看不见的星：黑洞与时间之河（理解科学丛书）pdf/txt下载_在线阅读全文

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赵峥编写的《看不见的星（黑洞与时间之河）》在相对论和弯曲时空的背景下介绍黑洞概念的产生和发展，从物理、数学、天文三个方面介绍黑洞的性质及生成的可能性。介绍黑洞的热性质和量子性质，特别是黑洞熵、信息疑难和奇点疑难。书中含有前沿研究的成果，并指出了当前面临的困难，介绍了黑洞研究所启示的“热”与“时间性质”的深刻连系。本书还介绍了相对论和黑洞研究的经历，包括爱因斯坦、霍金等许多学者的奇闻轶事，具有较大的趣味性和可读性。

内容简介

　　黑洞有哪些特点？赵峥编写的《看不见的星(黑洞与时间之河)》用通俗生动的语言，从天文和物理等不同角度，描述了黑洞的来龙去脉，它的结构和性质，黑洞的信息疑难和奇点疑难，以及科学家们如何在争论中推动黑洞研究的发展。
　　本书还通过对弯曲时空和黑洞的探讨，把读者引向千古未解的难题：时间究竟是什么？时间能不能测量，它有没有开始与终结？

作者简介

　　赵峥，北京师范大学物理系教授、博士生导师。1967年毕业于中国科技大学物理系；师从刘辽教授学习广义相对论。1981年获北京师范大学天文系硕士学位；1987年获布鲁塞尔自由大学博士学位。曾任北京师范大学研究生院副院长，物理系主任，中国物理学会理事，中国引力与相对论天体物理学会理事、理事长。长期从事理论物理的教学与研究，参加和承担过多项国家自然科学基金项目。在相对论、黑洞物理等领域发表论文100多篇。在黑洞热性质、时空奇点、钟速同步和热力学的关系等方面有创新性工作。1986年、1996年两次获国家教委科技进步二等奖。2008年获Thomson Reuters“中国卓越研究奖”。主要著作有：《黑洞的热性质与时空奇异性》、《黑洞与弯曲的时空》，科普作品有《探求上帝的秘密》、《物理学与人类文明》。曾获第11届和第12届中国图书奖。

目　　录

第一章初窥黑洞
第二章恒星演化，走向黑洞
第三章弯曲的时空
第四章奇妙的黑洞
第五章黑洞附近的物理效应
第六章探索黑洞的明星——霍金
第七章黑洞的信息佯谬
第八章奇点——时间有无开始与终结
第九章时间测量的疑难与探索
第十章千古难题：时间是什么
主要参考书目

前　　言

　　我第一次接触到黑洞这个概念，是在1958年前后。当时我在北京一中上初中，这所古老的中学有一个历史悠久的图书馆。我的同班好友裴申是一位天文爱好者，他从学校图书馆借到一本叫做《每月之星》的科普读物，听他谈论后我觉得非常有趣，于是也去图书馆借了一本。
　　这本书把中国古代的星座与希腊的星座对照介绍，不仅有美丽的神话，而且有当时最先进的科学知识。书中介绍了白矮星，那里有令人咋舌的地球人无法想象的高密度物质，体积像小酒杯大小的一块就重达 1吨左右。书中还介绍了尚未发现的中子星，而且谈到爱因斯坦的广义相对论预言存在一种“看不见的星 ”。由于引力太大，这种星的光跑不出来，我们看不见。这种“看不见的星”就是今天所说的黑洞。这是我第一次在书中看到有关黑洞的知识。我是一个喜欢读科普书的人，但此后十多年，再也没有从其他科普书和科普文章中看到有关黑洞的介绍。引言看不见的星：黑洞与时间之河《每月之星》是我读过的最好的科普书，作者叫陶宏。书中序言的最后写道： “一九四九年一月二十二日，北平停战之日，陶宏写于北大红楼。” 1978年我到北师大天文系读研究生时，在一次谈话中提到《每月之星》这本书和作者陶宏，我的导师之一、时任天文系主任的冯克嘉先生告诉我，陶宏是陶行知先生的儿子。

