第一推动丛书宇宙系列:黑洞与时间弯曲

本书成熟时间介于《时间简史》和《宇宙的琴弦》之间，译文十分的流畅且准确，一经推出便获大量读者好评。

    本书讲述了我们在空间和时间上的革命及其重要结果，它也是一个迷人的故事，作者曾亲历过为认识黑洞这一也许是宇宙间*神秘事物的奋斗和成功。

本书是在物理学原理基础上结合了高度的想象，作者力图超越人们目前的牢固知识而进入一个与我们地球的日常生活全然不同的物理世界。

2018年新版的《*推动丛书》全新设计了版式和封面，简约个性，提升了阅读体验，让科普给你更多想象。

随书附赠价值39.6元由汪洁、吴京平掰开揉碎,带你懂科学好书的《经典科普解读课》6折券。

1915年，爱因斯坦提出一个理论，把时间和空间结合为一种叫“时空”的东西，它不是平直的，而是被其中的物质和能量弯曲（或卷曲）了。在我们邻近，时空几乎是平直的，在正常情况下不会出现曲率带来的差异。但在宇宙更远的地方，时空弯曲的某些结果比爱因斯坦认识的更加惊人。一个结果是，恒星可能在自身作用下坍缩，使周围空间弯曲从而将自己同宇宙其他部分分裂开来。如何证明这个结果，如何发现坍缩在空间下的黑洞的奇异性质，正是本书的主题。

作者花费15年时间写就了这本介绍宇宙研究历史和发展情况的科普著作，系统地介绍了宇宙物理学的发展历史、代表人物、理论的冲突和科研上的合作与竞争，还介绍了从光学望远镜、射电望远镜到引力波探测仪的不同探测手段的发展过程，以及在不同探测手段下宇宙所展现出来的激动人心的一面。

基普·索恩（Kip S.Thorne）加州理工学院费曼理论物理学教授，LIGO引力波探测器计划发起人之一。他写过很多书，包括大家欢迎的《黑洞与时间弯曲》，曾与J·惠勒合著《引力》。1994年获得美国物理学联合会（AIP）科学著作奖。

译者介绍：

李泳，中科院成都山地所研究员

目录：

序

前言

导引

序幕：黑洞之旅

第一章  空间和时间的相对论

第二章  空间和时间的卷曲

第三章  黑洞，发现与拒绝

第四章  白矮星之谜

第五章  坍缩是必然的

第六章  坍缩成什么？

第七章  黄金年代

第八章  寻找

第九章  意外发现

第十章  曲率波

第十一章  实在是什么？

第十二章  黑洞蒸发

第十三章  洞里

第十四章  虫洞和时间机器

尾声

致谢

人物

年表

名词

注释

文献目录

主题索引

人名索引

译后记

重印后记

前言（史蒂芬·霍金）

本书是在严格的物理学原理基础上写的，并结合了高度的想象。作者试图超越人们目前的牢固知识而进入一个与我们地球的日常生活全然不同的物理世界。他的主要目的是考察黑洞的里里外外——黑洞质量大，引力场强，实物粒子和光都不可能像平常离开太阳那样从它逃逸出来。观测者从远处靠近这样的黑洞会遭遇哪些事情，是根据广义相对论在“强引力”作用下还没有经过检验的预言而描述的；超出这个范围进入所谓黑洞“视界”区域的悬想，则是靠一种特别的勇气，实际上就是特别的狂想，这在索恩和他的国际伙伴中是很多的，而且他们乐此不疲。这令人想起一位知名物理学家的妙语：“宇宙学家多犯错误，但少有怀疑。”读这本书的人应怀着两个目标：学一些我们物理宇宙中的尽管奇异却真实的可靠事实；欣赏那些我们还不那么有把握的奇思妙想。

作为开场白，我首先应该指出，爱因斯坦的广义相对论这一思辨科学的最伟大创造，不过是在四分之三世纪前才建立的。20世纪20年代初，它解释了水星运动与牛顿引力理论预言的偏离，后来又解释了哈勃（Hubble）和他的同事们在威尔逊山天文台观测到的遥远星云的红移。两次胜利以后，它沉默了几年，那时，多数物理学家的注意力都转向了量子物理学的诠释，转向了核物理、高能粒子物理和观测宇宙学的进步。

