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xirainbow

木虫 (正式写手)

[交流] 【趣闻】黑洞的故事zz

http://blog.sina.com.cn/s/blog_5f15ead20100fhfv.html
   首先感谢本文作者stringplayer。花了一些时间，终于知道了这个帖子最初是发在水木清华的。但到水木已经找不到这个帖子了。所以无法给出原文链接；（

黑洞故事

序
    某人爱听故事，那就先讲一个，这也是某人唯一看得下去的部分吧。
    蝴蝶是森林里以美丽著称的居民。从这片森林的第一棵小草出生，它们就移居此地，千百年来，它们没有一刻停止过寻找，寻找美丽的东西。它们用玫瑰的嫣红，梨花的洁白，溪水的清澈，露珠的晶莹装扮自己的薄翼，它们还受到虞美人花瓣的启发，把双翅修成美丽的心形。蝴蝶们不懈的追求，让她们成为森林之
神的宠儿。传说，每一只蝴蝶前世都是一朵花，今世，变成了精灵。可是有一天，暴风雨不期而至，它毫不吝惜的吹倒大树，打落花瓣，肆无忌惮。一只年轻的蝴蝶无力抵抗那肆虐的暴力，被雨点打昏了过去。当她醒来，发现自己在一个小屋的窗台上。当她都抖翅膀上的雨水，准备飞回森林的时候，她发现在窗户里面，有一支正在燃烧的蜡烛，她从没见过蜡烛，但是那摇曳的火焰，变幻着异彩，让她无法把目光移开。过了很久，她恋恋不舍的回到森林，告诉了自己的同伴。蝴蝶们立刻聚集在一起，她们决定派出三个志愿者去采集那神秘的绚丽。
    经过一番准备，第一只蝴蝶出发了。她来到了那扇窗前，可是窗户紧紧锁着，没办法，只好在外边欣赏了一夜，然后飞回森林，向同伴激动地描述了那奇迹般的美丽，于是，第二只蝴蝶迫不及待的出发了。这一次，窗户仍然紧紧地锁着，她鼓起勇气，从窗户的缝隙中钻了过去，她的翅膀被粗糙的木刺刮伤，美丽的花纹也被划脏，蝴蝶们总算可以得到这迷人的色彩了，她高兴地想着，忘记了疼痛，飞向火焰。可是当她要接近的时候，一股热浪袭来，她惊恐万分，什么都来不及想，拼命的逃回森林，同伴们发现倒在地上的她，翅膀上有一点擦不去的焦黑。蝴蝶们有些犹豫了，但是第三个志愿者毅然决定前往。飞越重重密林，忍着剧痛钻过小窗，她也来到了蜡烛的前边。她不由自主地被那婀娜的火光吸引着，直到一种焦灼的恐惧袭上心头。但是它太美了，蝴蝶们需要这样的美丽，她终于不顾一切飞去，她飞到了火焰的中央，她看到自己身上也充满了那炫目的色彩，她做到了！一团火焰向窗外飞去，越飞越低，越飞越低。。。。。。
    以上的故事，讲的是黑洞和物理学家。当然，物理学家们比蝴蝶要幸运一些，
    虽然，黑洞远比烛光要美丽的多，要可怕的多。

