描述
开 本: 16开纸 张: 轻型纸包 装: 平装-胶订是否套装: 否国际标准书号ISBN: 9787535789853
推荐理由1：一本引人入胜，带来烧脑快感的读物……为读者提供了*前沿的视角，让读者观看世界上*出色的科学家们如何挑战宇宙中*奇怪的天体——黑洞。
推荐理由2：为我们带来了一场奇妙的黑洞之旅，展示了这个概念的美和神秘，以及许多大科学家包括爱因斯坦和霍金，都为之感受到的好奇或者痴迷。
《时间简史》以来□动人心弦的宇宙之书
诠释恒星的终极演变如何改写宇宙格局
u 黑洞是一种怎样的天体？既然光都无法逃逸，为何会有“霍金辐射”？
u 黑洞内部究竟有什么？相对论为何无法解释？量子力学如何描述微观视角下的黑洞？
u 时空凹陷如何制造奇点？白矮星、中子星、类星体的相继发现对黑洞理论的发展和人类寻找黑洞带来怎样的启示？
u “宇宙头号黑洞嫌疑犯”天鹅座X-1真的是黑洞吗？你听说过“面条效应”吗？想不想来一场奇妙的黑洞之旅？
从诞生之日起，黑洞理论便饱受非议，但这并不妨碍它成为天体物理学研究的焦点和人们对它的广泛喜爱。玛西亚 芭楚莎的《黑洞简史》以时间为序，全面阐述了这项伟大理论的诞生和发展如何与基础物理理论的演进紧密缠结、相互促进，而对黑洞本质的研究将为我们带来一个爱因斯坦梦寐以求的大一统理论，从而解决物理学上的终极问题。
作者还以生动的笔法，清晰地描述了黑洞的神秘成因、奇特属性以及其在宇宙中的统治地位和对宇宙未来的深刻影响，还原了爱因斯坦、霍金等*物理学家在这项□令世人困惑的科学探索中表现出的思维碰撞与无畏创新，是一部恢宏的黑洞理论发展史及发现史。
前 言 黑洞之美 14
第1 章 经典黑洞 引力使光无法逃逸 1
苹果树下开启的伟大时代 3
哈雷彗星的现身说法 7
只要是成对出现的恒星，必然彼此靠近 9
米歇尔设想的极限情形 14
如何“看”见不可见的恒星？ 15
第 2 章 相对时空 物质告诉时空如何弯曲 17
经典力学与电磁理论不协调？ 19
宇宙飞船上的时间要比地球上的慢？ 22
广义相对论首胜：水星轨道额外进动43 角秒 29
行星围绕太阳转，其实是陷入太阳制造的时空凹陷？ 31
第 3 章 奇异之点 密度无穷大，体积却为零 39
让相对论熠熠生辉 41
史瓦西奇点 44
令一切物理定律崩溃的地方 46
襁褓期的黑洞 49
第 4 章 恒星危机 不可避免的引力坍塌 51
天狼星的摇晃 53
白矮星的质量上限为1.4 个太阳？ 61
超过钱德拉塞卡极限又如何？ 62
好一个“星级玩笑” 65
准备好“买入”黑洞了吗？ 69
第 5 章 致密星体 新星大爆发宣告了中子星的诞生 71
新星大爆发 73
恒星核将被挤压为半径极小而密度极大的中子裸球？ 75
不同质量恒星的聚变链 79
物质会被压缩得如此致密吗？ 81
第 6 章 永久跌落 恒星将会无限制地持续收缩 83
研究恒星能够避免被捕吗？ 85
奥本海默：中子星也有质量极限 88
恒星坍缩，奇点再现 95
爱因斯坦不相信黑洞 98
普林斯顿的老傻瓜 100
第 7 章 恒星结局 坍缩的结果是形成黑洞 105
古怪金融家资助的反重力研究 107
惠勒：教授相对论是为了了解敌方？ 111
阻止恒星末日 115
殊途同归——黑洞与冻结星 119
将黑洞视界上发生的事视觉化 123
黑洞无毛 125
□后一个逃生出口 128
第 8 章 宇宙之音 以崭新的方式发现宇宙 131
詹斯基：位窃听宇宙声音的人 133
射电星的巨大不明能量源 137
“红移”破译奇特光谱玄机 138
只需一秒，便可为整个地球供电数亿亿年？ 141
第 9 章 类型 对于黑洞精确且的描述 145
相对论与天文学的大融合 147
超大质量黑洞正是类星体的巨大能量源 150
GPS ：广义相对论在日常生活中的首次应用
克尔度规：描述旋转物体周围的时空 157
黑洞的类型 161
谁将黑洞这一词语引入天文学？ 163
第 10 章 黑洞旅行 如果你穿越视界进入黑洞 169
科学家大迁徙 171
越过视界的奇异旅程 173
在视界的边缘上，你会永远年轻 175
第 11 章 寻找黑洞 局势明朗到足以让霍金低头认输 177
借探月之名，行黑洞之实 179
天鹅座X-1 ：宇宙头号黑洞嫌疑犯 184
霍金不光彩的赌约 187
形状奇特的宇宙射流是如何产生的？ 188
能量如何逃出黑洞？ 191
命中注定的邂逅 192
第 12 章 黑洞本质 不同尺度下的黑洞会有完全不同的特征 195
以量子力学重塑引力理论 197
霍金：黑洞视界只增不减 199
从“黑洞有熵”到“霍金辐射” 201
黑洞会蒸发吗？会爆炸吗？ 204
基于量子力学的黑洞 206
物理学上的终极问题 208
结 语 引力波探测与黑洞 210
黑洞大事记 217
译后记 黑洞研究的全景图 228
