黑洞有哪些特點(diǎn)？趙崢編寫的《看不見的星(黑洞與時(shí)間之河)》用通俗生動(dòng)的語(yǔ)言，從天文和物理等不同角度，描述了黑洞的來(lái)龍去脈，它的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，黑洞的信息疑難和奇點(diǎn)疑難，以及科學(xué)家們?nèi)绾卧跔?zhēng)論中推動(dòng)黑洞研究的發(fā)展。
本書還通過(guò)對(duì)彎曲時(shí)空和黑洞的探討，把讀者引向千古未解的難題：時(shí)間究竟是什么？時(shí)間能不能測(cè)量，它有沒有開始與終結(jié)？
作者簡(jiǎn)介：
趙崢，北京師范大學(xué)物理系教授、博士生導(dǎo)師。1967年畢業(yè)于中國(guó)科技大學(xué)物理系；師從劉遼教授學(xué)習(xí)廣義相對(duì)論。1981年獲北京師范大學(xué)天文系碩士學(xué)位；1987年獲布魯塞爾自由大學(xué)博士學(xué)位。曾任北京師范大學(xué)研究生院副院長(zhǎng)，物理系主任，中國(guó)物理學(xué)會(huì)理事，中國(guó)引力與相對(duì)論天體物理學(xué)會(huì)理事、理事長(zhǎng)。長(zhǎng)期從事理論物理的教學(xué)與研究，參加和承擔(dān)過(guò)多項(xiàng)國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目。在相對(duì)論、黑洞物理等領(lǐng)域發(fā)表論文100多篇。在黑洞熱性質(zhì)、時(shí)空奇點(diǎn)、鐘速同步和熱力學(xué)的關(guān)系等方面有創(chuàng)新性工作。1986年、1996年兩次獲國(guó)家教委科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。2008年獲ThomsonReuters“中國(guó)卓越研究獎(jiǎng)”。主要著作有：《黑洞的熱性質(zhì)與時(shí)空奇異性》、《黑洞與彎曲的時(shí)空》，科普作品有《探求上帝的秘密》、《物理學(xué)與人類文明》。曾獲第11屆和第12屆中國(guó)圖書獎(jiǎng)。
目錄：
第一章初窺黑洞
第二章恒星演化，走向黑洞
第三章彎曲的時(shí)空
第四章奇妙的黑洞
第五章黑洞附近的物理效應(yīng)
第六章探索黑洞的明星——霍金
第七章黑洞的信息佯謬
第八章奇點(diǎn)——時(shí)間有無(wú)開始與終結(jié)
第九章時(shí)間測(cè)量的疑難與探索
第十章千古難題：時(shí)間是什么
主要參考書目前言我第一次接觸到黑洞這個(gè)概念，是在1958年前后。當(dāng)時(shí)我在北京一中上初中，這所古老的中學(xué)有一個(gè)歷史悠久的圖書館。我的同班好友裴申是一位天文愛好者，他從學(xué)校圖書館借到一本叫做《每月之星》的科普讀物，聽他談?wù)摵笪矣X得非常有趣，于是也去圖書館借了一本。
這本書把中國(guó)古代的星座與希臘的星座對(duì)照介紹，不僅有美麗的神話，而且有當(dāng)時(shí)最先進(jìn)的科學(xué)知識(shí)。書中介紹了白矮星，那里有令人咋舌的地球人無(wú)法想象的高密度物質(zhì)，體積像小酒杯大小的一塊就重達(dá)1噸左右。書中還介紹了尚未發(fā)現(xiàn)的中子星，而且談到愛因斯坦的廣義相對(duì)論預(yù)言存在一種“看不見的星”。由于引力太大，這種星的光跑不出來(lái)，我們看不見。這種“看不見的星”就是今天所說(shuō)的黑洞。這是我第一次在書中看到有關(guān)黑洞的知識(shí)。我是一個(gè)喜歡讀科普書的人，但此后十多年，再也沒有從其他科普書和科普文章中看到有關(guān)黑洞的介紹。引言看不見的星：黑洞與時(shí)間之河《每月之星》是我讀過(guò)的最好的科普書，作者叫陶宏。書中序言的最后寫道：“一九四九年一月二十二日，北平停戰(zhàn)之日，陶宏寫于北大紅樓。”1978年我到北師大天文系讀研究生時(shí)，在一次談話中提到《每月之星》這本書和作者陶宏，我的導(dǎo)師之一、時(shí)任天文系主任的馮克嘉先生告訴我，陶宏是陶行知先生的兒子。