第一章
    黑洞是个很自然的想法，自然到早在1784 年，牛顿发表落地苹果及其数学原理之后一个世纪，就有个叫John Michell 的人写信给卡文迪许说， 如果有个星星比太阳密五百倍，那么这颗星星发出的光就会被引力拉回去 。可惜卡文迪许好像不是很感兴趣，他在一年前失去了父亲，得到了130 万英镑的遗产，这对于雨人似的小卡来说肯定比发现氢气，做个扭秤什么 的头疼。（小卡对于金钱的概念几乎为零，有一次，经朋友介绍，一老翁前来帮助他整理图书。此老翁穷困可怜，朋友本希望卡文迫许给他较厚的酬金。哪知工作完后，酬金一事卡文迪许一字未提。事后那朋友告诉卡文迪许，这老翁已穷极潦到，请他帮助。卡文迪
许惊奇地问：“我能帮助他什么？”朋友说：“给他一点生活费用。”卡文迪许急忙从口袋掏出支票，边写边问：“2 万镑够吗？”朋友吃惊地叫起来：“太多，太多了！”可是支票已写好，速度之快，不愧是我辈中人）
    Michell 的黑猩猩模型很快就被大牛拉普拉斯接着发展了一下，现在我们好像一提起黑洞都会把他老人家抬出来，其实思想上并没有前进多少 。
    说到拉普拉斯，给某人讲讲他的故事吧。想当年年轻的拉普拉斯拿着一个名流的推荐信找到方正大师级的人物达朗贝尔，人家根本就没放在心上。于是他就回去写了一篇论述力学几何的文章，这回把老人家高兴得差点让他去做教父。——如果有自信，我们自己就是最好的推荐人。
    拉普拉斯研究的东西很简单，就是我们头顶的星空。 他问的问题也很简单，我们的太阳系是稳定的吗？牛顿早就给出了回答：神会在合适的时间加以调节。拉普拉斯用了二十五年写了五卷《天体力学》，证明了一大堆关于扰动，轨道之类的结论，其实和牛顿说的一样，不过是用了另一种神的语言，数学。拉普拉斯的书里毫不脸红，毫不提及原作者的引用了拉格朗日，勒让德等人的工作。这在那个鱼传尺素的浪漫年代让好多人过高的评价了他的贡献。不过唯一的例外是，他不能不提到牛顿。
    拉普拉斯36 岁的时候成为法国科学院院士，那一年他给一个非凡的16 岁毕业生进行考试，那个人日后让他做了内政大臣，这个毕业生叫作拿破仑٠波拿巴。
    拿破仑有一次问到在他那些伟大的证明中上帝扮演了什么样的角色，拉普拉斯说：“陛下，我不需要这个假设。”
    “大自然的全部结果不过是少数几个永恒定律的简单推论。”
                                                            ——拉普拉斯
    “一個第一流的数学家，拉普拉斯很快就暴露出自己只是个平庸的行政官;从他最初的工作我们就发觉，我们受骗了。拉普拉斯不能从真实的观点看出任何问题，他处处寻求精巧，想出的只是些胡涂主意，最后把无穷小的精神带进行政机关来”
                                                       ——拿破仑
     这个故事告诉我们，如果你什么事都干不好，多半就只能当个数学家或者物理学家了。
    “我们知道得不多，我们未知的无限。”
                                ——78 岁的拉普拉斯对这个世界说的最后一句话

第二章
    黑洞的想法只在大师们的脑子里闪了几十年，然后就被彻底遗忘了。这主要归功于一些顽固的认为光是一种波动的人，以及在那个没有牛顿的时代里，美丽得让人无法争辩的实验事实（我认为雅致的杨式环绝对可以胜任图腾膜拜）。最重要的是，在这个阵营里，有一位堪与牛顿比肩的人物，麦克斯威。
    小麦最让人难忘的贡献当然是他那惊为天人的一组方程。为了一窥上帝之书，他19 岁去了三一学院，陶瓷套到开尔文(勋爵，贵族哦），霍普金斯等牛师，他们都是可以用数学唱歌的那种人，而小麦碰巧也有长江后浪推前浪的天才。
    小麦24 岁的时候发表了关于磁力线的第一个方程，论文的题目叫做《法拉第的力线》。那个时候人们最喜爱的仍然是迅雷不及掩耳盗铃之势的超距作用，小麦给正处在襁褓中的场的概念带来了亟需的呵护。恰好这一年，法拉第决定退休了。
    小麦28 岁的时候，有一天风和日丽，像往常一样看了看黄历，“益出行，访友”，于是他脑子一热，决定去拜访法拉第。愉快地交换了一下物理学界的花边新闻之后，“你是唯一真正理解我的人，但你不该停留于用数学来解释我的观点，应该突破它。”这位68 岁的科学巨匠如此道别。
    不久，一篇《论物理的力线》在《哲学杂志》上被m，小麦完成了关键的突破。其后，伟大的方程接连降生，那位在海边捡贝壳小孩的信笔涂鸦一起构筑了被我们成为经典物理的不朽神砥 。
    那个时代的物理学家对论文很虔诚，每一片都要被m。小麦提出光是电磁波之前只写过两篇电磁学论文。据我所知，活在我们这个时代的甲虫里，只有Wilson 才有那样的心境了，他得诺贝尔奖的时候，一共有25 篇文章。
    小麦在剑桥也属于卡文迪许实验室，卡文迪许留下的笔记上有这样的纪录“狗毛磨擦放电要大于猫毛磨擦放电”，而小麦刚好有一只名叫托比的小狗，和一群实验物理学家同事。。。。。。谨以此事告诫某人，养宠物的事一定要三思，牛顿的小猫除了在他们家门上有自己的出入通道外，也不得不忍受和主人一样废寝忘食的悲惨生活。
    如果让牛顿研究地球在太阳系中的命运，月球多半要被忽略，而如果让小麦来做，恐怕我们会得到无穷多个月球影响下千疮百孔的地球妈妈了。小麦发展的这种方法，我们称为统计力学。我们来看看统计物理的奠基者之一玻耳兹曼对麦克斯韦一篇论述气体动力理论的文章的反应：（在那篇文章中，麦克斯韦阐明了如何精确求解气体迁移系数，在那里分子间力是分子间距离的负5 次幂的函数）
    一个音乐家听出几个小节就能认出莫扎特、贝多芬还是舒伯特，同样，一个数学家读几页就能看出是柯西、高斯、雅可比、赫姆霍茨还是基尔霍夫。法国数学家形式优雅超群，而英国人，特别是麦克斯韦，则具有戏剧性的感觉。例如谁不知道麦克斯韦关于气体动力学理论的论文？首先是对速度变化的庄严壮丽的论述，然后状态方程从一边进入，有心场中的运动方程从另一边进入。公式的混乱程度越来越高。突然，我好像听到定音鼓，鼓槌四击"敲定N=5"。邪恶的精灵V（两个分子的相对速度）消失了；就像在音乐中一样，一直突出的低音突然沉寂了，似乎不可超越的东西好像被魔术般的一声鼓鸣超越了。
    这不是问为何这个或那个代之而起的时候。如果你不能与那音乐一道同行同止，那它放在一边吧。麦克斯韦不写注释的标题音乐。一个结果紧随另一个结果，连绵不断，最后，像一阵意外的旋风，热平衡条件和迁移系数的表示式突然出现在我们面前，紧接着幕落了！
    可惜的是，这位小麦在世的时候，没有多少人能理解他的思想。即使是亥姆霍兹和波耳兹曼这样的一时泰斗也花了几年的力气去读小麦的《电磁学通论》，虽然这本书一上市就被抢购一空。这情形颇有点像Weyl 的《群论和量子力学》，那也是一本在每个物理学家的书架上落了灰的书。
    小麦的妻子晚年多病，他必须经常守在身旁，在最后的日子里，甚至三四周都没有上床休息。爱人离去后不久，心力憔悴的麦克斯韦停止了48 年的沉思。