我第一次接触到黑洞这个概念，是在1958年前后 。当时我在北京一中上初中，这所古老的中学有一个 历史悠久的图书馆。我的同班好友裴申是一位天文爱 好者，他从学校图书馆借到一本叫做《每月之星》的 科普读物，听他谈论后我觉得非常有趣，于是也去图 书馆借了一本。 
　　这本书把中国古代的星座与希腊的星座对照介绍 ，不仅有美丽的神话，而且有当时最先进的科学知识 。书中介绍了白矮星，那里有令人咋舌的地球人无法 想象的高密度物质，体积像小酒杯大小的一块就重达 1吨左右。书中还介绍了尚未发现的中子星，而且谈 到爱因斯坦的广义相对论预言存在一种“看不见的星 ”。由于引力太大，这种星的光跑不出来，我们看不 见。这种“看不见的星”就是今天所说的黑洞。这是 我第一次在书中看到有关黑洞的知识。我是一个喜欢 读科普书的人，但此后十多年，再也没有从其他科普 书和科普文章中看到有关黑洞的介绍。引言看不见的 星： 黑洞与时间之河 《每月之星》是我读过的最好的科普书，作者叫 陶宏。书中序言的最后写道： “一九四九年一月二 十二日，北平停战之日，陶宏写于北大红楼。” 1978年我到北师大天文系读研究生时，在一次谈 话中提到《每月之星》这本书和作者陶宏，我的导师 之一、时任天文系主任的冯克嘉先生告诉我，陶宏是 陶行知先生的儿子。 
　　1996年，我在北师大研究生院工作，有幸与顾明 远教授同在一个办公室。中午休息时，我去翻看顾先 生书架上的《陶行知文集》。在书中发现许多与《每 月之星》相近的内容。 
　　于是我又去翻看《每月之星》这本书的复印件， 这才注意到一些我少年时代未曾注意的内容。陶宏在 序言中说，这本书采用的是他在给父亲做“小助教” 时用过的资料。陶行知先生过世后，他觉得有必要把 父亲积累的素材编写成书，并终于编纂出版了《每月 之星》这本科普读物。 
　　我当时感到十分震惊，原以为陶行知先生只是一 个文科知识和社会知识丰富的教育家，没想到他除去 “中晓人和”之外，居然还“上知天文，下知地理” 。我看到了一位真正伟大的教育家的形象，他为当代 的教育工作者树立了光辉的榜样。细想起来，孔夫子 不也是一位百科全书式的人物吗？ 我上大学期间，虽然在大三结束的暑假（1965年 ）自学过广义相对论，但所看的那三本书中均未谈到 黑洞。我再次注意到黑洞是在大学毕业之后，分配到 哈尔滨东北石油化学所工作期间。1974年的一天，我 在所资料室中翻阅杂志，注意到当时的《科学通报》 上有王允然先生写的一篇介绍黑洞的高级科普文章， 我看得津津有味。 
　　我在中国科技大学上学期间，王先生是物理系的 老师，但未教过我，不认识他，只是听说过他的名字 。他和科大的一些老师和同学，通过自学攻读钻进了 广义相对论的研究领域，并在宇宙学和黑洞领域开展 了研究。他们组的成员有的是我上学时的年轻老师， 有的是我的同学，这些熟识的名字给我巨大的鼓舞， 也进一步加深了我对广义相对论和黑洞的兴趣。 
　　真正开始钻研黑洞，是在我进入北京师范大学， 做了刘辽先生的研究生之后。刘辽先生是一位正直的 知识分子。抗战期间，他曾就读过空军幼年学校，准 备为保卫祖国而战。抗战结束后，他又参加过共产党 的外围组织，散发过《挺进报》。解放后，青年刘辽 从北大毕业，打算走科学报国的道路，但却不幸被打 成右派。在那些艰难的岁月里，他没有选择放弃，而 是一心苦钻理论物理，让自己的思想在爱因斯坦与相 对论的天空中翱翔。 
　　当改革开放的春天降临之际，已经掌握了相对论 基本理论的刘辽，终于获得了施展抱负的机会，他开 始在北师大建立研究相对论的基地，并在国内各地到 处宣讲、传播爱因斯坦的理论。我有幸在这个时候考 取了刘先生的研究生，在他的带领下逐渐深入到广义 相对论和黑洞研究的前沿，从一个黑洞的旁观者，变 成了黑洞的探索者。 
