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文化

黑洞与暗能量,我们该如何理解宇宙?

曾梦龙2017-11-24 19:00:46

“理解宇宙的本性是一个无比深邃的课题,从伽利略、开普勒、牛顿、拉普拉斯到爱因斯坦,无数智者从中吸取了思考的养分。”

作者简介:

让-皮埃尔·卢米涅(Jean-Pierre Luminet),世界知名天体物理学家和黑洞问题专家,“乔治‧勒梅特天文学奖”获得者,现任法国国家科学研究院下属巴黎默顿天文台宇宙理论研究部主任,从事相对论天体物理和宇宙学研究。作者同时还是一位作家和诗人,曾荣获法国艺术及文学勋章军官勋位,著有《无穷》等多部畅销科普作品。本作品荣获欧盟颁发的“欧洲科学传播奖”。

书籍摘录:

前言

人类一直热忱地对宇宙的历史和演化进行探索。本书呈现的正是三十年来人们所取得的研究成果。自然而然,科学视野放飞了我们的思绪,让我们一次又一次地深刻反思人类自身的历史与周遭环境。

虽然本书的中心主题是讲万有引力使出各种手段让时间和空间屈服于自己的“蛮横”意志,讲物质的极端状态,但它背后蕴含着触及天文学和物理学各方面的丰富课题。诚然,谈及黑洞和暗能量往往会引出各种始料未及的话题,比如时间旅行、量子真空和终极计算机。这些新鲜的概念将科学模型的能力推到了极限。然而,透过这些有趣的镜头,我们确实看到了整个宇宙:恒星的演化、宇宙学、狭义和广义相对论、量子力学、高能物理学,以及崭新的时空理论。

天体物理学家有着令人生畏的力量,能够看到最广漠的宇宙全景。粒子探测器与天文望远镜一样被用于研究遥远的天体。从无穷小到无穷大,跨越空间和时间,宇宙揭开层层面纱,展示了形形色色的结构,不断给我们带来惊喜。小至行星,大至整个宇宙,穿越恒星和星系,万有引力主宰整个宇宙,指导它的运动、演化和命途。理解宇宙的本性是一个无比深邃的课题,从伽利略、开普勒、牛顿、拉普拉斯到爱因斯坦,无数智者从中吸取了思考的养分。

让-皮埃尔·卢米涅,来自:维基百科

本书第一篇讲述了全书的历史背景和理论框架,包括牛顿的万有引力、电磁学,尤其是爱因斯坦的相对论——它将引力现象与时空弯曲画上了等号。

第二篇会暂时抛开理论知识,进入恒星演化的舞台。我们观测到太阳和大多数天体都处于平衡状态,这其实都只是暂时的。坍塌是万有引力作用下产生的必然结果。天体物理学家的图鉴里满满地记录着在万有引力的绝对支配下多姿多彩的天体:黯淡的白矮星、超致密的中子星、脉冲星、毁天灭地的超新星、伽马暴和极超新星。但是,一个天体即使密度达到中子星一样的水平,如果其质量超过了 3 倍太阳质量,那它也是不稳定的。核心质量更加大的天体发生引力坍塌后又会形成什么?答案只有一个——那就是黑洞,这些具有极限密度的天体仅仅是时空中寻常的小事故。这绝不是理论学家单纯的推演,而是真真正正的天体物理学问题。

