365《給好奇者的暗黑物理未讀unread | 分類： 新書書訊 |
不知黑，焉知宇宙？
只看過霍金講宇宙，你將錯過宇宙一半的精彩
黑夜、黑體、黑洞、暗物質、暗能量
講述它們引發(fā)的一場場科學革命
探索它們暗藏的種種文化隱喻
【基本信息】
書名：《給好奇者的暗黑物理學》
原書名：Les idées noires de laphysique
作者：[法]羅蘭·勒烏克、文森特·博滕斯
譯者：張芳
裝幀:
上市時間：2018年9月
書號：978-7-5596-2616-5
定價：49.80元
【編輯推薦】
聚焦宇宙科普中五個最吸引人的主題：黑夜、黑體、黑洞、暗物質、暗能量，講述它們的發(fā)現(xiàn)史和引發(fā)的科學革命，如黑夜之于宇宙膨脹、黑體之于量子革命、黑洞之于大統(tǒng)一理論……
科普與人文跨界呼應，綜合哲學、藝術、文學的新視角，用文科生看得懂的語言，使你獲得科學與人文素養(yǎng)的雙重提升。有愛因斯坦的相對論，也有保羅·薩特的哲學，有霍金的黑洞，也有波德萊爾的詩句……
以藝術的姿態(tài)呈現(xiàn)宇宙“暗黑”之美。硬殼精裝，工藝考究，法國先鋒插畫家斯科特獨具風格的插畫極具感染力，閱讀科學也可以充滿美感和詩意。隨書附贈超酷【暗黑物理學】主題明信片。
《世界報》《天文學》《科學與未來》力薦。Youtube 作者講書高票點擊量，Goodreads高分圖書兩位作者在多個平臺網站講書，吸引幾十萬忠實聽眾；原版書多次加印再版，口碑不衰。
《給忙碌者的天體物理學》后，“未讀·探索家”又一現(xiàn)代人不得不看的科普通識讀本。
【作者簡介】
文森特·博滕斯（VincentBontems）：法國科學哲學家，在法國原子能委員會實驗室工作，著有《巴什拉》《機器：知識的工具》等。
【內容簡介】
黑色的夜空，幾百年來讓天體物理學家們魂牽夢縈；黑體輻射的研究孕育了隨后的量子革命；黑洞一直是宇宙中最富魅力的獨特存在；暗物質與暗能量則是當代宇宙學里最神秘的假說……
黑體、黑洞、暗物質、暗能量——為什么物理學家喜歡用“黑暗”一詞來形容這些晦澀的科學發(fā)現(xiàn)呢？這個問題引導我們回顧物理學歷史，思考其中的一些關鍵點。
羅蘭·勒烏克和文森特·博滕斯，通過追溯這些物理概念的發(fā)展演變史，深入探究“黑/暗”在不同的領域分別代表了什么，試圖在物理的復雜性中驅散黑暗，讓人能夠從物理學的“黑概念”里得到收獲與啟發(fā)。
目錄
前言
Part 1 7
A 黑色的夜空 7
膨脹的宇宙 10
最古老的光是何時發(fā)出的？ 11
我們能看到宇宙視界之外的地方嗎？ 11
B 為什么夜空是黑色的 12
黑色的透明性：半透明介質 13
彩色的夜空 14
星座的黑色盒子 15
黑的選擇 16
Prat 2 18
A 黑體 18
黑體之謎 19
黑體是真實存在的嗎？ 22
最冷的黑體 23
B 黑體輻射 24
物體的暗黑性 26
黑色射線 26
潛意識的黑暗意識 29
Part 3 30
A 黑洞 30
黑洞是什么？ 31
在黑洞視界的邊緣 33
在怪物的腸道中 34
一個不是那么黑的洞…… 35
宇宙旋渦 36
B 黑洞引力 38
宇宙坍縮 39
憂郁的星體 40
黑洞的光輝 42
Part 4 44
A 暗物質 44
暗物質的發(fā)現(xiàn) 44
星系中的暗物質 45
星系團中的暗物質 46
宇宙幻象 47
宇宙中的暗物質 47
原始核聚變 48
一個新的定律？ 49
暗物質的屬性可能是什么？ 49
B
一種比黑色更黑暗的黑色 52
苦煉 54
宇宙的阿尼瑪 54
宏觀宇宙和微觀宇宙的結合 55
Part 5 57
A
令人驚奇的觀測結果 59
解釋的過剩 60
B
黑暗的教訓 65
誰會殺死宇宙？ 65
實體的迷幻 68
不必失望：并非一切都是黑色的！ 71
結語
【內文試讀】
黑洞是什么？