黑洞的概念在牛顿引力理论发现后不久，就以思辨方式提出来了。后来发现，通过适当修正，黑洞概念在相对论里也能找到自然的地位，不过，这需要我们将基本方程的解外推到极强的引力场——爱因斯坦当时认为这样的外推过程是可疑的。然而，钱德拉塞卡（Chandrasekhar）在1930年指出，根据相对论，质量超过某一临界值（即所谓钱德拉塞卡极限）的星体在耗尽高温的核能源后，将坍缩成为我们现在所说的黑洞。大约在30年代后期，茨维基（Zwicky）、奥本海默（Oppenheimer）和他的同事分别推广了这一工作。他们证明，存在一个质量范围，在此范围内的星体不会坍缩成黑洞，而将形成一种由致密的中子堆积构成的状态，即所谓的中子星。不论哪种情况，星体核能耗尽时的内部挤压都会伴随一个相对短时间的巨大能量喷发，喷发的结果，就是我们在遥远星云和银河系中偶尔会看到的光亮的超新星。

这些研究在第二次世界大战时中断了，然而在50年代和60年代，科学家们又怀着新的兴趣和热情回到了它的实验和理论的前沿，取得了三大进展。第一，从核物理和高能物理研究获得的知识在宇宙学理论中找到了自然的位置，支持了通常所说的宇宙形成的“大爆炸”理论。现在，许多证据都支持这样的观点：我们的宇宙是从一点由紧密堆积的粒子所形成的原初热汤（一般称它为“火球”）膨胀而来的。这一原初事件大约发生在100到200亿年前。对这个假说最戏剧性的支持也许是发现了出现在原初爆炸后期的波的退化遗迹。

第二，我们确实观测到了茨维基和奥本海默小组预言的中子星，它们的行为也同理论预言的一样。这使我们完全相信，超新星是经历了“最后的引力坍缩”（大概可以这么说）的恒星。如果说中子星能存在于某一确定的质量范围，那么也有理由认为黑洞是质量更大的恒星的产物，不过我们承认，大量的观测证据都将是间接的；事实上，这类间接的证据现在已经很多了。

最后，广义相对论的有效性还得到了另外几方面证据的支持。它们包括太阳系中航天器和行星轨道的高精度测量和某些星系对外来光线的“透镜”作用。最近又发现了大质量双星系运动的能量损失，可能是它们发射引力波的结果，这是相对论的一个重要预言。这些发现，不但使我们敢于相信广义相对论在黑洞附近的那些未经证实的预言，也为我们洞开了更广阔的想象空间。

几年前，联邦基金会（Commonwealth
Fund）在M.E.Mathoney主席提议下，决定资助一项图书计划，邀请在不同领域工作的科学家们为受过教育的普通读者介绍他们的工作。索恩教授是其中的一位，很高兴本计划将他的书作为这一系列出版物的第九本。

近年来出现的同类题材中的*读物。——Malcolm W.Browne，头版评论，纽约时报书评

在今天的大标题外，读者恐怕找不到更大的权威（或者更好的小说家）来谈宇宙的*奇异的特征……大手笔，真动人。——Marcla Bartuslak，华盛顿邮报

杰作啊！关于这个主题的许多书该做而没有能做的，它都做到了……我想它本身就将是一股强大的力量。——卡尔·萨根

很少有书像《黑洞与时间弯曲》那样表现了科学的事业：它打开了历史的画卷，描绘了物理学的奇迹和激动人心的发现，更难得的是让我们看到了一个亲历者对科学风格和气质的洞察。——Alan Lightman

“时代*原创的思想。”——弗里曼•戴森（普林斯顿大学资深物理学家）

“非常精妙！费恩曼有一种用简单概念和趣闻轶事来说明重大是非原则的诀窍。我们可以从这种清晰的、并不复杂的思想中学到很多。”——保罗•戴维斯，《上帝与新物理学》的作者

导引

这本书讲什么，怎么读？

30年来，我一直在探索，为的是去认识爱因斯坦为后代留下的遗产——他的相对论和相对论关于宇宙的预言——去寻找相对论失败的地方，看它如何失败，会有什么来取代它。

在探索中，我穿过奇异事物的迷宫：黑洞、白矮星、中子星、奇点、引力波、虫洞、时间弯曲和时间机器；在探索中，我学会了认识论：什么让理论成为“好的”？什么样的“超原理”主宰着自然法则？为什么即使在技术还无力检验预言时，物理学家也会认为我们知道自以为知道的事情？在探索中，我明白了科学家的头脑是如何工作的，我看到了不同头脑之间的巨大差异（如霍金的与我的），我知道了为什么为了更真切地理解宇宙需要那么多不同类型的科学家以他们自己的方式工作。通过我们和遍布全球的几百名参与者的探索，我认识了科学的国际性特征，科学团体在不同社会中的组织形式，以及科学与政治潮流的相互纠缠，特别像苏美之间的竞争。