第三章
    1900 年，数学巨人希尔伯特提出长久不衰的23 个问题。
    1900 年，开尔文勋爵向世人宣布“物理学的大厦已经建成......只是远处的天空还飘着两朵让人不安的乌云。”
    1900 年，普朗克提出量子论的原型。
    1900 年，苏黎世综合技术学校一个普通的毕业生为了找工作而伤神。他在五年后，让乌云变成倾盆大雨，彻底清洗了物理学。(对比一下我们这一代人的千禧年，实在不值一提）
    阿尔伯特٠爱因斯坦是一个孤独的思想者，他不关心试验，不关心同事的进展，他所拥有的是对这个世界的一些最基本的信念，简洁，美丽。所以当大多数物理学家沉浸在牛顿——麦克斯威所建立的完美模型中修修补补的时候，爱因斯坦却在抱怨麦克斯威方程在牛顿理论的参考系变换下居然如此丑陋！他在1905 年将一份《论运动物体的电动力学》寄给当时最权威的《物理学年鉴》，按照他的习惯，这篇论文当然不只讲电动力学，实际上，明眼人一下子就看得出来，爱因斯坦提出了新的时空观。幸运的是论文通过了，发表了，尽管爱因斯坦没有提到任何实验证据（其实他也不知道 ）。他等待着想象中随之而来的批评和诘难。可是，等到的只是难耐的寂静。
    几个月后，他收到一封信，署名马克斯٠普朗克，当时最著名的物理学家。普朗克的垂青让其他一些物理学家开始擦擦眼镜，挠着头去理解这个三级专利员的异想天开。爱因斯坦没猜错，批评和诘难如期而至，甚至到了瑞典皇家科学院不敢再拖延他的诺贝尔奖的时候，都要在电报上加一句:不是因为相对论。爱因斯坦没猜错，他的美感，和上帝不谋而合。
    无论怎样，1905 年五篇顶级水平的论文为他赢得了大师的声誉，尤其是他那种理论家的终极形式的思考，让人不由得想起亚里士多德的雅典年代，让习惯了培根归纳法的人们眼前一亮，原来物理可以这样做。可惜今天我们不再有这样的领袖，每一个理论家都要不断得去关心最新的实验，不断地和同行讨论，以免误入歧途。不再有人能质疑物理学是实验科学，不再有人能自信而平静的说：“ 我相信，单纯的思考足以了解整个世界。”
    1908 年九月，爱因斯坦曾经的数学教授，把他亲切的称为“懒狗”的闵可夫斯基（他现在已经是世界数学中心哥廷根的名师了）用这样的话宣布了狭义相对论的最优美形势：
    “我要摆在你们面前的空间和时间的观点，已经从实验物理学的土壤中萌芽了，那里积蓄着它们的力量。他们是基本的。从今往后，空间和时间本身都将注定在黑暗中消失，只有二者的一种结合能保持为一个独立的实体。”
    这是闵可夫斯基的绝唱，几个月后，他死于阑尾炎。
    而此时的爱因斯坦，事业一帆风顺，刚刚晋升为二级专利员。