1996年，我在北師大研究生院工作，有幸與顧明遠(yuǎn)教授同在一個(gè)辦公室。中午休息時(shí)，我去翻看顧先生書架上的《陶行知文集》。在書中發(fā)現(xiàn)許多與《每月之星》相近的我第一次接觸到黑洞這個(gè)概念，是在1958年前后。當(dāng)時(shí)我在北京一中上初中，這所古老的中學(xué)有一個(gè)歷史悠久的圖書館。我的同班好友裴申是一位天文愛好者，他從學(xué)校圖書館借到一本叫做《每月之星》的科普讀物，聽他談?wù)摵笪矣X得非常有趣，于是也去圖書館借了一本。
這本書把中國(guó)古代的星座與希臘的星座對(duì)照介紹，不僅有美麗的神話，而且有當(dāng)時(shí)最先進(jìn)的科學(xué)知識(shí)。書中介紹了白矮星，那里有令人咋舌的地球人無(wú)法想象的高密度物質(zhì)，體積像小酒杯大小的一塊就重達(dá)1噸左右。書中還介紹了尚未發(fā)現(xiàn)的中子星，而且談到愛因斯坦的廣義相對(duì)論預(yù)言存在一種“看不見的星”。由于引力太大，這種星的光跑不出來(lái)，我們看不見。這種“看不見的星”就是今天所說(shuō)的黑洞。這是我第一次在書中看到有關(guān)黑洞的知識(shí)。我是一個(gè)喜歡讀科普書的人，但此后十多年，再也沒有從其他科普書和科普文章中看到有關(guān)黑洞的介紹。引言看不見的星：黑洞與時(shí)間之河《每月之星》是我讀過(guò)的最好的科普書，作者叫陶宏。書中序言的最后寫道：“一九四九年一月二十二日，北平停戰(zhàn)之日，陶宏寫于北大紅樓�！�1978年我到北師大天文系讀研究生時(shí)，在一次談話中提到《每月之星》這本書和作者陶宏，我的導(dǎo)師之一、時(shí)任天文系主任的馮克嘉先生告訴我，陶宏是陶行知先生的兒子。
1996年，我在北師大研究生院工作，有幸與顧明遠(yuǎn)教授同在一個(gè)辦公室。中午休息時(shí)，我去翻看顧先生書架上的《陶行知文集》。在書中發(fā)現(xiàn)許多與《每月之星》相近的內(nèi)容。
于是我又去翻看《每月之星》這本書的復(fù)印件，這才注意到一些我少年時(shí)代未曾注意的內(nèi)容。陶宏在序言中說(shuō)，這本書采用的是他在給父親做“小助教”時(shí)用過(guò)的資料。陶行知先生過(guò)世后，他覺得有必要把父親積累的素材編寫成書，并終于編纂出版了《每月之星》這本科普讀物。
我當(dāng)時(shí)感到十分震驚，原以為陶行知先生只是一個(gè)文科知識(shí)和社會(huì)知識(shí)豐富的教育家，沒想到他除去“中曉人和”之外，居然還“上知天文，下知地理”。我看到了一位真正偉大的教育家的形象，他為當(dāng)代的教育工作者樹立了光輝的榜樣。細(xì)想起來(lái)，孔夫子不也是一位百科全書式的人物嗎？我上大學(xué)期間，雖然在大三結(jié)束的暑假（1965年）自學(xué)過(guò)廣義相對(duì)論，但所看的那三本書中均未談到黑洞。我再次注意到黑洞是在大學(xué)畢業(yè)之后，分配到哈爾濱東北石油化學(xué)所工作期間。1974年的一天，我在所資料室中翻閱雜志，注意到當(dāng)時(shí)的《科學(xué)通報(bào)》上有王允然先生寫的一篇介紹黑洞的高級(jí)科普文章，我看得津津有味。