玛西亚 芭楚莎访谈录 232
前 言
黑洞这个概念是如此诱人，它将探索未知的兴奋感与对潜在危险的恐惧感巧妙结合，令人难以自拔。想象一段接近黑洞边缘的旅程，就好比靠近尼亚加拉大瀑布的悬崖边，注视着眼前近乎垂直、骤然跌落的汹涌湍流，危险近在咫尺，但我们仍能安之若素地欣赏眼前美景，因为我们知道，有坚固的栅栏保护着我们。那么，将视线扩展到整个现实世界中，我们也深知，我们是安全的——谢天谢地，离地球□近的黑洞也远在数百光年之外，所以我们能高枕无忧而不无心跳地间接体验着这暗黑天体带来的神秘刺激感。
黑洞是鸡尾酒会上所有天体物理学家都□有可能被问及的天体，理由很简单：它离奇古怪，神秘莫测。正如知名黑洞专家、加州理工学院的理论物理学家基普 索恩所写的：“很多人认为，像独角兽和恶魔一样，黑洞似乎更应当出现在科幻小说或古代神话里，而不是真实的宇宙中。”
得克萨斯大学天体物理学家J. 克雷格 惠勒甚至将黑洞称为一种文化意象：“几乎所有人都知道黑洞的象征意义：张开血盆大口吞噬一切的怪兽，任何东西都难逃其魔掌。”
和人们对“外星人”的看法一样，曾几何时，“黑洞”概念荒诞无稽，纯属奇谈怪论，而现在则家喻户晓。仅是让物理学家接受这个概念，就花费了数十年的时光。像人们喜欢引用的一句格言所说：所有真理的成长都要经历三个阶段，首先是遭到无情的嘲笑，然后是承受激烈的反对，□终被当成理所当然欣然接受。黑洞理论的发展无意间成为这句格言的□好诠释。
正是黑洞，迫使天文学家和物理学家们开始认真对待爱因斯坦□令人瞩目的成就——相对论，并将之推上。而在此之前有那么一段时期，相对论经历了令人绝望的低谷。爱因斯坦曾被《时代》杂志誉为“20 世纪风云人物”，然而，这样的殊荣对于20 世纪中叶的科学界很难想象。在那个时代，世界上极少有大学开设广义相对论课程，因为物理学家认为广义相对论无法进行实际应用。□优秀、□聪慧的物理学家大多涌向了物理学的其他领域。英国科学家1919 年在非洲的日全食观测结果成功地证实了爱因斯坦的广义相对论，随即掀起了讨论广义相对论的热潮。但在此之后，这位因之获得极大声誉的理论物理学家关于引力的新见解被大大忽略了。对于低速环境下的日常生活和普通星体的运动，艾萨克 牛顿的引力理论已给出了很好的解释，那么，何必要关注广义相对论对其微不足道的修正呢？这种修正又有什么作用呢？“爱因斯坦的预测对牛顿理论的修正是如此微小，”一位批评家指出，“我不知道为何要因此大惊小怪。”过了一段时间，爱因斯坦完善后的引力理论成为鸡肋似乎已是定局。到1955 年爱因斯坦去世前，广义相对论研究几乎到了门可罗雀的地步，只有屈指可数的几位物理学家依然为此奋战。在爱因斯坦去世那一年，作为爱因斯坦的亲密老友，诺贝尔物理学奖得主马克斯 玻恩在一次会议上坦承：“广义相对论对我来说就像一件精美的艺术品，我只是站在远处，欣赏并艳羡着它的美。”
事实上，爱因斯坦的理论超越其身处的时代几十年，仅仅凭借思索，他便能构建出引力模型，而实际的实验测量只能远远地在后追赶。直到天文学家用先进的科技手段获得了宇宙中令人惊讶的新发现，科学家们才再一次且以更加审慎的态度看待爱因斯坦的引力观。观测者们于1963 年首次发现类星体——在遥远而年轻的星系中心，类星体喷射出相当于太阳辐射万亿倍的能量。类星体距地球非常遥远，而4 年后，在近得多的太空中，观测人员偶然间发现了颗脉冲星——一种快速旋转、发出断断续续的射电哔哔声的恒星。与此同时，卫星搭载的探测器在不同角度上皆探测到来自宇宙的强大的X 射线流和γ 射线流。所有这些崭新的、令人眼花缭乱的信号表明，那些坍缩星体，比如中子星和黑洞，其毁灭性的引力和令人晕眩的旋转使其成为无与伦比的宇宙发动机。随着对新天体的监测不断展开，曾经静谧无声的宇宙向人类展开了它生动的一面——这似乎是属于爱因斯坦的宇宙，在相对论之光的照耀下，到处都是巨无霸级的能量源。
天体物理学家终于发现并欣赏到了广义相对论更深层次的美，尤其当他们将其应用于黑洞研究时。获得1983 年诺贝尔物理学奖的苏布拉马尼扬 钱德拉塞卡说：“它们（黑洞）是宇宙中存在的□完美的宏观物体。”黑洞为所有物理学家带来了他们在理论研究中梦寐以求的东西：简洁与优美。“美是真理的光辉。”钱德拉塞卡在诺奖演讲中如是说。
广义相对论研究曾经是一潭死水，如今则风生水起。无论在理论还是实践上，广义相对论大放异彩。黑洞不再是荒诞不经的怪物，而是宇宙的重要组件。在每个发育完全的星系中心，似乎都存在着超大质量的黑洞，而星系的命运很可能就掌握在它们手里。现代观测望远镜已大幅拉近了我们和位于我们银河系中心的那个巨大黑洞的距离，人类很快就能一睹其风采。同时，配备有全新设计的高精尖装置的天文台随时待命，探测宇宙空间中不同黑洞相撞时释放出来的于时空中发出低沉隆隆声的引力波。曾任美国物理学会主席的约翰 阿奇博尔德 惠勒在他的自传中写道：“当我们意识到宇宙有多么奇怪的时候，我们将首次了解它有多么简单。”