第四章
    没有几个定律可以冠以“万有”的头衔，就像牛顿引力那样。这个定律在整整两个世纪中经受住越来越严格的检验，那些和理论不符的观测要么在不久之后被证明是误差，要么更加深了人们对于牛顿的笃信——天王星的轨道异常，于是万有引力定律告诉你，把望远镜对准某处，你会发现新的天体。于是勒维耶发现了海王星。而在那之后几乎没有人会再怀疑牛顿引力定律。人类的智慧能够产生这样的奇迹，物理学能够有这样的威力，这简直和爱情一样不可思议。
    不过20 世纪初的时候，水星和月球轨道都有些无法解释的行为，后一个其实是观测误差，而前一个，预示着这个古老法则的失败。
    对于爱因斯坦来说，这些可疑的矛盾并没有多大意思，他追求的是那些最基本的原理。牛顿引力依赖于相互距离，可在不同的参考系中看，这个距离是不一样的，（这一定让你想到库伦力，不过和引力不同的是，那里有磁力来补充）爱因斯坦确信，违反相对性原理的理论不可能是对的，即使那是伟大的万有的牛顿的引力定律。没有止步于足以让他一生荣耀的狭义相对论，这对于物理学实在是件幸运的事。
    1907 年，有人请爱因斯坦写一篇关于相对论的综述，这让他有机会细细审视了自己的世界。有一天， “我正坐在伯尔尼专利局的桌旁时，突然出现一个想法：‘如果一个人自由下落，他将感觉不到自己的重量。’这被爱因斯坦称为是一生中最快乐的思想，（它的准确表述是，惯性质量和引力质量相等）在这样的参考系中，没有引力，狭义相对论控制一切，这是爱因斯坦为世界新添的规则，叫做等效原理（实际上在和量子力学结合后，这是个很让人迷惑的原理）既然有了引力，那么就不该总是局限于惯性系，可是像在牛顿——麦克斯威理论时出现的那种丑陋的参考系变换是不能忍受的，所以爱因斯坦要求所有的物理定律在所有的参考系下都具有原来的形式，这当然又是出于他那种与生俱来的美感。
    几天后，他用这两个原理进行了最擅长的思想试验，发现引力越强的地方，时间就流失的越慢。这些论证直到今天都没有人能够做什么改进。然后他开始考虑引力和相对论的统一，一个多月后，他决定放弃。引力是那样一个庞然大物，爱因斯坦还没有做好准备。他决定去关心一下“小东西的天地”，因此，他埋头于原子，分子，辐射，一直到1911 年，他的心又回到了引力。
    小东西的天地最终为他赢得了诺贝尔奖，而引力让他成为我们这个时代的思想导师。在物理学里， 最美丽的理论是属于引力的，最难的问题是属于引力的，最天才的学者也属于引力。这种情况，直到今天也没有改变（一家之言，无意引起争端）。