我在中國(guó)科技大學(xué)上學(xué)期間，王先生是物理系的老師，但未教過(guò)我，不認(rèn)識(shí)他，只是聽說(shuō)過(guò)他的名字。他和科大的一些老師和同學(xué)，通過(guò)自學(xué)攻讀鉆進(jìn)了廣義相對(duì)論的研究領(lǐng)域，并在宇宙學(xué)和黑洞領(lǐng)域開展了研究。他們組的成員有的是我上學(xué)時(shí)的年輕老師，有的是我的同學(xué)，這些熟識(shí)的名字給我巨大的鼓舞，也進(jìn)一步加深了我對(duì)廣義相對(duì)論和黑洞的興趣。
真正開始鉆研黑洞，是在我進(jìn)入北京師范大學(xué)，做了劉遼先生的研究生之后。劉遼先生是一位正直的知識(shí)分子�？箲�(zhàn)期間，他曾就讀過(guò)空軍幼年學(xué)校，準(zhǔn)備為保衛(wèi)祖國(guó)而戰(zhàn)�？箲�(zhàn)結(jié)束后，他又參加過(guò)共產(chǎn)黨的外圍組織，散發(fā)過(guò)《挺進(jìn)報(bào)》。解放后，青年劉遼從北大畢業(yè)，打算走科學(xué)報(bào)國(guó)的道路，但卻不幸被打成右派。在那些艱難的歲月里，他沒有選擇放棄，而是一心苦鉆理論物理，讓自己的思想在愛因斯坦與相對(duì)論的天空中翱翔。
當(dāng)改革開放的春天降臨之際，已經(jīng)掌握了相對(duì)論基本理論的劉遼，終于獲得了施展抱負(fù)的機(jī)會(huì)，他開始在北師大建立研究相對(duì)論的基地，并在國(guó)內(nèi)各地到處宣講、傳播愛因斯坦的理論。我有幸在這個(gè)時(shí)候考取了劉先生的研究生，在他的帶領(lǐng)下逐漸深入到廣義相對(duì)論和黑洞研究的前沿，從一個(gè)黑洞的旁觀者，變成了黑洞的探索者。
當(dāng)我于三十多年前初次跨入黑洞領(lǐng)域的時(shí)候，只有少數(shù)研究廣義相對(duì)論的人對(duì)黑洞感興趣，在那里仔細(xì)計(jì)算、反復(fù)推敲、熱烈爭(zhēng)論。天文學(xué)家一般都對(duì)此漠然視之，對(duì)宇宙中是否存在黑洞不置可否。
三十多年后的今天，情況倒過(guò)來(lái)了。天文學(xué)家大都對(duì)黑洞的存在感到樂觀，認(rèn)為宇宙中存在著黑洞，而且不少人認(rèn)為可能存在大量的黑洞，不斷有人發(fā)表論文，說(shuō)這里有黑洞，那里是黑洞，似乎宇宙中處處都有黑洞。
與此相反，原來(lái)研究黑洞的理論物理學(xué)家，卻有許多人感到情況不太妙，在那里爭(zhēng)論、反思。包括霍金在內(nèi)的一些專家認(rèn)為，原先可能把黑洞想象得太理想化了，真實(shí)的黑洞即使存在，也與理論計(jì)算出的可能有很大的差別，甚至也可能根本就不存在黑洞。
天文學(xué)家對(duì)黑洞的樂觀看法，產(chǎn)生自天文觀測(cè)。
我們知道，根據(jù)計(jì)算，一顆太陽(yáng)質(zhì)量的恒星，半徑70萬(wàn)千米，密度約為每立方厘米1.4克，形成白矮星后，半徑縮到1萬(wàn)千米，密度達(dá)到每立方厘米1噸左右。
如果形成中子星，其半徑將縮到10千米，密度達(dá)到每立方厘米1億~10億噸。如果形成黑洞，其半徑將只有3千米，“平均密度”達(dá)每立方厘米100億噸。
現(xiàn)在，白矮星早已在天文觀測(cè)中大量發(fā)現(xiàn)，約占恒星總數(shù)的十分之一。原來(lái)認(rèn)為不可思議的中子星也已發(fā)現(xiàn)很多。而從天文學(xué)角度來(lái)看，黑洞與中子星的半徑和密度其實(shí)相差不大。因此，黑洞的存在似乎是順理成章的事了。
另外，類星體巨大能量的來(lái)源，星系中心看不見的超大質(zhì)量，以及引力透鏡等，這些觀測(cè)結(jié)論都能用黑洞給出較為合理的解釋。
而物理學(xué)家對(duì)黑洞的反思則來(lái)源于黑洞理論造成的信息疑難、奇點(diǎn)疑難等帶有根本性的理論困難，以及以往對(duì)黑洞的過(guò)于理想化的認(rèn)識(shí)。