从18 世纪80 年代诞生关于黑洞的初步猜测，到20 世纪下半叶大量观测证据的出现证实黑洞的存在，黑洞概念的确立花费了人类两个世纪多的时间。在这期间的大部分时间里， 宇宙中存在着这种奇怪天体的想法要么被无情地忽视，要么遭受到强烈的批判。黑洞研究者们永不言弃的坚韧和呐喊才使得科学界□终承认黑洞的存在。
现在看来，物理学界曾经如此顽固，拒不接受黑洞概念的行径着实令人费解。黑洞理论的设想其实相当简单：它有惊人的质量，并且在旋转。在某种程度上，它与电子或夸克这样的基本物质没有区别。然而，物理学家抗拒的也许是黑洞的终极本质：所有物质聚集于一个点内。一颗恒星竟落得如此结局，物理学家们无法接受这样的事实。显然，个中原因更多来自于哲学而非自然科学。有个观念根深蒂固：自然界不会也绝无可能如此疯狂。值得庆幸的是，在过去半个多世纪里，毕竟有一些物理学家，尽管屈指可数，仍然逆流而行，不管黑洞理论在别人看来疯狂与否，都竭力推动着黑洞研究向前迈进。在广义相对论诞生100 周年之际，这本书讲述了在接受该理论的过程中那些令人沮丧的、足智多谋的、令人振奋的以及（有时) 又是幽默风趣的故事。本书不是关于黑洞的解剖学，也不是天文学或理论物理前沿研究成果的汇展，而是一项辉煌理论精彩无比、意义深刻的发展史。
亚当 里斯 2011年诺贝尔物理学奖得主
一本引人入胜，带来烧脑快感的读物……芭楚莎为读者提供了□前沿的视角，观看世界上□出色的科学家们如何挑战宇宙中□奇怪的东西：黑洞。
沃尔特 艾萨克森 《乔布斯传》（Steve Jobs）、《本杰明 富兰克林传》（Benjamin Franklin）及《爱因斯坦传》（Einstein）作者
玛西亚 芭楚莎为我们带来了一场奇妙的黑洞之旅，展示了这个概念的美和神秘，以及许多大科学家包括爱因斯坦和霍金都为之感受到的好奇或者痴迷。
《华尔街日报》
你不需要博士文凭，也能享受这本讲述黑洞如何从古怪理论变为常识的曲折故事……这是一个很美丽的案例研究，叙述了科学观点如何通过灵感、思索以及□终的观察而得以成长。
《华盛顿邮报》
《黑洞简史》是一本闪耀着光芒的佳作……这本充满智慧的书□有趣的地方之一，就是看历史上的物理学家们如何各显神通地否认、鄙视黑洞理论。啪啪啪地打脸。
《科克斯书评》
这是一本上乘的科学佳作，与那些令人生厌的科学人物传记不同，芭楚莎摒弃了乏味的人物事件和让人无法喘息的语言，撰写了这本十分有趣而隽永的书。
《出版商周刊》
芭楚莎对科学理论生动简明的叙述以及对科学家背后人格之深刻洞察，让这本书娱乐性和严谨性兼备。一本难得的佳作。
《新科学家》
爱因斯坦把宇宙彻底弄乱后，又拼命想要在里面寻找某种秩序，这个讽刺的事实并没有困住芭楚莎。这本笔触轻盈、富有趣味性的著作中包含了大量学问。
《科学新闻》
《黑洞简史》生动有趣，幽默的个人风格非常强烈，更清晰记录了许多大事件背后的科学历程。芭楚莎不愧为一名备受赞誉的科普作家。
《空间评论》
芭楚莎详细地讲述了黑洞兴起的故事……为我们带来一段清晰而且完整的历史……从18世纪对质量大到光都无法逃逸的星球的沉思，到今天对真正存在的黑洞的研究，都尽有叙述。
《旁观者》
生动有趣……如果你想知道过去一百年里黑洞概念经历了怎样戏剧性的变化，就翻开这本书吧。黑洞从表面上的数学谬误变成了迄今为止我们所知道的□奇怪、奇特的物体。
《科学美国人》
芭楚莎的书追溯了黑洞在科学史上经历的曲折历史……其中包含了很多历史上著名物理学家的趣闻轶事。
《论坛杂志》
若换成别的科普作家来写这个题材，或许要费尽心思才能把它写得有趣一些，但芭楚莎做起来却举重若轻。除了对硬科学外，芭楚莎对科学历史和人物研究也颇下功夫。哪怕患有□严重的科学恐惧症的读者，也能从这本书中得到满意而愉悦的阅读体验。
《泰晤士高等教育》
生动有趣的作品……绝不用担心阅读时会感到枯燥。芭楚莎出色地记录了人类理解黑洞的曲折历程，从牛顿到爱因斯坦，再到今天我们尝试将万有引力扩展到量子领域的努力。
《经济学人》
芭楚莎以生花妙笔为科学体制本身画像，揭示了它的潜在规范以及塑造其演变路径的人物个性……叙述了一个尚待继续展开的理念的背景故事。
《文学评论》
对一段精彩历史可靠而且可读性很强的记叙。
《普通读者》
一本妙笔生花的好书，非常注重历史细节，出人意料地展现了大量记叙详尽的档案资料，精彩绝伦地叙述了黑洞与广义相对的历史。
《展望杂志》
这是一部分析擘肌分理、解释入木三分的黑洞简史。
《牛津人书评》
这本书全面展示了黑洞的发现史和不断发展的相关科学原理，芭楚莎以奇异新颖、富有个人特色的风格阐述了宇宙中□狂暴的天体与事件，强力推荐阅读。
戴瓦 梭贝尔 《经度》（Longitude）作者
天文学家花了五十年功夫，将黑洞从一个可笑的概念变成每个星系当中□重要的核心存在，玛西亚 芭楚莎在本书中也完成了同样的壮举。这是一本让人无法抵抗的作品。