第五章
    爱因斯坦首先想到的是潮汐力（一个让人咬牙切齿的恶妇，当年彗星mm不顾一切飞向木星gg 的时候，离了八丈远就被她撕开。。。。。。灭绝师太啊）在牛顿理论中，不同位置受到不同的引力，合起来就是每天的潮涨潮落。而爱因斯坦在想，根据等效原理，自由下落的人如何解释自己被撕成碎片呢？（某人会不会觉得这样说有点bt?那就换一个说法)站在地球上的人如果让两个小球自由落下，直到地心，那
么原本分开的它们会在那里相遇。这一切在爱因斯坦看来只有一个解释，质点沿着直线走，而时空是弯曲的（所以小球的距离可能越来越远，也可能越来越近）。1911 年到1912 年，爱因斯坦试图用时间卷曲，空间平直来解释潮汐（这主要是因为之前已经发现的引力时间膨胀），这一年，让爱因斯坦被迫得到一个结论，他必须认真对待闵可夫斯基的思想（准确地说，就是一个标量的距离，又叫做原时），尽管他曾经只对其置之一笑。
    1912 年夏，这个此时身在布拉格的教授已经认识到潮汐其实是时空曲率。8 月，他回到母校综合技术学院，向老朋友格罗斯曼解释了自己的思想，问问有没有什么现成的数学调料可以帮他作出引力大餐，格罗斯曼去图书馆浏览之后带回来一个好消息和一个坏消息，好消息是黎曼的几何也许是爱因斯坦想要的，坏消息是微分几何太难了。有多难呢？爱因斯坦在10 月份写信给索末菲（没时间讲他的故事了，他是个很大的物理学家，弟子比他还牛），信上说：“在我的一生中，还从来没有这么艰难的奋斗过，而且我已经对数学充满了敬佩，他那精妙的部分至今在我简单的头脑中还只能认为是一种奢望！同这个问题（引力）比起来，原先的相对性理论不过是儿童游戏。”
    然而这时候的“卷曲定律”依然依赖于参考系，1913 年，他告诉洛仑兹，因为微分几何的方程不能遵守一般的相对性原理，他的信心在动摇。
    爱因斯坦不懈地寻找着一个不依赖于任何参照系的卷曲定律，他完全不理会欧洲同行们的最新动态，他们根本不愿意和任何类似微分几何这样的麻烦沾上边）甚至战火下的隆隆炮声也不能让他分心。（爱因斯坦似乎在任何情况下都能做研究，比如，一边抱着小儿子，嘴里回答着大儿子的问题，还能够入神的演算）
    1915 年6 月，受到数学教父希尔伯特的邀请，他在哥廷根度过了一个星期，作了6 次2 小时的演讲，而数学王国的居民也让他倍感亲切（当时物理学家里能和他讨论几何的好像还没有）。两位伟人的会面颇有点张三丰见方正的味道， 又让我不由得想起霍金和strominger 侃大山的那个下午，神往。。。。。。
    然而回到柏林，他立刻发现了一件可怕的事，卷曲定律不仅不满足广义协变（就是与参考系无关，前面提到的相对性原理），而且计算出的水星轨道进动只有观测的一半。整个十月，他不顾一切的查错，修正。定律对参照系的依赖不像以前那么强了。十一月四日，他向普鲁士科学院周末会议提交了这个定律。然
后接着查错，修正。十一月十一日，他提交了新的版本。然后计算水星轨道进动，结果无误，他欣喜若狂。
十一月十八日，他迫不及待的报告了这一胜利。但是定律仍然违反广义协变，于是继续查错，修正。这一次，是最关键的一个。十一月二十五日，这个世界上最美丽的理论诞生了。十一月二十日，希尔伯特提交了他的引力定律，正确的，经由简洁优美的数学道路达到。但是新定律很快就命名为“爱因斯坦方程”，正如希尔伯特所言，哥廷根街上每个小孩都比爱因斯坦更了解思维几何，可建立引力定律的仍然是爱因斯坦，而不是数学家。
    在黑暗中找寻我们感觉得到却表达不出的真理的年月里，那强烈的欲望和动摇的信心以及成功前的焦虑，只有亲身经历过的人才能体会。
                                                   —阿尔伯特٠爱因斯坦

[ Last edited by xirainbow on 2009-11-23 at 12:26 ]
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1楼2009-11-20 20:37:23
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lxjwyx

天下之大，无奇不有！
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2楼2009-11-21 10:02:39
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小木虫:)