我們都知道，一個被拋向高空的球在達到最大高度后會最終落地，拋球的力氣越大，球的高度就越高。這是地球重力的一個表現(xiàn)，因為地球的重力會將所有的東西向地心拉去。球的高度會隨著初始速度的平方增加：拋球的速度快兩倍，球的高度就是原來的四倍。如果拋球的速度足夠快，超過每秒11.2千米（約每小時4萬千米），球就不會再落到地球上，而是會徹底擺脫地球的引力。只有行星際探測器的發(fā)射器才能達到這個足以擺脫地球引力的速度，讓我們可以看到我們身處的太陽系。這個逃逸速度與行星的質量和半徑的商的平方根成正比，一個比地球大4倍或小4倍的行星的逃逸速度會是地球的兩倍。光的速度約為每秒30萬千米，拉普拉斯算出，為了讓光線無法逃逸，一個與地球密度相同的恒星的半徑應為：太陽半徑的250倍。顯然，拉普拉斯公式只適用于經典物理學中的物質拋射體，不能先驗地適用于粒子——即光子-——質量為零的光線。
關于引力對光產生影響的縝密研究必須在愛因斯坦于1915年發(fā)表的廣義相對論的框架內進行。這個理論指出，引力的作用實際上是時空的幾何表現(xiàn)，它本身是建立在物質和能量分配之上，時空因它而變形、彎曲了。自由運動的粒子必須沿著新幾何中較短的線，也就是短程線來運動。因此，與經典理論相反，光雖然沒有質量，也會受引力影響，或者更準確地說，是受時空的彎曲影響，它的軌跡在一個巨大的物體附近會偏轉。英國天文學家亞瑟·愛丁頓（1882—1944）在1919年的日全食期間首次驗證了這一效應。在日全食期間觀測到的接近太陽方向的恒星的位置與在一段時間后測量到的這顆恒星的位置之間存在著微小差異，這和愛因斯坦的計算完全相符。這是對于他的萬有引力新理論的一個有力證明。今天我們知道，愛丁頓使用的實驗器具太不精確了，以至于這個觀察結果并不是真正有說服力的，但是，除了這個幸運的巧合之外，科學家又多次重復了這個實驗，都明確證實了愛因斯坦的預言。
如果時空的彎曲會影響光線，那么在廣義相對論的框架下，我們就有可能再次計算在何種條件下，星體能夠限制光線的逃逸。愛因斯坦的理論證實了一個臨界半徑的存在，當星體的半徑低于臨界半徑時，光線就無法從星體中逃逸。讓我們出乎意料的是，計算這個臨界半徑的公式與由經典理論推導出的拉普拉斯公式完全相同。這個臨界半徑被命名為史瓦西半徑，以紀念在1915年計算出這個半徑的德國物理學家卡爾·史瓦西（1873—1916），這個半徑和物體的質量成正比，例如，根據史瓦西的公式，要將太陽轉化為黑洞，必須將它的全部質量壓縮成一個半徑僅為3千米的球體！
在光線和物質無法逃逸的區(qū)域外有一個球形的表面，我們稱之為黑洞的“視界”（horizon）。它是一個幾何表面，不是真實物體，我們賦予它這個名稱是因為它和地球的“地平線”類似，都是視線范圍的邊界。如果說地球上的地平線位置取決于觀察者的位置，那與之相反，黑洞的視界是絕對的。它是時空的邊界，與觀察者的位置無關，并且會將所有的事件分為兩類：在視界線之外，通過光信號我們可以在任意大的距離之間進行聯(lián)系，這就是我們居住的普通宇宙；在視界線之內，由于光線要向中心聚集，因此它們無法在任意兩點之間自由移動，聯(lián)系受到了嚴格的限制。例如，物質和輻射可以從外部區(qū)域傳到內部區(qū)域，卻無法從內向外傳播。這甚至證明了“黑洞”這個在1967年由美國理論學家約翰·阿奇博爾德·惠勒（1911—2008）提出的術語，因為在當時這只是一個理論上的可能?；堇帐且粋€充滿想象力，并且對最大膽的猜測也抱有開放精神的理論學家。除了“黑洞”，他還普及了很多極為新穎的概念，比如“多重世界”“蟲洞”“時光倒流的粒子”，以及物質與信息之間的平行論。這些概念往往只是人們想象出的觀點，但是能證明黑洞這個著名理論存在的證據出現(xiàn)在1971年：天體物理學家們探測到了天鵝座x-1，這個二元系統(tǒng)的特征表明它是由一個黑洞和一顆巨大恒星組成的。此后，在我們身處的星系中又發(fā)現(xiàn)了大約20個黑洞，其中最大的一個——其質量達到了400萬個太陽質量——就隱藏在銀河系的中心。正如文森特在下一章中所指出的那樣，有一個黑洞存在于銀河系中心，這沖擊著我們的想象力，但黑洞本身并不是邪惡的，恰恰相反，它有利于銀河系的穩(wěn)定和發(fā)展演化。2002年，我們通過觀測銀河系中心附近的恒星軌道，發(fā)現(xiàn)了黑洞的存在。2022年，事件視界望遠鏡項目將通過結合分布在地球整個表面上的無線電望遠鏡的數(shù)據，來制作這個中心黑洞視界附近的圖像。目前的觀測還顯示，在一些活動星系的中心，如M87星系，存在著一個超大質量的黑洞，其質量可以輕松超過10億個太陽質量！