雷 贾亚瓦德纳 《微中子猎人》（Neutrino Hunters）作者
一本迷人而又权□的作品。从概念猜想到无可逃避的现实，黑洞永远是那么不可思议。芭楚莎讲述了一个离奇曲折、充满好奇、智力碾压和孤注一掷的精彩故事。
阿兰 莱特曼 《爱因斯坦的梦》（Dreams and The Accidental Universe）作者
芭楚莎的新书研究透辟，文笔优美，充满对科学事业本质的深刻洞察——黑洞迷会爱死这本书的。
第 4 章 恒星危机 不可避免的引力坍塌
白矮星的发现不过是惊人的恒星革命的前奏，一旦电子简并压与来自恒星内部的引力之间的平衡被打破，恒星又将如何演化？年轻的钱德拉计算出了白矮星的质量极限，而一旦超过这个极限，恒星的坍塌将不可阻挡。这种大胆的言论以相当直率的方式抛出，招致一位物理学家的无情嘲讽，一场力量悬殊的对决就此开启。
必定会有一条自然定律来阻止恒星的这种荒唐行为！
——亚瑟 爱丁顿
天狼星的摇晃
“史瓦西奇点”这个词语首次出现时，人们将其视为奇闻怪谈，没有人真的料想到，有朝一日它会从科技期刊里跑出来，成为活生生的现实。但是20 世纪早期，天文学上一系列令人震惊的新发现迫使那些保守的理论物理学家不得不永久性地改变他们的态度。此处□值得一提的是，那颗围绕着夜空中用肉眼能看到的□亮的恒星——天狼星而慢慢旋转的暗星。天狼星位于大犬座，长期被人们称为“犬星”。
天狼星及其伴星的发现历程开端于19 世纪的普鲁士。弗里德里希 威廉 贝塞尔任普鲁士柯尼斯堡天文台台长时，为方位天文学制定了新标准。1838 年，这位天文台台长因首次直接测量出恒星的距离而获得了巨大的声望。在当时，这项任务可谓是天文学上□大的挑战。之后，贝塞尔将注意力转向了恒星的运动。
贝塞尔多年来一直从事老星表的修订工作，为了追踪天狼星和南河三是如何随着时间的流逝在星空中移动的，他亲自进行了一些天文测量工作。到了1844 年，他已掌握了相当多的数据。他宣称，天狼星和南河三的运动并非如人们想象的那般平稳，而是呈现明显的轻微摇晃——类似波浪式的起伏运动。凭借其非凡的智慧，贝塞尔大胆断言：这种晃动是由围绕着它们旋转的看不见的天体引起的；暗星之于亮星，就像一位时时紧拽着母亲裙裾的小男孩。根据他的估计，天狼星的暗星围绕着亮星旋转一周的时间约为50 年。
这一发现显然令贝塞尔兴奋不已。他在给英国皇家天文学会的信中这样写道：“这个发现……对整个实用天文学意义重大，我认为值得大家关注。”
确实有天文学家关注了此事。一些人试图通过望远镜辨认天狼星的伴星，但不巧的是，在贝塞尔报告他的发现时，天狼星B（作为一颗小体积的伴星而逐渐被人们所熟识）正位于和闪亮的天狼星A □近的位置（从地球观测者的角度），光度本就微弱的天狼星B很难被人们观测到。在随后的数年中，也无人能成功地找到这颗□亮恒星的伴星。
到1862 年1 月31 日，一切都变了。这天晚上，在美国马萨诸塞州的剑桥港，高端望远镜制造商阿尔文 克拉克和他的小儿子阿尔文 格雷厄姆 克拉克，正在测试他们为密西西比大学设计的新型折射式望远镜，这款望远镜将成为当时世界上□大的折射式望远镜。他们需要通过观测那些著名的恒星，对18.5 英寸的镜头进行色彩测试。在此过程中，小克拉克发现天狼星身边有一颗昏暗的伴星，正发出极为暗淡的光芒。
这项重大发现当时可能并未被记录在案，但幸运的是，老克拉克是一位狂热的双星观测爱好者，也许是他鼓励儿子到附近的哈佛大学天文台报告了这一发现。科学历史学家芭芭拉 威尔瑟则说，事实上，这一发现并不像一些书籍上所讲的那样是一次意外，而是在寻找天狼星的伴星方面，“老克拉克和哈佛大学早有接触”。
不管事情的真相如何，哈佛大学天文台台长乔治 邦德一周后证实了这一发现。他很快就完成了两篇论文，其中一篇寄给一家德国天文杂志，对新发现只作了寥寥数语的简单介绍，另一篇寄给了《美国科学杂志》，在其中作了极为详细的汇报。在第二篇论文中，邦德提出了他脑中萦绕不去的问题：“它持续可见——正是这颗迄今为止被认为不可见的天体引起了天狼星的晃动，无论这是否能够得到证明。”新发现的这颗恒星出现的位置似乎恰好可以用来解释天狼星波浪式起伏的方向，但其亮度极为微弱。事实上，恒星如此昏暗在当时看来是质量太小的表现，而小质量的恒星可能不足以引起附近恒星的晃动。这是天狼星B 首次遭遇到的独特问题。
由于发现了天狼星暗淡的伴星， 阿尔文 格雷厄姆 克拉克于1862 年获得了由法国科学院颁发的具有声望的拉朗德奖。全球范围内的天文学家们通过持续多年对天狼星及其伴星轨道的观测，□终判定：尽管这颗伴星发出的光还不足我们太阳的百分之一，但其力量巨大到足以拉动天狼星A（相当于整个太阳的质量）。没有人立即对这种不一致性表示质疑。人们只是耸耸肩，认为天狼星B 不过是颗类似太阳的恒星，而且正在逐渐冷却下来，即将走到生命的尽头。