　　当我于三十多年前初次跨入黑洞领域的时候，只 有少数研究广义相对论的人对黑洞感兴趣，在那里仔 细计算、反复推敲、热烈争论。天文学家一般都对此 漠然视之，对宇宙中是否存在黑洞不置可否。 
　　三十多年后的今天，情况倒过来了。天文学家大 都对黑洞的存在感到乐观，认为宇宙中存在着黑洞， 而且不少人认为可能存在大量的黑洞，不断有人发表 论文，说这里有黑洞，那里是黑洞，似乎宇宙中处处 都有黑洞。 
　　与此相反，原来研究黑洞的理论物理学家，却有 许多人感到情况不太妙，在那里争论、反思。包括霍 金在内的一些专家认为，原先可能把黑洞想象得太理 想化了，真实的黑洞即使存在，也与理论计算出的可 能有很大的差别，甚至也可能根本就不存在黑洞。 
　　天文学家对黑洞的乐观看法，产生自天文观测。 
　　我们知道，根据计算，一颗太阳质量的恒星，半径70 万千米，密度约为每立方厘米1.4克，形成白矮星后 ，半径缩到1万千米，密度达到每立方厘米1吨左右。 
　　如果形成中子星，其半径将缩到10千米，密度达到每 立方厘米1亿~10亿吨。如果形成黑洞，其半径将只有 3千米，“平均密度”达每立方厘米100亿吨。 
　　现在，白矮星早已在天文观测中大量发现，约占 恒星总数的十分之一。原来认为不可思议的中子星也 已发现很多。而从天文学角度来看，黑洞与中子星的 半径和密度其实相差不大。因此，黑洞的存在似乎是 顺理成章的事了。 
　　另外，类星体巨大能量的来源，星系中心看不见 的超大质量，以及引力透镜等，这些观测结论都能用 黑洞给出较为合理的解释。 
　　而物理学家对黑洞的反思则来源于黑洞理论造成 的信息疑难、奇点疑难等带有根本性的理论困难，以 及以往对黑洞的过于理想化的认识。 
　　黑洞究竟是一种什么样的天体，它到底存在不存 在？本书将从天文学、物理学和数学的不同角度，来 阐释黑洞的来龙去脉，它的几何结构和物理结构，它 可能有哪些有趣的效应。本书还将介绍，对黑洞的研 究，给物理学带来了哪些收获和重要启示。 
　　黑洞这种从广义相对论和微分几何推演出来的天 体，在没有引入任何统计假设的条件下，居然自动导 出了温度和熵。也就是说，当时空弯曲到一定程度的 时候，物体将自然出现热效应。这种不可思议的结果 显示，万有引力与热之间，存在着目前尚不清楚的深 刻的本质联系。 
　　对黑洞和弯曲时空的深入思考，进一步把我们的 注意力引向了“时间之河”。于是，我们在广义相对 论和黑洞理论的基础上，深入探讨了热力学定律与时 间性质之间的关系。 
　　我们的“大胆猜测”和“小心求证”也许会勾起 不少读者的兴趣，给他们带来愉悦的思考，并把他们 引向持续千年的难题： 时间究竟是什么？ 作者在写作本书的过程中，谨记一个原则：一本 好书，不只要让人相信其内容，更重要的是让人有兴 趣去进一步思考、探索和发现。 
　　具有高中以上学历的读者不仅可以从本书中学到 许多关于广义相对论、黑洞和时间本性的有趣知识， 而且能够在不知不觉中提高自己的怀疑能力、创新能 力和探究能力。 
　　本书是在清华大学出版社和邹开颜编辑的大力协 助下完成的，还得到石磊、朱红莲等编辑的支持；北 京师范大学物理系研究生祁景钊、梁桂荣协助打印了 书稿，作者在此深表感谢。 
　　作者的科研、教学和写作工作，长期得到国家自 然科学基金（如10373003,10773002等）和教育部“ 精品视频公开课”经费，以及北京师范大学教学经费 的支持，在此一并表示深切谢意。