荣誉版主 (著名写手)
★
小木虫(金币+0.5):给个红包，谢谢回帖交流
第六章
    广义相对论很自然的让人们想到，现在可以让光回到我们真实的世界上了。那么强大的引力场会不会像第二章提到的那样变出一个黑猩猩呢？
    史瓦西，20 世纪初最有名的天体物理学家，1915 年，他在很短的时间内就找出了爱因斯坦方程的第一个精确解，计算简洁优美，即使那是在一战的战场上完成的。史瓦西描述了一个球对称星体外部的时空，再配合由星体的物态方程得到的内部时空就可以完全的描述这个简单的宇宙。然而史瓦西的外部解里面，有两件不寻常的东西。首先，在某一个半径处（史瓦西半径），解出现奇异，后来发现这是因为坐标选得不好。可是这个半径仍然有一些奇怪的性质，那里的时间被无限的膨胀，在远处的观察者看来，就像是一张永恒不变的照片；另外，小于那个半径的正质量物体，只能向半径为零的地方落去，绝对无法回头，而究竟落向何处呢？史瓦西的解在半径为零的地方也有奇异，那个奇异却是用任何坐标变换都无法消除的。我们把这一点叫做奇点，已知的物理在那里全都失效，所以，物体落到那里的时候，物体这个词就已经没有意义了（后来的理论猜测那里可能连接着另一个宇宙，也可能有其他的办法避免奇点，这都是后话）。我们看到，广义相对论预言了它自己的失败，尽管在那同时，还有另一个美妙的预言——视界。
    视界就是上面提到的史瓦西半径处的球面，在它的里面包藏着可怕的奇点，在它内部的东西，包括光，都不能逃出，因此尽管外部的探险者可以有去无回的杀到视界里面，他却不能为家乡父老带来任何信息——他毅然踏入史瓦西半径时的光辉形象将永远留在那里，以至于我们无法去缅怀，还以为他在那里犹豫不决。 不幸的是这个有趣的思想没有得到爱因斯坦直觉的检验，更不幸的是这也不符合爱丁顿的口味，最不幸的是史瓦西四个月以后去世了。
    当广义相对论提出的时候，是爱丁顿带着一帮人趁着日食的时候看看远处的星光会不会被太阳偏折，观测的当晚，老人家紧张的一夜没睡。“他显然不懂相对论，否则，会和我一样安安稳稳的睡觉。无论怎样，广义相对论是对的，不然，我会为仁慈的上帝感到遗憾。”
                                                       ——小爱对老爱失眠的评价
    爱丁顿当时的测量误差和真值差不多大（用我们现在的话说就是相对不确定度几乎为百分之百），不过他还是发表结果支持爱因斯坦（幸好他没听见前面的话），然后爱因斯坦就成了神。所以你可以想象爱丁顿当时的权威有多大，基本上，天文学家，天体物理学家都是闭着眼睛跟他走。一个例外史瓦西已经死了，另一个例外钱德拉塞卡还默默无闻。而大众的焦点是：英国科学家支持德国学者的理论。

第七章
    史瓦西的“怪物”在二三十年代得到了广泛的批评，因为前面提到的两位大人物都拒绝这个其实深刻而美妙的预言，他们用了很多方法来论证自然界不可能出现史瓦西奇点，比如恒星自身的弹性还有压力可以阻止它塌缩到视界以内等等，他们的影响一直持续到四五十年代，直到60 年左右，黑洞才作为一个无法避免的理论结果被众人接受，这是后话了。（值得一提的是，魏格纳的大陆板块漂移学说和黑洞同时提出，然后一样遇到莫大的阻力，直到60 年才重见天日）而其他人呢？据说当时有个记者去问爱丁顿，“听说这个世界上只有包括您在内的三个人懂得广义相对论。。。。。。”爱丁顿若有所思。“教授先生？”记者急了。“我在想第三个人是谁。”
    所以你可以明白广义相对论一开始是如何获得广泛的支持，还有要成为爱丁顿这样的牛人需要练就怎样的本领才能对付如长江之水滔滔不绝的谀美之词。
    其实爱丁顿能够有这么大的影响力，当然是凭真本事的。他在天体物理，天文观测方面的贡献无愧于一个领袖的称号。不过这份权威是把双刃剑，所以我很喜欢Witten，他很谦虚，有豪气，才气，灵气，就是没霸气。权威，就像权利一样是双刃剑，能让一个革命性的思想迅速深入人心，也能让一个天才石沉大海，钱德拉塞卡，就是这不幸人中的一个。
    1928 年，小钱17 岁，但是已经掌握了相当多的数学，物理，化学。恰好那一年，大物理学家索莫菲到印度访问，像所有虔诚的学徒一样，小钱想尽办法得到了一次和索莫菲面谈的机会，当他信心满满的告诉大师自己已经掌握的知识后，索莫菲告诉他，那些，已经是陈旧的东西，我们的世界正在接受一场革命，由海森堡，薛定谔，狄拉克等人领导，他们手举的旗帜上写着:量子力学。
    小钱从此如痴如醉的学习新物理，他碰巧读到富勒的一篇文章，用电子简并压来解释白矮星的稳定，这篇文章的reference 里有一本《恒星的内部结构》，正是这本书让钱德拉塞卡开始了与白矮星，与天体物理的持久爱情，这本书的作者是爱丁顿。两年后，钱德拉塞卡拿到剑桥的offer，那里是他心目中的英雄，爱丁顿，富勒的故乡。
    漫长的海上航行，不用考试，不用上课，不用在操场里追漂亮mm（2001 年Nobel winer Eric A. Cornell 云），于是他可以安静的考虑一下，电子的简并压能有多厉害。其实在踏上不列颠岛的前夕，钱德拉塞卡就已经注定要名留青史。今天，我们称他的旅行笔记为“钱德拉塞卡极限”