此时此刻，还没有人获得天狼星B 的恒星光谱。也就是说，获取来自那颗微小球体微弱光线的光谱图。由于这个双星系统中主星的亮度太高，这项任务很难完成。直到□终取得其光谱时，天文学家才推测出，天狼星B 也像其他暗星或较冷的星一样，是黄色的或红色的。这是因为在天文学界有一条公认的规则：恒星越热就越明亮；□亮的恒星呈白色、蓝白色或蓝色。
但是在1910 年，普林斯顿大学的天文学家亨利 诺利斯 罗素的发现让人们对这条规则产生了怀疑。波江座40有一颗昏暗的伴星，人类于1783 年就知道这颗伴星的存在了。而在哈佛大学天文台对其拍摄的一张照片底片上，罗素发现，它被贴上了写有“蓝白色”字样的标签。罗素马上质疑这张标签是否正确，但在1914 年，沃尔特 亚当斯在美国加州的威尔逊山天文台证实了这颗伴星光谱的正确性。一颗恒星怎么会既是白热的又是昏暗的呢？“我非常惊愕。”罗素回忆道，“我真的很困惑，想要弄清楚这到底意味着什么。”到了1915 年，亚当斯确认，天狼星的伴星也同样显示出一颗炽热的呈蓝白色恒星才具有的光谱特性，有高达25000 开尔文的温度，比我们的太阳还要热很多。为何天狼星伴星不像我们仅用肉眼就能看到的天狼星一样明亮？火一般的白色恒星，怎么会只有如此微弱的光辐射呢？相对于太阳，这颗恒星的质量相差无几，亮度却只能达到太阳的四百分之一。
很快，理论物理学家们，包括爱沙尼亚的恩斯特 奥皮克和英国天体物理学家亚瑟 爱丁顿，解释了这种现象的原因。如果一颗恒星是白色的，其温度又比我们的太阳还高的话，它在其表面每平方厘米一定会释放更多的光。但天狼星B 发出的光太微弱了，所以，这只能意味着，它的表面积比太阳小。换句话说，它密度更大，体积更小。事实上，它仅比地球大一点点。（奥皮克计算该星的密度是太阳的25000 倍左右。这个结果令人震惊，他起初宣称这是“不可能的结果”。）这样的恒星后来被称为“白矮星”。
与太阳质量一样大的恒星被压缩进如此小的体积内，天文学家和物理学家都无法解释，恒星是如何在这个令人难以置信的压缩状态中保持稳定的。在那个时代，物理学家仍无法解释这样的致密体如何得以持续存在。正如爱丁顿后来略带淘气地说：“天狼星伴星发向地球的信息被解码后是这样的：‘我是由密度比你们见过的任何东西还大3000 倍的材料构成的。我身上抠下来的一点点东西就可以重一吨，你可以放进火柴盒里。’对此，人们会有怎样的反应呢？大多数人的回答会是：‘闭嘴！别胡说八道！’”
□终，这个谜题的解开归功于20 世纪20 年代迅猛发展的量子力学。1926 年，英国理论物理学家拉尔夫 福勒指出，与整个太阳质量一样大的恒星之所以能够被压缩进地球大小的空间里，从而产生宇宙中密度□大的物质，是因为在致密的白矮星内部，压力变得极大，所有的原子核就像一大批小弹珠一样，被尽可能地挤进□小的体积内。原子内的大部分空间是空的。（如果一个原子被放大到一个足球场大小，原子核看起来就像是50 码线上的一粒豌豆，周围的电子在□远的座位周围快速运动，发出嗡嗡声。 ) 但在白矮星内部，所有这些剩余空间都大幅度减少。与此同时，其自由电子产生了内部能量和压力，防止原子进一步坍塌。具有不相容性的电子摩肩接踵，挤在一起（由沃尔夫冈 泡利制定的一条量子力学定律，禁止电子合并），阻止体积进一步缩小。白矮星持续稳定的关键是由极高密度和快速移动的电子产生的令人难以置信的巨大斥力，这种斥力被称为简并压，可以防止恒星进一步坍缩。这种压力要比在太阳中心的压力高出100 万倍。量子力学出现之前，这种压力是不可想象的。
白矮星的超密态物质在地球上是不可能聚集的，只有当恒星处于环境时，才有可能生成。天文学家后来了解到，这种致密星体是太阳这样的中等质量恒星演化的终极阶段。白矮星是恒星内部燃料消耗殆尽后残留下来的发光星核，核心以外的气态物质都被抛离恒星本体，进入太空，成为星云。这也将是我们的太阳在大约50亿年后的宿命。在逐渐释放完过去燃烧遗留的能量后，白矮星会像一堆灰烬，□终慢慢冷却，并慢慢死去。
极为致密的白矮星的发现原来不过是一场惊人的恒星革命的前奏。到了20 世纪30 年代，在运用相对论和量子力学的新定律时，理论物理学家震惊（且困扰）地发现，如果垂死的恒星质量足够大，就有可能面临比变成白矮星更加不可思议的命运。发现白矮星并理解其物理特性，开启了人类对于宇宙的全新研究。
1930 年夏天，正值全球经济大萧条时期，宇宙研究的大戏即将上演，大幕徐徐开启了。这与一次从印度出发的18 天海上之旅有关。旅行者是一位19 岁的高贵青年，名叫苏布拉马尼扬 钱德拉塞卡，简称钱德拉。钱德拉获得了剑桥大学奖学金，正计划前往剑桥大学读研究生，导师是拉尔夫 福勒。钱德拉需要先乘船，然后转乘火车前往。在印度的马德拉斯大学学习期间，钱德拉就十分着迷于白矮星的物理特性研究。在这次漫长的海上旅行中，他又开始钻研起这个问题。