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在线试读部分章节

　　这么重要的一个使牛顿产生伟大灵感的故事，牛顿在世时居然没有和一位学者谈到过。何况中年以后的牛顿并不是一个谦虚的人，他后半生一直在跟别人争夺各项科研成就的发现权，其中很重要的一部分就是和胡克争夺万有引力定律的发现权。牛顿与外人进行了如此多的争吵，怎么一次也没有在争吵中提及这一故事呢？所以，许多人认为，这个故事很可能是牛顿的亲属为了确保他对万有引力定律的发现权而编出来的。
　　牛顿关于万有引力定律的论述最早出现在他的巨著《自然哲学之数学原理》中，此书是在他45岁时出版的。而苹果落地的故事发生在牛顿23～ 25岁之间，在乡下庄园里躲避鼠疫的时候。这个故事的出现，把牛顿发现万有引力定律的时间整整提前了20年，那是胡克等人所望尘莫及的。
　　牛顿的童年是不幸的，他是一个遗腹子，还没有出世，父亲就去世了。他的父亲是一个农民，文盲，而且脾气暴躁，不过据说智力还可以，家里也不算太穷。
　　牛顿的父系家族基本没有文化，母系家族有点文化，但也不高。
　　后来母亲改嫁给一位60多岁的牧师。牛顿的继父有文化，也有些钱财。
　　但这位“思想道德工作者”本人的道德水平并不高，他不能善待前夫的儿子。
　　牛顿小时候饱受歧视，与同父异母的弟弟关系很差，只与妹妹关系较好。
　　幼年的牛顿由外祖父母抚养，很少得到母爱。这样的生活状况对牛顿性格的形成造成了极大的影响，致使晚年的牛顿显得尖刻而贪婪。
　　在这样的家庭条件下，童年的牛顿身体很差，学习也很差，和同学相比他什么都不行，对自己也缺乏信心。此时一个突发事件改变了牛顿的人生。
　　他们班上有一个小霸王，欺负牛顿，踢了他的肚子一脚，疼得牛顿忍无可忍。愤怒之下，小牛顿不顾自己身单力薄，憋足了全身力气，把那个小家伙揍了一顿。没想到居然打赢了，小牛顿马上信心大增，觉得自己还行啊。他想，既然打架能赢，说不定学习也行。打架产生的自信没有把牛顿引向邪路，反而使他走上了刻苦学习的正轨。于是他的功课大有起色，而且越来越好。
　　不幸的是，牛顿10岁时，继父又去世了，家中缺少劳动力。上中学时，母亲把他召回家，让他干农活。但他农活儿干不好，也不大上心，他放的羊把别人家的庄稼吃了不少。还是牛顿的舅舅有远见，觉得自己的外甥别看干农活儿不行，也许在学习上是块好料。于是说服姐姐让牛顿继续读书。
　　中学毕业时，牛顿的舅舅又积极活动，使他得以进入剑桥大，并为他从学校争取了补助金。其实此时牛顿的母亲已从前夫那里继承了遗产，并不贫困，但她掏学费。牛顿能拿到补助金，正合他母亲的心意。

