什么是相对论

第1章 穿越黑洞的旅行 想象一下，有一天太阳神奇地坍缩，虽然保留了原来的质量，但体积却缩小了很多，成为了一个黑洞，它对地球和其他星球会产生怎样的影响呢？如果问一下每个人这个问题，包括小学生们，他们都会自信地回答，行星会被“吸进去”。 现在我们做一个设想，假设你是一位未来的星际旅行者。如果你突然发现一个黑洞潜伏在你的左边，你该怎么做？问一问你周围的人，他们都会告诉你要赶快发动引擎，离开那里，这样你就能避免被吸进去而彻底消失。 可是我要告诉你一个小秘密，这个秘密对理解相对论来说非常重要：黑洞不会吞噬物体。但如果太阳变成了一个黑洞，地球就会变得非常寒冷和黑暗。然而，如果我们假设这个黑洞的质和太阳的质量一样大，地球的轨道几乎不会受到任何的影响。 假设你是一位未来的星际旅行者……首先，你不会在飞船左方突然发现一个黑洞。在旅行前，我们会在地球上以各种方式提前找到黑洞的位置，如果有一天我们真的可以进行星际旅行，就一定会提前在地图上标记好黑洞的位置。假设万一在你的地图上真的没有标明这个黑洞的位置，那么当你逐步接近黑洞时，它对你飞船的引力会不断增加，所以它不会突然出现在你的身边。其次，除非你刚好直接朝着黑洞飞过去，否则，黑洞的引力会让你绕着黑洞旋转，就和我们发射宇宙飞船（如旅行者号和新视野号）去外太阳系旅行时飞掠过木星一样。 我知道这可能让一些人感到非常失望，就像我上中学的女儿和我说的那样，如果黑洞可以把周围的东西吞噬进去的话，是一件非常酷的事情 。我只能在一定程度上来安抚她，“表现得很酷”和“可以吞噬东西”是两回事。那么，你可能会想，如果黑洞不能吞噬东西的话，它们会做什么？ 答案有两个部分，一个看起来平淡无奇，另一个却令人感到不可思议以至于你再也不会将它误解为宇宙吸尘器了。它之所以让我们感到平淡无奇是因为如果我们可以从远处观察黑洞的话，黑洞的引力与太空中的其他任何物体的引力没有什么不同。这就是为什么当太阳变成黑洞的时候，不会影响地球的运行轨道，也是为什么宇宙飞船可以像绕着木星旋转一样绕着黑洞旋转。但当你开始接近黑洞的时候，就可以看出为什么黑洞让人感到不可思议了。在那里，你可以看到时间和空间被戏剧性地扭曲，这也只能从爱因斯坦的相对论中找到解释。 现在我们找到了问题的关键所在，我写这本关于相对论的书，是从讨论黑洞开始的，虽然几乎每个人都听说过黑洞，但只有你明白爱因斯坦提出的基本观点之后，才能了解什么是真正的黑洞。这本书的一个目的就是帮助你理解黑洞是什么。与此同时，还有第二个重要的目的。 在学习相对论的过程中，你会发现日常生活中，关于时间和空间的概念，并不能准确地反映宇宙现实。*终，你会意识到你是在一种充斥着错误常识的环境中长大的，这不能怪你。更确切地说，只有在极端情况下，时间和空间的本质才能更确切地显示出来，而我们不可能经历这种极端的情况。因而，这本书的真正目的是帮你区别现实和伴随你成长的科幻小说之间的不同。在此过程中，需要考虑时间和空间的深刻含义，爱因斯坦是**个了解这个事实的人。 首先，让我们进行一场想象中的黑洞之旅。这次旅行，将让你有机会体验在爱因斯坦思想*显著影响下出现的两种情况：在接近光速的速度下和在黑洞附近的极端引力下。现在，我们思考一下你旅行中会遇到什么事情。先不解释其中的原因，在之后的章节中，我们再去解释。 选择一个黑洞 如果你要参观一个黑洞，**步需要找到这个黑洞。可能你会认为这是一件很难的工作，因为“黑洞”这个术语，意味着是在黑暗的太空中看不到的东西。这是有一定道理的。根据定义，任何光都逃逸不出黑洞，也就是说黑洞确实是肉眼看不到的黑色。不过，据我们所知，所有的黑洞质量都相当大，至少是太阳质量的几倍，有时，甚至会更大。