福勒不久前向人们展示了，在一颗密度为一吨每立方厘米的致密星体上，被挤压得很紧的电子所产生的压力是如何使致密星体保持完好无损的。但这能够永远持续下去吗？钱德拉自问。他又接着问自己：如果是一颗质量更大的白矮星，又将如何？在轮船通过苏伊士运河驶入地中海的漫长航程中，钱德拉有充裕的时间慢慢思索。他突然间顿悟，意识到当白矮星的质量越来越大时，在致密星体的内部，电子移动的速度会越来越快，甚至接近光速。这意味着有必要运用相对论的规则来解释恒星的行为。这是福勒还没有做的事情。
世界就是这样终结的，不是伴着巨响，而是伴着呜咽。
——苏布拉马尼扬 钱德拉塞卡
白矮星的质量上限为1.4 个太阳？
尽管此时的钱德拉只是一名本科生，但他已对量子力学和相对论非常熟悉。他在轮船上完成了计算，得出的结论令自己大吃一惊：白矮星的质量有一个□大上限——残留的星核要小于1.4 倍太阳质量。钱德拉熟读科学文献，而且碰巧的是，他读过一些相关的重要书籍，而且将其中三本带上了船，以便自己随时翻阅。总之，在船上，他得出了这个结论。“过程其实很简单。一切都是基础计算，任何人都可以做到。”钱德拉后来于1971 年谦逊地回忆道。如果白矮星的质量超过他计算的极限，就有可能无法对抗自身的引力。在这个临界点上，会发生什么？这是一片完全未知的领域。质量更大的白矮星到底会如何演化，钱德拉没有头绪。“我不知道这样的白矮星将如何收场。”回想起那个发现的时刻，他补充说道。一到达英国，钱德拉即刻着手起草论文。
福勒将钱德拉在开始海上旅行前写的一篇关于白矮星的论文寄给了《哲学杂志》，却把钱德拉后一篇采用相对论解决方案的论文送给另一位专家评审。等待数月后仍未收到反馈意见，年轻的钱德拉觉得论文不太可能在英国发表，有些失望，就自作主张，把论文寄到了美国。后来，这篇论文以《理想白矮星质量的□大值》为题，发表于1931 年的《天体物理学》杂志上。这篇论文相当简明，差点被拒刊。一位审阅人起初怀疑钱德拉的一个方程是错误的，直至钱德拉提供了详细的证明过程。“我对他的方程吹毛求疵，这是错误的，我很抱歉。”这位审阅人对编辑说，“但在当时的我看来，这个方程如果是对的，事情就会极不寻常。在瞥中，我可没指望有什么重大发现。”
当钱德拉□初开始计算时，并不知道还有其他人，像英国的爱德蒙 斯通纳和爱沙尼亚的威廉 安德森，已经在早些时候发表过关于白矮星密度上限的估计值。他们认为，白矮星中的原子排列已尽可能地紧密了。但钱德拉采用的恒星模型更为复杂，□后得出的结论也更强而有力（并且更不易理解）。他的方程说明，如果白矮星的质量超过他计算出的那个阈值，就会面临全面的坍塌，其密度将趋于无穷大（他认为这是一个“无法使人信服”的结果）。
超过钱德拉塞卡极限又如何？
毫不奇怪，并不是钱德拉一个人在进行这项探索。恒星或者白矮星的质量问题悬而未决，这个时期的天体物理学家已开始分析恒星的内部结构，思考它们是如何被驱动的，又是如何形成的等问题。数百年来，天文学家已经完全可以追踪恒星的位置和运动，现在他们想“啪”地一下打开恒星( 理论上)，找出它们运行的原理。当身处英国的钱德拉对白矮星进行深入思考的时候，卓越的理论物理学家列夫 朗道在苏联也做着类似的事情。通过思考恒星的内部结构，朗道认为，在他的专业核物理学上，可能会有一些惊人的新发现。在建立起一个将恒星作为一团冷物质的简化的模型后，他于1931年得出结论：如果恒星的质量是太阳的1.5 倍，“整个量子理论再也找不出阻止恒星坍缩为一个点的方法”。但他同时又认为，这个结论显然是“荒谬”的。他知道，当然有更大质量恒星的存在。如何解释这个显而易见的矛盾？为了回答这个问题，朗道认为，应该按照丹麦原子物理学家尼尔斯 玻尔之前提出的想法来看待恒星核心内部的问题，而不是采用原来的物理定律。用朗道的话来说，就是恒星的内核是“反常”区。由于物质变得如此致密，会形成“一个巨大的核”。这种看法颇具预见性，给即将到来的宇宙革命以重要的启示。
与此同时，钱德拉也在继续探寻白矮星的命运之谜。但愈往前走，他愈是困惑。在1932 年发表的一篇论文中，他表达了这样的困惑。为了避免被英国人拒绝，他把论文发表在一家德国杂志上。文章的结尾这样写道：“我们可以得出这样的结论——如果我们不能回答一个根本性的问题，在恒星结构分析上就不可能取得更大的进步。这个问题就是，在一个包含电子和原子核（总电荷为零）的区域内，假设我们持续地压缩物质，会发生什么？”事实上，他是指，恒星会发生什么？钱德拉把□后这句话用斜体表示，很可能是试图引起天体物理学家的注意，因为当时的天体物理学家对此根本不感兴趣。英国天体物理学三巨头——亚瑟 爱丁顿、詹姆斯 吉恩斯和爱德华 米尔恩，都忙于在会议上对恒星内部结构及组成的问题争论不休，因而无暇顾及一个无足轻重的研究生的论文。只在一个问题上三巨头看法一致，那就是：恒星永远不会坍缩为一个点。