黑洞究竟是一種什么樣的天體，它到底存在不存在？本書將從天文學(xué)、物理學(xué)和數(shù)學(xué)的不同角度，來(lái)闡釋黑洞的來(lái)龍去脈，它的幾何結(jié)構(gòu)和物理結(jié)構(gòu)，它可能有哪些有趣的效應(yīng)。本書還將介紹，對(duì)黑洞的研究，給物理學(xué)帶來(lái)了哪些收獲和重要啟示。
黑洞這種從廣義相對(duì)論和微分幾何推演出來(lái)的天體，在沒有引入任何統(tǒng)計(jì)假設(shè)的條件下，居然自動(dòng)導(dǎo)出了溫度和熵。也就是說(shuō)，當(dāng)時(shí)空彎曲到一定程度的時(shí)候，物體將自然出現(xiàn)熱效應(yīng)。這種不可思議的結(jié)果顯示，萬(wàn)有引力與熱之間，存在著目前尚不清楚的深刻的本質(zhì)聯(lián)系。
對(duì)黑洞和彎曲時(shí)空的深入思考，進(jìn)一步把我們的注意力引向了“時(shí)間之河”。于是，我們?cè)趶V義相對(duì)論和黑洞理論的基礎(chǔ)上，深入探討了熱力學(xué)定律與時(shí)間性質(zhì)之間的關(guān)系。
我們的“大膽猜測(cè)”和“小心求證”也許會(huì)勾起不少讀者的興趣，給他們帶來(lái)愉悅的思考，并把他們引向持續(xù)千年的難題：時(shí)間究竟是什么？作者在寫作本書的過(guò)程中，謹(jǐn)記一個(gè)原則：一本好書，不只要讓人相信其內(nèi)容，更重要的是讓人有興趣去進(jìn)一步思考、探索和發(fā)現(xiàn)。
具有高中以上學(xué)歷的讀者不僅可以從本書中學(xué)到許多關(guān)于廣義相對(duì)論、黑洞和時(shí)間本性的有趣知識(shí)，而且能夠在不知不覺中提高自己的懷疑能力、創(chuàng)新能力和探究能力。
本書是在清華大學(xué)出版社和鄒開顏編輯的大力協(xié)助下完成的，還得到石磊、朱紅蓮等編輯的支持；北京師范大學(xué)物理系研究生祁景釗、梁桂榮協(xié)助打印了書稿，作者在此深表感謝。
作者的科研、教學(xué)和寫作工作，長(zhǎng)期得到國(guó)家自然科學(xué)基金（如10373003,10773002等）和教育部“精品視頻公開課”經(jīng)費(fèi)，以及北京師范大學(xué)教學(xué)經(jīng)費(fèi)的支持，在此一并表示深切謝意。這么重要的一個(gè)使牛頓產(chǎn)生偉大靈感的故事，牛頓在世時(shí)居然沒有和一位學(xué)者談到過(guò)。何況中年以后的牛頓并不是一個(gè)謙虛的人，他后半生一直在跟別人爭(zhēng)奪各項(xiàng)科研成就的發(fā)現(xiàn)權(quán)，其中很重要的一部分就是和胡克爭(zhēng)奪萬(wàn)有引力定律的發(fā)現(xiàn)權(quán)。牛頓與外人進(jìn)行了如此多的爭(zhēng)吵，怎么一次也沒有在爭(zhēng)吵中提及這一故事呢？所以，許多人認(rèn)為，這個(gè)故事很可能是牛頓的親屬為了確保他對(duì)萬(wàn)有引力定律的發(fā)現(xiàn)權(quán)而編出來(lái)的。
牛頓關(guān)于萬(wàn)有引力定律的論述最早出現(xiàn)在他的巨著《自然哲學(xué)之?dāng)?shù)學(xué)原理》中，此書是在他45歲時(shí)出版的。而蘋果落地的故事發(fā)生在牛頓23～25歲之間，在鄉(xiāng)下莊園里躲避鼠疫的時(shí)候。這個(gè)故事的出現(xiàn)，把牛頓發(fā)現(xiàn)萬(wàn)有引力定律的時(shí)間整整提前了20年，那是胡克等人所望塵莫及的。
牛頓的童年是不幸的，他是一個(gè)遺腹子，還沒有出世，父親就去世了。他的父親是一個(gè)農(nóng)民，文盲，而且脾氣暴躁，不過(guò)據(jù)說(shuō)智力還可以，家里也不算太窮。
牛頓的父系家族基本沒有文化，母系家族有點(diǎn)文化，但也不高。
后來(lái)母親改嫁給一位60多歲的牧師。牛頓的繼父有文化，也有些錢財(cái)。