这么重要的一个使牛顿产生伟大灵感的故事，牛 顿在世时居然没有和一位 学者谈到过。何况中年以后的牛顿并不是一个谦虚的 人，他后半生一直在跟别 人争夺各项科研成就的发现权，其中很重要的一部分 就是和胡克争夺万有引力 定律的发现权。牛顿与外人进行了如此多的争吵，怎 么一次也没有在争吵中提 及这一故事呢？所以，许多人认为，这个故事很可能 是牛顿的亲属为了确保他 对万有引力定律的发现权而编出来的。 
　　牛顿关于万有引力定律的论述最早出现在他的巨 著《自然哲学之数学原 理》中，此书是在他45岁时出版的。而苹果落地的故 事发生在牛顿23～ 25岁之间，在乡下庄园里躲避鼠疫的时候。这个故事 的出现，把牛顿发现万有 引力定律的时间整整提前了20年，那是胡克等人所望 尘莫及的。 
　　牛顿的童年是不幸的，他是一个遗腹子，还没有 出世，父亲就去世了。他的 父亲是一个农民，文盲，而且脾气暴躁，不过据说智 力还可以，家里也不算太穷。 
　　牛顿的父系家族基本没有文化，母系家族有点文化， 但也不高。 
　　后来母亲改嫁给一位60多岁的牧师。牛顿的继父 有文化，也有些钱财。 
　　但这位“思想道德工作者”本人的道德水平并不高， 他不能善待前夫的儿子。 
　　牛顿小时候饱受歧视，与同父异母的弟弟关系很 差，只与妹妹关系较好。 
　　幼年的牛顿由外祖父母抚养，很少得到母爱。这样的 生活状况对牛顿性格的形 成造成了极大的影响，致使晚年的牛顿显得尖刻而贪 婪。 
　　在这样的家庭条件下，童年的牛顿身体很差，学 习也很差，和同学相比他什 么都不行，对自己也缺乏信心。此时一个突发事件改 变了牛顿的人生。 
　　他们班上有一个小霸王，欺负牛顿，踢了他的肚 子一脚，疼得牛顿忍无可 忍。愤怒之下，小牛顿不顾自己身单力薄，憋足了全 身力气，把那个小家伙揍了 一顿。没想到居然打赢了，小牛顿马上信心大增，觉 得自己还行啊。他想，既然 打架能赢，说不定学习也行。打架产生的自信没有把 牛顿引向邪路，反而使他 走上了刻苦学习的正轨。于是他的功课大有起色，而 且越来越好。 
　　不幸的是，牛顿10岁时，继父又去世了，家中缺 少劳动力。上中学时，母亲 把他召回家，让他干农活。但他农活儿干不好，也不 大上心，他放的羊把别人家 的庄稼吃了不少。还是牛顿的舅舅有远见，觉得自己 的外甥别看干农活儿不 行，也许在学习上是块好料。于是说服姐姐让牛顿继 续读书。 
　　中学毕业时，牛顿的舅舅又积极活动，使他得以 进入剑桥大，并为他 从学校争取了补助金。其实此时牛顿的母亲已从前夫 那里继承了遗产，并不贫 困，但她掏学费。牛顿能拿到补助金，正合他母亲的 心意。 
　　然而，舅舅为牛顿争取到的这点补助金不是自给 的，穷学生们必须为富有 的同学打扫宿舍，买东西，甚至倒尿壶。这样的大学 生涯，对于牛顿后来的性格 形成肯定也有负面影响。好在牛顿的求知欲望强烈， 而且确实才华出众，他终 于以优异的成绩在剑桥毕业，并有幸留校当了教师。 
　　刚刚留校，英国就闹鼠疫，牛顿不得不到乡下母 亲的庄园中去躲避。他 23~25岁之间，在那里度过了一年半岁月。不过他没 有虚度光阴，这时的牛顿 已步入了科研的正轨，他在那里思考、研究了许多问 题。据后来他自己说，他的 力学三定律、万有引力定律、光的微粒说、色散理论 、微积分，都是在那段时间中 研究出来的。不过，他没有提到苹果落地的故事。这 个故事如果有，就应该发 生在这段时间。 
　　牛顿在庄园中度过的这一年半时间，后来被称为 牛顿的“丰收年”。 
　　青年牛顿是幸运的，他留校后碰到了伯乐式的导 师巴罗。实际上，牛顿的 很多哲学和物理思想来源于巴罗。在巴罗的著作中我 们可以看到他对绝对空 间、绝对时间以及物体运动等许多重要概念的论述。 
　　在牛顿的巨著《自然哲学 之数学原理》中不难看到巴罗的影子。 
　　当时一位叫卢卡斯的富翁为了支持自然科学研究 ，给剑桥大学捐了一笔 钱，设立了一个叫做“卢卡斯数学讲座”的教席，为 数学和物理专业的教授支付 薪金。 
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