在钱德拉1932 年发表论文后的一段时间里，他的注意力转移到了别的天体物理学问题和旅行上。在获得博士学位并当选为剑桥大学三一学院研究员后，钱德拉重新回到了这个问题上。“有必要强调整项研究的一大成果，”他在1934 年写道，“必须建立并接受这样的观念——小质量恒星的演化过程和大质量恒星一定有本质上的不同。”对小质量恒星来说，自然的白矮星阶段是它们走向完全熄灭这一过程的初始。大质量恒星……不可能进入白矮星阶段，余下的工作是推测它们的其他演化可能。”换句话说，小质量恒星一定会以白矮星的方式走向终结，但对内核质量超过□大限度的大质量恒星，等待着它们的命运又将如何？究竟会发生什么？
钱德拉的头脑中曾涌现过这样的念头：自己的发现可能会开辟出一片物理学的新天地。“但我打消了这个念头……”他说，“我不愿意得出这个结论。”剑桥大学声名显赫者众多，作为一个外国人，他在那里难以找到归属感。“在我看来，有……太多人从事着无比重要的工作，相比之下，我所做的微不足道。我当时顾虑重重。”他回忆道。
然而钱德拉并未对这个问题放手，尽管他一如既往地默默无闻。在访问苏联期间，他意识到，如果没有一个很好的范例来佐证，即一颗从未超过关键的质量极限的恒星，经过一系列质量和属性的变化而演变成白矮星这样的事实，天文学家就不会相信他的质量极限说。钱德拉决意接受这一挑战。他用一台笨重的台式计算器，为每颗恒星做复杂的微分方程计算。□终，钱德拉于1935 年1 月1 日完成了一篇18 页的论文，里面充斥着各种计算。他把论文寄给了《皇家天文学会月刊》。文中有一张图表，生动地向世人展示了惊人的结论：质量越大的白矮星体积越小，直至半径接近零；超过一定质量后，白矮星将坍缩成某种近似不存在的状态。钱德拉早期的研究基于近似值，而这一次，他采用了精确值。
实现这一成果的过程是对钱德拉的脑力和体力的双重榨取。在长达几个月的时间内，他废寝忘食，通宵工作。在他不久后写给哥哥巴拉科瑞斯南的信中有这样的话：“被恒星内部的谜题围堵，被难解的微分方程虐待，被大量繁杂的运算施以重拳，饱受无人理睬的煎熬，被急欲赶在新年之前完成的想法弄得心慌意乱……□终，我体验到的并非刚开始潜入大自然深处时渴望得到的欢欣，而是焦头烂额、七窍生烟、失意和困顿。”
好一个“星级玩笑”
他得出的结论极为直率。“当核心密度足够大时……”，钱德拉写道，“（恒星）会坍缩到半径非常小，小到在天体物理学上没有任何实际意义。”人们未料到恒星会演化为如此结局。亚瑟 爱丁顿对这样的结论非常不悦，在1935 年1 月11 日于伦敦召开的皇家天文学会会议上，当讨论到钱德拉恒星剧烈坍缩的观点时，爱丁顿发表了他那声名狼藉的宣言（经常被引用）：“必定会有一条自然定律来阻止恒星的这种荒唐行为！”在场的观众哈哈大笑。
钱德拉刚在会议上展示了自己的研究成果，只得到了礼貌性的掌声，随即惊恐地听到了爱丁顿这句颇带讽刺意味的评价，这不啻于当头一棒。观众的反应也令他深感蒙羞。在这篇论文完成的过程中，钱德拉时常向爱丁顿请教，这位伟人并未有任何否定之语，甚至帮钱德拉找来了需要的计算器。也许，爱丁顿就是想等到公开的会议，方才向钱德拉的研究打出一记重拳，把它变成天体物理学史上□令人瞩目的智力角逐之一。
爱丁顿发表了他主导性的观点。他认为，把狭义相对论和量子力学结合起来使用是错误的，至少钱德拉以如此方法处理白矮星不可行。“我不知道我是否还能活着逃离这个会议，”爱丁顿在会上说，“但问题……是没有所谓的相对论简并性……我不认为这样的结合生出的孩子是合法的。”在同一年稍晚时，爱丁顿在《皇家天文学会月刊》上又发表了一篇言辞尖锐的文章，再次提到了“非法的结合”。爱丁顿早已因在天体物理学领域成就斐然而名扬天下，尤其是建立了恒星的标准模型，这是20 世纪天文学□伟大的成就之一。但他不信任钱德拉的特殊方法，也从不认为自己有可能是错误的。他身着花呢套装，保持腰身挺直，鼻子上端正地架着一副夹鼻眼镜，这位著名的天体物理学家似乎就是英国傲慢的化身。
爱丁顿在公开场合直言不讳这种情况并不少见，他总是乐于时不时地发表一通学术言论。对他来说，科学就是通过这种方式得来的。钱德拉并不是饮痛之人。多年以来，已经有许多人被爱丁顿的敏思所灼伤，但为何在这个至关重要的晚上，没有人帮钱德拉辩护呢？部分原因是钱德拉的研究中涉及的数学和物理知识太艰深，能像钱德拉一样熟悉天文学理论（更不用说量子力学或狭义相对论）的人很少，所以，没有人有能力支持他。爱丁顿是恒星结构和光度的专家，部分旁观者认为，爱丁顿当然是对的，钱德拉肯定是错的。也有一些人虽然支持这位年轻的理论物理学家的工作，但因畏惧与当时□受追捧的天体物理学家公开对抗而选择了沉默。甚至数年之后，几位重要的天体物理学家逐渐意识到了爱丁顿的错误，也只是私下里向钱德拉表示这一点，但在公共场合却仍然缄默，不愿让爱丁顿这位天文学界泰斗蒙羞。许多人建议钱德拉单枪匹马自我辩护，但缺乏来自同伴们的支持，钱德拉觉得痛苦。
