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Will）是验证广义相对论、黑洞和引力波的S界领先理论家。1971年，他在加州理工学院获得博士学位，并在斯坦福大学、华盛顿大学和佛罗里达大学任教，目前是该校的杰出教授。 尼古拉斯·尤尼斯（Nicolás Yunes）是伊利诺伊大学的物理学教授。之前，他曾在麻省理工学院和哈佛大学担任美国宇航局爱因斯坦研究员，并在蒙大拿州立大学担任助理教授，在那里他与人共同创立了重力研究所（the eXtreme Gravity Institute）。 译者介绍： 刘丰源，南京大学天文学学士，中国科学院国家天文台天体物理学硕士。 目錄： 前言 译者序 章?绝妙之夏? 1 第二章?时间的褶皱? 19 第三章?光耀引力? 49 第四章?引力跳扭摆舞吗？? 93 第五章?检验相对论的天界灯塔? 121 第六章?如何用黑洞检验广义相对论? 159 第七章?终于探测到引力波了！ 201 第八章?引力波告诉了我们什么？? 233 第九章?引力波科学的宏亮未来? 269 第十章?对话? 301 內容試閱： 译者序 广义相对论之虹 人类次宣布探测到引力波，是一个隆冬。那时我过着封闭的寄宿高中生活，在阅读学校下发的作文素材时，一条头版标题攫住了我的目光。这个瞬间，班级里的嘈杂声似乎凝止了，我目不转睛地盯着这个标题： “重大发现，LIGO首次探测到了引力波。” 在毫无觉察之间，我经历了半世纪以来广义相对论光的时刻。世界上总有那么一些东西，极其难懂又高不可攀。和无数中国孩子一样，我从小听惯了爱因斯坦半真半假的奇闻逸事。电影里，只有通晓多门语言的神童和身残志坚的人才对高深的理论如鱼得水，而那些看起来和我的生活十分遥远。 他的广义相对论，仿佛早已镶嵌进了这个世界的基本框架。很多书里的口吻似乎都确定无疑：百年不遇的伟大理论已经建好，屹立不倒。种种稀奇的效应，尽管还未被完全验证，却如同西洋镜里的画片——若是你觉得有异议，一定是你太“土老冒”。 尽管从小总是大言不惭说自己想做个科学家，但诚实讲，我不知道这个世界还有什么留给我发挥。高考的重压下，我在桌肚里偷偷看一本旧版天文教材。书中讲述着琳琅满目的天文现象，而关于引力波只有寥寥数语：“类似探测还从来没有成功过。” 那则关于引力波的报道让我意识到，这宇宙中不确定的东西仍然多如繁星。三年之后，我在天文系的课堂上听老师讲解天体力学。那是天体在引力作用下无休止的复杂运动，广义相对论在其中扮演着不可小觑的角色。随后，我收到导师发来的讨论邮件。在他的办公室里，我看到了即将发表的人类首张黑洞照片。小小的光影之间，是检验广义相对论的前沿阵地。 后来我读到一篇关于相对论致密天体的论文，其中引用莱昂纳德·科恩的歌词：“万物皆有裂隙，光芒得以进入。”我研究生涯的“裂隙时刻”，或多或少都和广义相对论的实验有关。而广义相对论本身也同样有裂隙，正因为这些裂隙存在，我们才得以看到一个接一个实验透露的光芒。 在我现在工作的天体物理领域，广义相对论几乎无孔不入。那些星系的炽热心脏——活动星系核——表现出的许多特征，都需要依赖广义相对论解释。遥远宇宙的空间膨胀，也可用广义相对论推导出的公式描述。广义相对论不再是难以捕捉的鬼火，而是认识这个世界基本的常识和底色。在这个如此依赖广义相对论的世界，了解一些真实世界语境下的广义相对论，也变得越来越必要。 这就是为什么我在翻译的过程中越来越欣赏这本书。它不用那种故作夸张的语气鼓吹广义相对论中那些抽象的概念，反而尽量将其平实道来，如同描摹邻家院落的瓜果蔬菜。更为关键的是，书中还指出这些设想的要害在何处，以及我们该如何去分辨。这就是实验——理论与现实关联的地方。 事实上，广义相对论充满了异议。科学家也常常在工作中犯错，在职场上挣扎，与不同身份的人痛苦地打着交道。在检验伟大的理论之时，有时候相当接地气：在飞过我家乡上空的飞机，也许正搭载着测量引力红移的钟表。或者一个简单的实心大铜球或者粗铝柱，就能与时空的起伏共舞。 尤为难得的是，本书包含了众多实验案例和技术细节。有趣的理论预言，也许学过这门理论的人都有所耳闻，但要准确而简练地点明一项实验的亮点，非得是亲身参与过的内行人不可，这从本书致谢中那些鼎鼎大名就可见一斑。书中讨论的技术也非常前沿，横跨若干不同领域。纵观全书，几乎可一览人类尖端的技术成就，包括甚长基线干涉、无拖拽控制、脉冲星时间序列，它们在业内声名卓著，在外界却少被人知晓。