第三篇将真正开始窥探黑洞世界的奥秘。黑洞的“发明”无疑是少数勇敢的理论学家在现代史上最大胆的脑力探险之一。“黑洞”一词甚至被披上了一层神秘色彩:宇宙中或许存在一种不可见的天体,能够吸收周围的所有物质。一个与我们的世界完全隔绝的封闭世界,如无底深渊,如血盆大口,能够无情地吞噬一切……黑洞的特性如此奇异,长时间以来都无法令人信服,反而沦为了业余爱好者耸人听闻的谈资。事实上,黑洞撼动的是我们对于时空的基本观念。等到大众明白真相之后,黑洞受到众人追捧,摇身变成了科幻小说、漫画和灾难片里的主角。拨开幻想的迷雾,黑洞的真身到底是什么样子的呢?从微型黑洞到恒星级黑洞,再到超大质量黑洞,黑洞的怪诞特征将逐一被抽丝剥茧:将物质、时间和空间都席卷而入的大漩涡、生产能量的机器、超级计算机、通往其他宇宙的门扉……我将尽量避免使用方程式,而是借助图表来解释黑洞微妙而往往不合常理的行为表现。其实,这些表面上看起来复杂的物体跟基本粒子一样简单。黑洞几乎是点状的对象,却能用热力学来描述;其致密的质量原本只能单调增加,却能像太阳下的露水般自然“蒸发”。归根结底,黑洞在当今最前沿的物理学中扮演着举足轻重的角色:只有在方兴未艾的量子引力理论的框架下,我们才能理解黑洞的终极特性。

来自:维基百科

最后一篇将重新回到最具体的天体物理学知识上来,透过各种最极端的天体和天文现象展示黑洞的多变面相。这些“时空深井”在孤立的时候是完全不可见的,但其周围环境的物质会改变黑洞的模样。这些环境物质被黑洞吸积,在永远消失之前,将喷射出最后的火光:当黑洞一点点吞噬着伴星时,它也许是一个强大的X 射线源;它也许是静静潜伏在星系中心的巨型黑洞;当它囫囵吞下整颗恒星时,又成了倾泻惊人辐射的射线源。

在寻找宇宙终极命运的同时,宇宙演化的另一位关键角色也粉墨登场,甚至比黑洞更加神秘,这就是暗能量。这一冉冉升起的强大力量揭示,我们身处的宇宙或许只不过是“多重宇宙”里某个巨大的黑洞的内部,并正在暗能量的拉扯下不断膨胀着!

因此,黑洞和暗能量好比是强有力的分析工具,如同可随意放大倍数的“理论”望远镜,既能钻探微观的奥秘,也能摸清宏观的神奇,给予我们一把理解宇宙的金钥匙。

本书是对 1987 年出版的《黑洞》一书的全新改版。新版本做了相当大的增改。读者如果有机会对照阅读两本书,就能够发现相关领域的发展过程。我很清楚,读者没有必要理解全部内容,如第 12 章和第 13 章中介绍的新成果,甚至连专业人士也未必熟悉。尽管科学理论建立在绝对严密的推理之上,从中推导的结论往往也能被观察结果所证实,但读者会发现,科学理论也可以比科幻小说里的虚构景象更加大胆。第三篇的某些章节,如第 13 章至第 16 章,可能更难以理解,但千万别就此被吓到!更喜欢天文现象的读者可以毫不犹豫地跳过这部分,直接去阅读第四篇中更加具体的天文现象。然而,对于想深入探索的物理学爱好者来说,本书尽管没给出复杂的方程,但仍充分探讨了略显复杂的相对论和量子物理,因此,读者破译知识难点所付出的汗水也必将得到回报。

来自:维基百科

除了丰富多彩的图例外,本书的框内文字也值得好好一读:有些内容讲述了历史故事和认知历程,有的包含着科学、艺术、文化及人类学知识,有的详细阐述了关键性概念点,有的着重介绍了特殊的天体或某种尖端工具,等等。

此外,我还引用了大量小说和诗歌片段,仅为在诗意中揭示世界所包含的真理。在每个现象背后,都蕴含着美。我希望透过世界的真相,一窥其中美的真意。如果读者在读完本书后,能会心地领悟豪尔赫•路易斯·博尔赫斯下面这一意味深长的诗句,我就算达到了撰写本书的目的。

我感谢那座由无数的因与果织成的神圣迷宫,
为了造物的万象,它们造就了这唯一的宇宙,
为了理性,它不会停止梦想一幅迷宫的蓝图。

让-皮埃尔·卢米涅

2006 年 7 月 24 日,写于默东

2010 年 6 月 30 日,重新修订


题图来自:维基百科

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