爱丁顿号称恒星方面的知名专家，但令人困惑的是，他并没有将人们引领向新的天体物理学。他是相对论的专家，也能驾轻就熟地将量子力学应用到其他领域。事实上，在较早的时候，对于斯通纳等人提出的白矮星的密度上限，他颇为支持，并为他们穿针引线，将他们的论文发表在《皇家天文学会月刊》上。而为何在面对钱德拉时，爱丁顿却言之凿凿，不赞成将这两大理论结合起来，用于恒星坍缩问题呢？很可能，他只是心理因素在作怪——物质竟然可以压缩到体积接近于零的程度，这个观念太荒谬了。那些物质能去哪呢？当时的爱丁顿52 岁，他所接受的教育让他认为，已知的宇宙相当简单，所以，他肯定，宇宙不会像钱德拉描述的那样复杂。在他来看，这违背了常识。他觉得，只要用膝盖想想，就可以碾碎钱德拉的结论，忽视掉任何让他不悦的理论。英国科学史学家亚瑟 米勒认为，爱丁顿对钱德拉之所以公然嘲笑，其主要原因是想保护他已为之工作了8 年的一个奇异的数学体系。这个他所珍视的项目，目的是自然而然地同时推导出自然界的物理常数和宇宙中的粒子数，钱德拉的发现把他多年来的辛苦研究推到了危险的境地。如果相对论简并性成立的话，爱丁顿的“基本理论”就会一无是处。
所以毫不奇怪，爱丁顿依然坚决持反对意见。1936 年，在哈佛大学，他继续称钱德拉的白矮星极限为“星级玩笑”。面对责难，钱德拉作为绅士，表现出一贯的谦谦君子的优雅，泰然处之。加拿大物理学家维尔纳 伊斯雷尔说，在那个时候，“辩论是一项体育运动，就像打板球一样。打完之后，你可以到公共休息室去，和其他人干一杯”。尽管学术意见不一致，这两位科学家还是保持着友好的关系。他们继续一起喝茶，一起参加体育活动或结伴骑自行车。钱德拉确信自己的分析是正确的，他认为时间会证明一切。所以，尽管当时的天文学家以异样的眼光看待他，让他的内心无比煎熬，他仍保持了极大的耐心。“他们认为我就像堂 吉诃德，企图杀死爱丁顿。”四十多年后的他方才坦言，“你可以想象，与天文学界的领军人物对抗，这对我来说，是一段多么令人沮丧的经历。”
来自英国科学家的嘲笑对这位年轻的科学家而言，确实是屈辱和挫折。二十多年后，“钱德拉塞卡极限”——白矮星质量能达到的□高限度，才作为一个基本参数出现在天体物理学的教科书上。1983 年，钱德拉因此获得了诺贝尔物理学奖。
到了20 世纪30 年代，这一事件的消极影响便显现出来：钱德拉的自信心受到严重打击，他中断了这个课题的研究，长达数十年之久。钱德拉后来移居美国，因为那里的科学家对他的想法更为接受。他在叶凯士天文台和芝加哥大学继续研究其他天体物理学问题。“我不得不对自己（下一步）要做什么做出决断。我应该在我的余生中继续战斗吗？”钱德拉后来回忆道。“毕竟当时的我只有二十多岁，还要再从事三四十年的科研工作。我认为，对已经完成的事情，再怎么喋喋不休地纠缠，也不会有新的成果产生。”尽管钱德拉对于爱丁顿的批评在公众面前表现出很淡定的样子，但实际上，他的内心被深深刺痛。
事实证明，爱丁顿完全错了。自然对恒星的坍缩并没有提供任何安全网。年轻的钱德拉也没有冒险去猜测，如果白矮星的质量超过了1.4 倍太阳质量会发生什么。钱德拉生性保守，从不热衷于猜测，然而他为其他理论物理学家打开了一扇大门，使后者得以隐约窥见中子星和黑洞的存在。
准备好“买入”黑洞了吗？
当然，我们也可思忖，如果这段故事中有“如果”，事情又会如何？如果爱丁顿是钱德拉的拥护者而非反对者的话，天文学家们是否会更容易接受黑洞的存在？伊斯雷尔认为，这不太可能。他经过了深入的研究，把准了当时科学的脉搏。“在1935 年，”他写道，“天文学界还没有准备好‘买入’引力坍缩的观点。即使让爱丁顿这种大师级的推销员去兜售，也会劝说无效。”第二次世界大战前的天文学家们仍然相当保守，甚少有人接受过专门训练，或者对于把相对论和量子力学这样的新理论应用于解决天体物理学问题也很少有人感兴趣。许多人甚至不认为相对论是物理学的一部分，而将之视作数学的一个分支。
如果新的物理学理论仍无法阻止“史瓦西奇点”形成的可能，那么在这一点上，当时的天文学家就会自信地认为，一定还有其他未被发现的力，以阻止“史瓦西奇点”这种怪诞事物的形成。天体物理学仍是一门相对年轻的科学，仍有许多未知等待发现。很多科学家认为，大质量恒星会经历一个大规模减重期。随着时间的推移，它们扔掉足够多的质量，□终，所有恒星都会跌破那个关键的1.4倍太阳质量的极限，从而演化为白矮星，然后再安然死去。甚至钱德拉自己也承认，有一段时间他也倾向于这种观点。
但这似乎只是一个以“就是这样子”结局、听起来过得去的故事。这样的解释也可说是一个权宜之计，因为在一段时间内，这可以使天文学家避免不得不面对难以想象的事物时的尴尬。
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