如果說黑洞似乎確實存在，仍然需要提出一個能夠解釋黑洞形成的機制。恒星的黑洞——其質量至少是幾個太陽質量——是由于一顆大質量恒星（約為10個太陽質量以上）的中心引力崩潰而形成的。事實上，當恒星達到硅的熱核燃燒階段時，其結實的內核的質量會增加，直到變得不穩(wěn)定。恒星的內核崩潰并產生一個中子恒星，而恒星的外殼則被一個名叫“超新星”的巨大爆炸吹散。1939年，美國物理學家羅伯特·奧本海默（1904—1967）指出，如果中子恒星的質量超過3個太陽質量（蘭道-奧本海默-沃爾科夫極限），星體自身的引力絕對強過所有其他的相互作用，黑洞便形成了。自此，黑洞成為宇宙大爆炸的一部分，盡管長久以來，天體物理學家的工作僅限于通過觀察來探測黑洞存在的間接影響。而這一情況在2015年10月發(fā)生了變化，因為美國的激光干涉引力波天文臺（LIGO）首次探測到了引力波。物理學家們在所記錄的振動中看到了關于一個巨大振蕩的證據。在13億光年外，有兩個黑洞，質量分別是36和29個太陽質量，它們以每秒250轉的速度圍繞共同的重心旋轉，最終合并為一個唯一的、巨大的、質量為62個太陽質量的黑洞。3倍于太陽質量的質量差已經以引力波的形式被放射掉了。
在黑洞視界的邊緣
黑洞真的是通常描繪中的宇宙怪物嗎？不是的！在距黑洞的距離超過黑洞的史瓦西半徑時，時空與同質量的正常星體的時空是無法區(qū)分的。因此，將太陽轉化為黑洞，對行星的運動沒有任何影響，而將黑洞想象成一種可以在所經之處吞噬一切的宇宙吸塵器，至少也是一種夸張。只有在黑洞視界這條線附近，才會出現(xiàn)黑洞特有的時空變形。
我們在黑洞視界的附近會感受到什么？一種對腳和頭的奇怪而強烈的拉伸感。你的身體有一定的空間延伸，它的不同部位探索著不同曲度的區(qū)域，這些不同曲度被解釋為引力場的差異。我們也會在地球表面體驗到這種潮汐力，我們可以很容易地觀察到這個壯觀的結果：由于太陽和月亮的相互作用，就有了海水的潮起潮落。在經典物理學中，重力的強度取決于物體之間的距離。因此，地球上靠近月球的區(qū)域比位于對跖點的區(qū)域更容易受到月亮的吸引，在地球的參照系中，這會引起海水的明顯變形。我們的腳，因為比我們的頭要更接近地球的中心，也更受地球的吸引；從我們的角度來看，這個吸引力是一個拉伸的力量，在地球表面，這個力量的強度非常微弱，不到你體重的百萬分之一。在黑洞視界的附近，你的頭部感受到的引力和腳部受到的引力之間的差異要明顯得多。對于質量為10個太陽質量的黑洞來說，你感受到的牽引力就好像是你被吊起來，巴黎地區(qū)的人掛在你的腳踝上一樣！而奇怪的是，黑洞的質量越小，這個效果反而越強。這個明顯的矛盾有一個簡單的解釋：潮汐力的強度與造成潮汐力的星體密度成正比。由于黑洞的半徑與其質量成正比，所以它的密度（與質量除以半徑立方的商成正比）隨著其質量平方的倒數(shù)而減小。因此，一個質量為100萬個太陽質量的黑洞產生的潮汐力比一個質量為10個太陽質量的黑洞產生的潮汐力低100億倍。所以，我們可以出入超大質量黑洞的邊緣：“巨人”黑洞的巨大質量使得電影《星際穿越》的主人公能夠進入黑洞之中。
由于黑洞存在而引起的時空扭曲還有另一個影響：當我們向遠處的觀察者發(fā)射時鐘信號時，在觀察者看來，時鐘信號的頻率仿佛變弱了。因此觀察者會覺得靠近黑洞的時鐘比自己的時鐘要慢。時鐘頻率的下降也可以表現(xiàn)為發(fā)射光的頻率下降：光線比發(fā)射時顯得更紅。
現(xiàn)在，如果你決定穿越這道視界線，并將你這一壯舉的圖像寄去給同事，會發(fā)生什么事呢？對你來說，在這個穿越的過程中，不會有什么特別的事情發(fā)生：黑洞的邊界并沒有神奇之處。相反，身處視界線之外的你的朋友永遠看不到你穿過這條界線！隨著你逐漸接近這條線，放映的影片似乎變慢了，因為接收兩個連續(xù)圖像間隔的時間越來越長。時間膨脹的原理就是，幾乎相同的圖像彼此相連，達到的視覺效果就是你被凝固在你穿越視界線時的位置上。而且，由于光線的變紅和強度的降低，接收到的圖像很快變得太弱而無法被接收。對于位置遙遠的觀眾來說，在黑洞內部發(fā)生的這一部分旅程都是缺失的。在穿越視界線時傳輸?shù)膱D像只能在無限的時間之后才能被接收到，而之后的圖像將永遠無法穿越黑洞視界這條線。