我想在这本书里与非科学家和不同领域的科学家分享我的这些感受。一条历史线索将相互关联的话题串在一起，那是我们为阐明爱因斯坦的精神遗产而奋斗的历史，也就是我们从遗产中发现那些奇异的黑洞、奇点、引力波、虫洞和时间弯曲的预言的历史。

书从序幕开始：我要讲一个科幻故事，它会很快把读者引向书中的物理学和天文学概念。有些读者可能会对故事感到沮丧，这些概念（黑洞和它的视界、虫洞、潮汐力、奇点和引力波）来得太快，几乎没有解释。我告诉大家，不要管它，好好看故事，留下一点儿印象。每个概念在正文中还会以更令人愉快的方式重新提出来。读过全书后，你可以再回来看序幕，慢慢体会它的专业趣味。

书的主体（第1章到第14章）与序幕有完全不同的风味。中心线索是历史的，在历史的线索中交织着别的东西。我会用几页篇幅来追溯历史，然后离开历史讲一些题外话，然后又回到历史中来。这样，读者可以看到不同的思想观念如何精美地交织在一起，它们来自物理学、天体物理学、科学哲学、科学社会学和政治学。

有些物理学东西可以粗略看过，书后的物理学词汇表可能有一点帮助。

科学是公共的事业，形成我们宇宙观念的思想不是来自哪一个人或者某几个人，而是来自许多人的共同奋斗。因此，书中出现了许多人物，为帮助读者记住那些多次出现的人，书后列了一个“人物表”，对他们作了简单的介绍。

科学研究同人生一样，不同的人可能在同时探索许多相同的问题，一时的顿悟可能是几十年前的某些思想带来的灵感，而那些思想在几十年间却被忽略了。为了让读者能对此有些感受，本书将在时间里跳跃，从60年代跳到30年代，然后又回到70年代的历史主流。对这样的时间旅行感到眼花的读者，可以看书后的历史年表。

我不求历史学家要求的完整、准确和公正。如果要求完整，多数读者会跟我一样厌倦地将书扔到一边；如果要求更准确，这本书就会堆满公式而成为难啃的专著；尽管我追求公正，但一定存在偏见。我和我要讲的东西关系太近了，我个人从60年代到今天都在亲历它的发展，我最好的几个朋友从30年代起就身在其中了。我力图通过大量的对其他探索者的录音访问（见参考文献）和更多地描述其他人的工作（见致谢）来弥补可能的缺陷，然而肯定还留着某些偏见。

为帮助那些想更完整、更准确、更公正地了解历史的读者，我在书后的注释里列举了很多历史记述的来源，也请读者去参考探索者们为向别人阐释自己的发现而写的原始专业论文。注释里还对某些问题作了更准确（因而技术性也更强）的讨论，这些问题在正文里可能因为太简单化而容易使人误会。哪些内容在后面有注释，作者并没有在正文里标记，而是在书后的注释部分指出它所在的页码和段落；为了更醒目，中译本在正文中的相应地方标记了数字，在后面的注释里则不再重复这些文字。——译者

记忆是靠不住的。相同事件的不同经历者，对那些事件可能有不同的回忆和解释，这些分歧我都放在注释中了。在正文里，我只谈自己对事物的最终看法，就当它们是真的了。但愿真历史学家能原谅我，非历史学家会感谢我。

我的导师约翰·惠勒（John
Wheeler，他也是本书的中心人物之一）在我成长为一名物理学家的过程中，喜欢问他的朋友，“关于这样那样的事物，你学到的最重要的一样东西是什么？”很少有问题能记得这么清楚。这本书断断续续写了15年（多数是“断”的时候），快写完时，我也在问自己跟约翰同样的问题：“你想让你的读者从书中学到的最重要的一样东西是什么？”

我的回答是：人类思想那令人惊奇的力量——在迷途中往返，在思想里跳跃——去认识宇宙的复杂，发现主宰它的基本定律的终极的单纯、精妙和壮丽。