因此，原则上可以通过它们对周围环境的引力影响来探测它们。 有两种基本的方式可以揭示黑洞的引力的影响。首先，可以通过受其引力影响的可见伴星的绕行轨迹来推测黑洞的存在。 举个例子，假如你观察到一颗恒星很明显地围绕着另一个大质量物体旋转，而这个物体却不像恒星会发光。根据可以用来解释恒星运转轨道的理论，这个物体很有可能就是黑洞。 其次，黑洞的存在也可以通过其周围气体散发出来的光来揭示。尽管我们常常认为太空完全是处于真空状态的，但并不是这样的。即使是在星际空间的*深处，你依然可以发现一些游离的原子。你在天文照片中看到的美丽的星云，实际上是巨大的气体云。黑洞周围的任何气体*终都会绕着黑洞旋转。因为黑洞体积小，质量大，离它*近的气体，必定以很高的速度绕着黑洞旋转。高速移动的气体往往具有很高的温度，而高温气体会发出高能量的光，如紫外线和X射线。因此，如果你看到一个致密的物体周围发射着X射线，那么这个物体很可能是黑洞。你可以在著名的天鹅座X-1黑洞的例子中，看到这两种方法是如何协同工作的。该黑洞之所以得名，是因为它位于天鹅座，是强X射线的发射源。天鹅座X-1是一个双星系统，也就是两个大质量物体互相环绕。大多数双星系统都有两颗恒星互相环绕，但在天鹅座X-1星系中，只能看到一 颗恒星。这颗恒星的轨道告诉我们，第二个物体一定比太阳的质量重15倍，但无论采用任何方式都无法直接发现它。 此外，这颗可见恒星的温度还不足以产生我们在该系统中观察到的X射线，因而X射线一定来自第二个物体周围的高温气体。我们现在掌握了寻找黑洞的两条重要的线索。一颗恒星绕着一个巨大的但看不见的物体运行，以及这个物体周围发射着X射线。 这两个特征表明看不到的物体很小，周围有非常热的气体围绕它运行。当然，在我们得出看不见的物体是黑洞这一结论之前，必须排除它是小而重的其他类型物体的可能性。我们将在第7章讨论如何做到这一点，但目前的证据强烈表明天鹅座X-1确实包含一个黑洞。 现在我们已经知道许多类似的系统，结合我们对恒星生命的了解，我们知道大多数黑洞是大质量恒星（质量至少是太阳质量的10倍左右）死亡后的残骸，这意味着它们已经耗尽了在“活”恒星时期保持它们发光所需的燃料。以我们目前的技术，我们只能识别那些与天鹅座X-1中的黑洞一样，在双星系统中与仍然存活的恒星一起运行的黑洞。其他黑洞，包括那些曾经是单一恒星的黑洞和双星系统中两颗恒星均早已死亡而形成的黑洞，更加难以探测到，因为没有存活的恒星的轨道可以被我们探测到。另一方面这些黑洞周围的气体稀少，很难形成人类可探测的X射线。这些黑洞的数量肯定比我们目前所能探测到的要多得多。我们做出这样的假设，在你们准备好穿越黑洞的旅行之后，就可以找到更多黑洞。 除了由单个恒星死亡之后的残骸形成黑洞，还有另一类更为壮观的位于星系中心的超大质量黑洞（在某种情况下，这种黑洞位于稠密的星团中心）。这些黑洞的起源至今仍然是一个谜，然而它们庞大的质量相对来说更容易辨认。比如， 在我们银河系的中心，我们观察到恒星围绕着一个中心物体以非常高的速度运行，中心物体质量是太阳质量的400万倍，然而其直径并不比我们太阳系的直径大多少。只有黑洞才可以解释为何这么小的空间里可以容纳这么大的质量。其他大多数星系中心似乎也有超大质量的黑洞。在*极端的情况下，这些黑洞的质量是太阳质量的数十亿倍。 有了这些黑洞位置的基本情况，我们准备为你的旅行选择一个目标。原则上，我们可以选择任何黑洞，但如果我们选择距离较近、周围没有太多气体干扰的黑洞来开展我们的实验，你的旅程将会更顺利。虽然，我们无法确定这样的黑洞是否存在，但从统计学上来讲，它很有可能存在于距离地球25光年的范围内。因而，我们发挥一下我们的想象力，来一次距离地球25光年远的旅行。