受益于出版时间，实验进展较为新时，读者几乎能够感受到那种激动：我们正处在伟大发现的前沿。 少年时代的经历让我知道，一本能让人读懂的科普书是多么重要。本书中的科学内容不算简单，需要许多耐心才能完全理解。为了通俗起见，我在翻译过程中添加了若干译注，有些是对概念的解释，有些是对上下文逻辑推演的补足，还有的是对现状的更新。希望这些注解可以缓解科学的枯燥，为读者留下相对轻松和深入的阅读体验。书中涉及许多新概念、新项目，我在本书中为它们命名的同时，也向全国科学技术名词审定委员会建议了数十个新的标准译名。 后，感谢我的编辑杨波，容忍我在这份翻译处女作上追求完美的拖延和重复修改，并在编辑过程中付出了大量辛劳。还要感谢我的父母，尽管他们一直在文科领域耕耘，却始终支持我的科学探索，并在本书翻译期间给予我坚实的支持。 愿我们都能在生活中找到一丝裂隙，透入广义相对论的这一缕虹彩。 刘丰源 2023年春于北京奥运村 第六章 节选 黑洞也许是爱因斯坦的广义相对论里诡异、独特而迷人的预言。这种天体完全由弯曲的时空构成。无论是光线还是漫威的超级英雄，只要穿过那著名的“事件视界”，都会被它虏获。它已经和大众的想象牢牢绑定在了一起，没有任何物理概念能赶得上它。随便在大街上找一个人，让他说出四种基本作用力，或者构成原子的基本粒子，你大概率只能看他干瞪眼。但是如果让他说说黑洞，你很有可能收获一连串关于黑洞基本性质的结论。你基本上肯定能听到史蒂芬·霍金的名字，他随时随地都和黑洞这个概念绑在一起。你还可能会听到一系列电影的名字，里面出现过黑洞的身影。但更奇怪的是，我们确凿地认定黑洞存在，就好像我们知道的其他科学事实一样确切。在第七章和第八章，我们将会了解到令人赞叹的黑洞并合证据，那是从它们发射的引力波中得到的。但是在那些探测之前很久，天文学家就已经使用从伽马射线到射电波的各种光线获得了黑洞存在的证据。它们已经非常确凿，黑洞就在那儿，几乎没什么可怀疑的了。在这一章里，我们的目标是描述黑洞和支持黑洞的证据（除了引力波）。更重要的是，我们将会为你解释，人们是如何使用黑洞对广义相对论进行了不起的新检验的。我们已经在第三章中见过，约翰·米歇尔和皮埃尔·西蒙·拉普拉斯在1700年代末猜测有这样一种物体，它非常致密，以至于能阻止光从它的表面逃逸至远处。尽管说他们“预言”了黑洞似乎没错，但实际上，他们使用的物理——牛顿引力以及光的微粒学说——到头来并不是正确的。我们现在知道，引力受广义相对论管辖（至少目前的证据都支持这点），而光线受麦克斯韦的方程组管辖。即便你用量子力学里的光子概念去描述它，也是如此。无论如何，了解一下这些伟大的启蒙运动思想家如何运用他们的想象力、使用他们那个时代广为接受的物理理论得出来一些想法，还是很有趣味的。现代的、相对论版本的黑洞，始于次世界大战的战场上。有一位科学家士兵，名叫卡尔·史瓦西柴尔德（Karl Schwarzschild）。他于1873年10月9号生于德国的法兰克福市，是一个银行家的儿子。他的家族能一直追溯到中世纪的法兰克福，那时犹太人被隔离在犹太区[]中，不过也受国王，即德语里的“凯撒”保护。史瓦西家族甚至在那时就挺富裕的。他们家族的姓氏显然来自那个时期的一项传统，那就是用房前装嵌的铭牌（德语里叫“柴尔德”）来标记家族。在卡尔老祖宗的时候，他家的铭牌是黑色的（“史瓦西”），所以就有了这个姓。他们在犹太区有个邻居的铭牌是红色的（“罗斯”）。那个家族的子孙日后将成为著名的罗斯柴尔德财团家族。1811年，法兰克福的犹太区被废除了，犹太人也被赋予了一些公民权利。史瓦西在很小的时候就展露出对科学的兴趣。23岁时，他已经获得了路德维希-马克西米利安-慕尼黑大学的博士学位。他事业发展得很迅猛，先后在维也纳和哥廷根工作，在1909年走上了人生，当上了波茨坦天文台的台长。他在广泛的课题领域都做出了重大贡献，包括太阳物理、恒星运动统计学、天文镜片光学、彗星与小行星轨道的确定、恒星光谱分类……他甚至去过阿尔及尔[]，研究1905年的日食。当然，那时光线偏折还不重要；在那个时代，日食主要用来研究日冕，以及寻找太阳与水星之间假想的行星伏尔甘。1914年8月，次世界大战爆发了。那时他41岁，过了征召入伍的年纪，不需要参军。但是，就像当时德国的很多犹太人一样，他志愿报名参军，想要向国家展现犹太群体的忠诚（同样这样去服役的犹太科学家还有弗里茨·哈伯、詹姆斯·弗兰克和古斯塔夫·赫兹。）