但這位“思想道德工作者”本人的道德水平并不高，他不能善待前夫的兒子。
牛頓小時(shí)候飽受歧視，與同父異母的弟弟關(guān)系很差，只與妹妹關(guān)系較好。
幼年的牛頓由外祖父母撫養(yǎng)，很少得到母愛。這樣的生活狀況對(duì)牛頓性格的形成造成了極大的影響，致使晚年的牛頓顯得尖刻而貪婪。
在這樣的家庭條件下，童年的牛頓身體很差，學(xué)習(xí)也很差，和同學(xué)相比他什么都不行，對(duì)自己也缺乏信心。此時(shí)一個(gè)突發(fā)事件改變了牛頓的人生。
他們班上有一個(gè)小霸王，欺負(fù)牛頓，踢了他的肚子一腳，疼得牛頓忍無(wú)可忍。憤怒之下，小牛頓不顧自己身單力薄，憋足了全身力氣，把那個(gè)小家伙揍了一頓。沒想到居然打贏了，小牛頓馬上信心大增，覺得自己還行啊。他想，既然打架能贏，說(shuō)不定學(xué)習(xí)也行。打架產(chǎn)生的自信沒有把牛頓引向邪路，反而使他走上了刻苦學(xué)習(xí)的正軌。于是他的功課大有起色，而且越來(lái)越好。
不幸的是，牛頓10歲時(shí)，繼父又去世了，家中缺少勞動(dòng)力。上中學(xué)時(shí)，母親把他召回家，讓他干農(nóng)活。但他農(nóng)活兒干不好，也不大上心，他放的羊把別人家的莊稼吃了不少。還是牛頓的舅舅有遠(yuǎn)見，覺得自己的外甥別看干農(nóng)活兒不行，也許在學(xué)習(xí)上是塊好料。于是說(shuō)服姐姐讓牛頓繼續(xù)讀書。
中學(xué)畢業(yè)時(shí)，牛頓的舅舅又積極活動(dòng)，使他得以進(jìn)入劍橋大，并為他從學(xué)校爭(zhēng)取了補(bǔ)助金。其實(shí)此時(shí)牛頓的母親已從前夫那里繼承了遺產(chǎn)，并不貧困，但她掏學(xué)費(fèi)。牛頓能拿到補(bǔ)助金，正合他母親的心意。
然而，舅舅為牛頓爭(zhēng)取到的這點(diǎn)補(bǔ)助金不是自給的，窮學(xué)生們必須為富有的同學(xué)打掃宿舍，買東西，甚至倒尿壺。這樣的大學(xué)生涯，對(duì)于牛頓后來(lái)的性格形成肯定也有負(fù)面影響。好在牛頓的求知欲望強(qiáng)烈，而且確實(shí)才華出眾，他終于以優(yōu)異的成績(jī)?cè)趧虍厴I(yè)，并有幸留校當(dāng)了教師。
剛剛留校，英國(guó)就鬧鼠疫，牛頓不得不到鄉(xiāng)下母親的莊園中去躲避。他23~25歲之間，在那里度過(guò)了一年半歲月。不過(guò)他沒有虛度光陰，這時(shí)的牛頓已步入了科研的正軌，他在那里思考、研究了許多問(wèn)題。據(jù)后來(lái)他自己說(shuō)，他的力學(xué)三定律、萬(wàn)有引力定律、光的微粒說(shuō)、色散理論、微積分，都是在那段時(shí)間中研究出來(lái)的。不過(guò)，他沒有提到蘋果落地的故事。這個(gè)故事如果有，就應(yīng)該發(fā)生在這段時(shí)間。
牛頓在莊園中度過(guò)的這一年半時(shí)間，后來(lái)被稱為牛頓的“豐收年”。
青年牛頓是幸運(yùn)的，他留校后碰到了伯樂式的導(dǎo)師巴羅。實(shí)際上，牛頓的很多哲學(xué)和物理思想來(lái)源于巴羅。在巴羅的著作中我們可以看到他對(duì)絕對(duì)空間、絕對(duì)時(shí)間以及物體運(yùn)動(dòng)等許多重要概念的論述。
在牛頓的巨著《自然哲學(xué)之?dāng)?shù)學(xué)原理》中不難看到巴羅的影子。
當(dāng)時(shí)一位叫盧卡斯的富翁為了支持自然科學(xué)研究，給劍橋大學(xué)捐了一筆錢，設(shè)立了一個(gè)叫做“盧卡斯數(shù)學(xué)講座”的教席，為數(shù)學(xué)和物理專業(yè)的教授支付薪金。
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