第八章
    小钱一到了剑桥就找富勒，但是富勒看不懂。论文最后交给美国《天体物理学杂志》，到发表已经过了整整一年。但是，论文没引起什么注意，小钱为了学位sci 的要求，只好转到其他问题，直到三年后，一个苏联天体物理学家告诉他，要吸引他们这群人的眼球，就用事实证明，所有的白矮星，都没有超过1.4 个太阳质量。小钱从爱丁顿那里借来了一台计算机，在那个时候，计算机有多贵重大家应该有点概念，如果没有傍到老爱这样的大款，钱德拉塞卡活着的时候别想有什么做为了。这台计算机叫做布伦瑞克，他帮助小钱锻炼强壮的上肢，耐心，还附赠了成功时的无比喜悦。在冗长计算的每一天，爱丁顿都会慰问快变成机器人的年轻博士，和他的布伦瑞克，来看看有没有新的发现。终于，小钱被允许在皇家天文学会报告自己的结果，不过他同时听说，在他的报告之后，爱丁顿紧接着会做一个关于“相对论性简并”的讲话，爱丁顿了解自己所作的一切，却从未提到他本人的工作，
    小钱只好带着焦急和愤怒到了伦敦。会议开始前，一个老朋友问爱丁顿：“我们该怎么理解您说的‘相对论性简并’？”，爱丁顿转向小钱：“那会令你吃惊的。”1935 年1 月11 日，小钱作了一个完美的报告，紧接着爱丁顿上台。“对于超过了1.4 太阳质量的恒星，按照钱德拉塞卡博士的预言，它们会一直塌缩下去，不断的辐射，直到只有几公里半径，引力非常的强大，足以平息这些辐射，而恒星也就得到了永恒的宁静（这其实就是史瓦西怪物了）。。。。。。我相信，应该存在一个自然律来阻止恒星那么荒谬的行为！”
    爱丁顿攻击了小钱报告的每一个方面，诸如没有正确的融合相对论与量子力学等（当时量子场论还很幼稚），来自全世界的天文学家照例满怀敬意的听完了讲话，然后一个个去安慰恍如隔世的小钱，其中一个人说到：“我知道爱丁顿是对的，尽管不知道为什么。”
    极端ft 的小钱写信给他在哥本哈根的朋友Rosenfeld，希望听一听玻尔的意见（此时，玻尔已经是那位和爱因斯坦论战的量子物理学的教父了），几天后，Rosenfeld 回信，“我和玻尔都没有从爱丁顿的讲话中听到任何有意义的东西，我们相信，你是对的，别让那些大神父们把你吓成这样。”
    直到30 年代后期，天文学家和物理学家接触的多了，才慢慢认识到爱丁顿的错误，可爱丁顿仍然坚持着想象中的那个“自然律”，这让我想起普朗克，想起王国维。
    1939 年的一次天文会议中，爱丁顿再一次攻击了小钱的结论，小钱给主持人Russell 递了张字条要求答辩，Rusell 也会了张字条说：“最好不要”，尽管早些时候，他私下告诉钱德拉塞卡“走出这里，我们都不信爱丁顿 。”天文学家们最终都背着爱丁顿接受了钱德拉塞卡极限，不过对于另一件事他们确定无疑，超过1.4 个太阳质量的恒星最终会通过一些不知道的方法发射自身的物质，然后乖乖的进入白矮星的墓穴，爱丁顿的直觉不会错。
    1939 年，钱德拉塞卡离开了恒星死亡领域，直到1/4 个世纪后才会回来，他会在1983 年的时候写一本书《The Mathematics of BlackHoles》，那将成为未来十年的黑洞研究手册，并且可以在物理系资料室找到（就在北边第一排最下层，有一张我夹了字条的，不知道还在不在）爱丁顿直到1944 年去世都喜爱钱德拉塞卡，钱德拉塞卡也一直高度评价这位伟人，尊敬他。这是两位真正的学者。