他从没上过战场。由于他有技术背景，他先是被派去比利时的那慕尔省（Namur）负责一个气象站，然后在法国担任炮兵部队的工作，后上了东部前线。1915年，他甚至写了篇论文，论述炮弹发射轨道中空气阻力的影响。不过这篇文章因为国防考虑而被拦下了。但是1915年末在俄国前线，他得上了一种罕见又痛苦的自身免疫皮肤病，叫做天疱疮。即便在今天，这种病也很难治疗。在接受治疗的时候，他收到了爱因斯坦几周前呈给普鲁士科学院的论文副本，里面描述了他新提出的广义相对论。史瓦西意识到，这一理论在数学上非常繁难。但是他开始尝试能不能通过一些简化的假设，找到爱因斯坦广义相对论方程的某个解。次求解中，他假设所求的解是静态的，随时间不变化。他还假设解是球对称的，不管绕着中心点怎么旋转，都不发生变化。他设想这种解可以用于一个完美的球体，比如一颗静止的恒星，离其他的干扰源都很远。在求解中他还假设所求物体非常小，其自身尺寸和内部结构都可以忽略。他将其称为“质量点”，即质点，也就是全部质量集中于一点的物体。这种假设在物理中很常见，因为这样一来，你就不需要考虑物体内部结构的各种混乱的细节，也能得知物体外部的解是什么样子的。令他意外的是，史瓦西算出了爱因斯坦复杂方程的一个简洁的精确解。第二次求解中，他假设物体的体积有限，但它内部的密度（每单位体积的质量）处处都是均匀的。这个假设不太现实，因为我们知道地球和太阳这样的天体受自引力束缚，核心比表层要更致密。不过同样地，这样的假设也让人不需要考虑太多棘手的细节，比如这个物体是固态、液态还是气态（还是混合态），抑或它是冷是热。再一次，他找到了爱因斯坦方程的精确解。他把他的解写在两页纸上，寄给了爱因斯坦。1916年1月13号，爱因斯坦和普鲁士科学院交流了那篇关于质点的论文，2月24号又交流了关于有限大小物体的论文。爱因斯坦很惊讶，史瓦西居然想办法得出了这些精确解。他自称看到第二篇论文的时候非常开心。至于篇质点的论文，就没那么开心了。那篇质点的论文里有样东西，让爱因斯坦烦恼不已。史瓦西的解给出的公式描述了弯曲时空的几何构造，它是随着到物体中心的距离而变化的函数。离物体非常远时，可能和你预期的一样，在遥远的距离上物体的引力变得可以忽略，时空的几何构造变成了普通的平直空间和时间。随着你靠近这个物体，时空的几何形状越来越弯曲，正如我们预期引力也变得越来越强了。但是在质点解中，当到中心点的距离为质点质量的两倍时（再乘上万有引力常数、除以光速的平方[]），一切简直是疯了。一个方程会变成无穷大（分母变成零），另一个方程会变成零。这种现象被物理学家称为“奇点”，此后进一步被称为“史瓦西奇点”。它并不是某种实体形成的表面，你不会撞到上面，也不会被它反弹。它是我们在数学上定义的一种假象的表面或者边界，原因是在这个表面上会产生奇怪的数学结果。问题是，这是什么？爱因斯坦认为这种奇点是无法接受的（我们将在第七章中读到，他认为自己在1938年已经证明了引力波不存在，因为那个解中明显存在奇点），而且现实中不会存在质点这种东西。另一方面，史瓦西第二个关于延展物体的解就完全可以接受了。当一个人接近一个物体的时候，时空的几何结构变得更弯曲（实际上，对于相同的质量来说，这种情况下物体外部的解和质点的情况完全一样）。但是一旦进入这个物体的内部，解的形式就改变了，一直到中心点都保持有限。爱因斯坦和其他人认为，一定存在某种物理定律，可以防止特定质量的物体变得太小，以至于缩进这种特殊的“史瓦西半径”内部。量级上的感觉是这样的：对于地球质量大小的物体来说，史瓦西半径约为一厘米，只不过婴儿手指尖大小。对于太阳质量大小的物体来说，大约是三千米。对于我们今日所谓五千万倍太阳质量的黑洞来说，其半径是地球绕太阳公转轨道的半径大小。这样一个物体必须要被压缩成一个不可思议的小尺寸，密度变得极其大，才能塞进史瓦西半径里。对于爱因斯坦和他同时代的人来说，世界似乎很安全，不会产生糟糕的史瓦西奇点。不幸的是，史瓦西遭受天疱疹折磨，无力回天；他死于1916年5月16号。尽管他是德国人，英国的《天文台》（The Observatory）还是在8月份为他发表了一篇讣告，因为他作为天文学家很有名气。讣告描述了他在天文学和天体物理中做出的诸多贡献，但没提到他对爱因斯坦广义相对论方程的解。爱因斯坦的理论在那时还是太新、太鲜为人知了。

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