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一个多世纪以前，爱因斯坦的广义相对论预言了黑洞的存在。从那时起，黑洞的奇异和谜一般的特性便激起了科学家和大众的好奇心。

尽管爱因斯坦知道黑洞就是他的场方程的数学解，但他却一直没有接受黑洞的物理实在，很多人也都认同他的观点。

20世纪六七十年代，这种状况发生了颠覆性的变化。新的观测结果证明了类星体和X射线双星系统的存在，而且它们的神秘特性只能用黑洞来解释，这让科学家和大众对黑洞的概念有了进一步的认知。此后，黑洞成为物理学研究的重要课题，黑洞的行为、对周围物质的影响、背后的物理学原理，比任何科幻小说都更离奇古怪和令人费解。

这本书在简要介绍狭义相对论和广义相对论之后，从天体和理论“实验室”的角度介绍了物理学家利用黑洞检验引力理论、量子理论和热力学的情况。从施瓦西黑洞到旋转黑洞再到黑洞碰撞，从引力辐射到霍金辐射和信息丢失，两位物理学家用创造性的思想实验和接地气的类比方法将黑洞的奥秘娓娓道来。他们还介绍了几十年来的引力波探索历程，特别是2015年9月14日LIGO成功探测到由十几亿年前的两个黑洞碰撞产生的引力波信号，人类第一次直接观测到黑洞的存在，多信使天文学时代由此拉开序幕。

这本书带领读者展开了一场探索黑洞奥秘的神奇之旅，令人眼界大开。

前 言 III

第1章 狭义相对论 001

第2章 广义相对论 023

第3章 施瓦西黑洞 051

第4章 自转的黑洞 087

第5章 宇宙中的黑洞 115

第6章 黑洞碰撞 137

第7章 黑洞热力学 169

结 语 195

史蒂文·古布泽（Steven S. Gubser），普林斯顿大学物理学教授，2017年西蒙斯物理研究员奖得主。

弗兰斯·比勒陀利乌斯（Frans Pretorius），普林斯顿大学物理学教授，2017年科学突破奖“新视野奖”得主。

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黑洞和引力波都是爱因斯坦广义相对论预言的结果。

从施瓦西黑洞背后的数学原理出发得出的最直截了当的假说是，黑洞核心有一个可无限压缩的物质核，落入这个核是万物的终结，也是时间的终点。

事件视界，即黑洞的“表面”，它是几何意义上三维空间里的一个二维位置。

现在看来，我们似乎已经从头到尾地探索了施瓦西解。这真是一个奇迹，它以一种简单、精确的方式描述了我们生活于其中的弯曲时空几何结构的特点，同时给出了银河系中最重的天体——位于银河系核心处的巨大黑洞——周围时空的几何结构的近似描述。施瓦西黑洞本身是完全静止的，就像一只潜伏在曲面几何网中心的蜘蛛。正如我们知道的那样，离视界太近的物体一定要奋力逃跑，任何穿过视界的东西很快就会被奇点毁灭成你能想象到的最细小的物质流。

事实上，这不是关于施瓦西解的故事的结局。施瓦西度洞而言，从奇点出发，时间的流逝将所有空间从奇点中拖拽开来，让所有东西都穿过单向边界到外面去。一旦出去了，分，其原因可以从一个显而易见的悖论中找到。除了在奇点处，测地线严格来说是“完整的”：作为时空中的最优轨道，它们没有开始或结束。对粒子测地线或光子测地线而言，从任何点出发总会有一个前进或后退的路径。唯一失效的情形是通向奇点的测地线，这时就需要用量子引力理论来解释发生了什么。当然，非引力性作用力可以使粒子沿非测地线的轨道移动，但作为时空中的路径，测地线一直在那里。比如，如果你坐在自己最喜欢的咖啡店的椅子上阅读本书，你就不会沿测地线运动，因为椅子和地面施加在你身上的力阻止了你这样做。但测地线仍然存在，而且穿过地面指向地球中心，那些不受其他外力作用的粒子或物体，比如中微子，还会沿测地线运动。

我们已经介绍了黑洞的一些奇妙之处，现在你应该可以理解，为什么在爱因斯坦公布了他的场方程后不久，施瓦西就可以运用精确的数学方法充分探讨场方程，但科学家却花了如此长的时间才弄清楚施瓦西度规的真正意义。在施瓦西解被严肃对待之前，包括1963年发现的克尔解在内的许多新的数学方法都成为必需品。同样重要的是，那时天文学家在宇宙中发现了一些用传统理论无法解释的天体，但黑洞理论却可以做到。如果不是这样，广义相对论就会被视为一个数学上的怪胎，而且没有物理学上的相关性（就像它在创立之初曾被认为的那样）。我们对黑洞的大部分现代理论都是在爱因斯坦逝世之后才建立的，所以很遗憾，他不能充分欣赏到他的理论是如何令人大开眼界的。

现在，参照系拖拽的奇异特征在这里起作用了。在克尔黑洞的时空中有一些测地线轨道，它们完全被限制在能层之内，沿它们运动的粒子具有非常大的负势能，并且大于其静能和动能的总和，所以它们的总能量是负的。这就是彭罗斯过程的作用原理：当处在能层之内时，飞船发射抛体，抛体在其中一条负能量轨道上运动。依据能量守恒定律，飞船将获得足够大的动能，既可以补偿被抛体带走的质量当量的能量，又包含了与抛体的净负能量相等的正能量。由于抛体随后会在黑洞中消失，我们可以用废料制造抛体。黑洞不仅会无怨无悔地吸入所有废料，还会以比我们投入能量更多的能量作为回馈。这简直就是名副其实的绿色能源！

我们可以从克尔黑洞中提取的最大能量取决于黑洞的自旋速度。在极端情况下（黑洞的最快自旋速度），约有29％的能量存在于旋转黑洞的时空中。这听起来似乎不多，但请记住，它是静止质量当量的能量。相比之下，核裂变反应堆只能利用的能量尚且不到静止质量当量的千分之一。

书籍介绍

一个多世纪以前，爱因斯坦的广义相对论预言了黑洞的存在。从那时起，黑洞的奇异和谜一般的特性便激起了科学家和大众的好奇心。

尽管爱因斯坦知道黑洞就是他的场方程的数学解，但他却一直没有接受黑洞的物理实在，很多人也都认同他的观点。

20世纪六七十年代，这种状况发生了颠覆性的变化。新的观测结果证明了类星体和X射线双星系统的存在，而且它们的神秘特性只能用黑洞来解释，这让科学家和大众对黑洞的概念有了进一步的认知。此后，黑洞成为物理学研究的重要课题，黑洞的行为、对周围物质的影响、背后的物理学原理，比任何科幻小说都更离奇古怪和令人费解。

这本书在简要介绍狭义相对论和广义相对论之后，从天体和理论“实验室”的角度介绍了物理学家利用黑洞检验引力理论、量子理论和热力学的情况。从施瓦西黑洞到旋转黑洞再到黑洞碰撞，从引力辐射到霍金辐射和信息丢失，两位物理学家用创造性的思想实验和接地气的类比方法将黑洞的奥秘娓娓道来。他们还介绍了几十年来的引力波探索历程，特别是2015年9月14日LIGO成功探测到由十几亿年前的两个黑洞碰撞产生的引力波信号，人类第一次直接观测到黑洞的存在，多信使天文学时代由此拉开序幕。

这本书带领读者展开了一场探索黑洞奥秘的神奇之旅，令人眼界大开。