第九章
    恒星的最终命运对于天文学家来说是一种信仰，他们并未放弃过寻找与白矮星不同的归宿——只要不是史瓦西怪物就行。1934 年，Phys.Rev 上发表了一篇极富远见的文章，作者是茨危基和巴德，他们为恒星提供了新型的墓穴。茨危基和巴德当时是Caltech 的教授，Caltech 能像现在这么牛，（有多牛，我就不废话了。觉得和普林斯顿一起堪称理论物理的两大圣地），密里根的作用就像北大蔡元培一样。（此人运气真好，听过庞加莱，普朗克，迈克尔逊.莫雷的课）在这位校长的努力下，Caltech迅速聚集了一大批名留青史级的人物，一跃成为顶尖的研究中心。事情开始于1932-1933 年发现的异常明亮的星体，多亮我也记不清了，看看天体讲义吧-_-b，茨危基和巴德对此非常感兴趣，起了个名字，叫“超新星”。
    为了解释超新星巨大的能量来源，茨危基发明了“中子星”。话说卢瑟福提出了中子的假说后，卡文迪许实验室的老大当然是一言九鼎，于是全世界的实验家都在不停的轰击阿轰击阿，结果让卢瑟福的小弟查德维克轰到了。这是1932 年的事。茨危基毫不犹豫的使用了这个最新的概念。这是一个很极端的人，当时的天文估算跨度都是几个数量级，他只用最大的；他并不能很好的理解物理定律，因此中子星的论证也站不住脚，可他就是绝对相信。茨危基用所有的机会向世人解释自己的发明，毫不留情的攻击一切反对者，以至于有人问密里根，为什么还把茨危基留在Caltech，密里根回答说，在他的远见中，也许有一些是对的。密里根的话，35 年之后被验证。
    茨危基知道中子的简并压比电子大得多，核物质的密度也比原子大得多，他想这就是那些大质量恒星的最终归宿了，可惜他不是钱德拉塞卡，没有想到去算一算中子星的最大质量——实际上他也不会算。altech 里真正懂物理的有两个人，托尔曼和奥本海默，这两个人直到1938 年才注意到中子星这个想法，只不过这个想法属于另一个人，他是和茨危基完全不一样的物理学大师，朗道。
    大家对朗道直接的认识应该是那套圣经级的理论物理教程吧，我觉得本科里能做的最有意义的事就是仔细读一遍朗道全书（sigh,我是没戏了），差不多都是前无古人后无来者的好。力学那本有朗道的简
介，我就不罗嗦了，说点花边新闻吧，顺便祝与我同居4 年的文文生日快乐，明天再说正事。
    据说在一此科学院会议上有个生物学家讲遗传，进化论什么的。说是上一辈怎么样（比如是六指），下一辈发生的可能性就大增。朗道当时问了个很X 的问题：“那您怎么解释处女？”
    据说朗道看了歌德巴赫猜想以后惊叹道：“为什么素数要相加呢？素数是用来相乘而不是相加的。”
    朗道总说自己当年参加某会议的时候，有幸和Einstein 说过几句话，而有某个认识Landau 的人说Landau纯属幻想，当时此人和Landau一起，坐在那次开会的大厅的最后几排，连听都听不清，根本不可能谈话。
    朗道一直对自己没能早生几年，赶上物理学的黄金年代耿耿于怀，有一次在柏林开会的时候他抱怨道 ：“所有的漂亮姑娘都被人抢走了，并结了婚，所有好的物理问题都被人解决了。我实在不喜欢剩下的那些东西。”
    后一句在朗道解决了超流问题后不攻自破，前一句大概是我们共同的心声吧（真的感谢某人，其实，永远都不算晚）。
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31
第十章
那是在1937 年的时候,作为苏联理论物理的领袖,朗道觉得斯大
林的清洗正一步步逼近,公众的注意,或许能够让他得到保护。朗道亟
需一个能在东西方科学界都掀起波澜的想法，他最后的选择，就是中
子星（朗道称之为中子核，是在恒星内部的中子星，为恒星提供能源）
朗道把稿件直接寄给玻尔，希望能够得到他的推荐让自己的文章
在《nature》（当时已经是最权威的了）上发表。因为当时严格的审查，
朗道只能用点春秋之笔，玻尔也是个聪明人，当天就回了信。当时苏
联党报之一《消息报》的编辑们良知未泯，他们连同玻尔的意见一起，
盛赞了朗道的成果，“。。。。。。尼尔斯.玻尔对这位苏联科学家的工作
给以极高的补充评价，说‘朗道的新思想是很杰出而大有希望的。’”
可惜政治从来都不拒绝疯狂，1938 年4 月28 日，一辆黑色的小
轿车停在朗道的楼下，未婚妻无助的看着克格勃的身边，爱人那憔悴
的身影，和漆黑监狱里未知的命运。
不过朗道比大多数苏联科学家要幸运，他一年后就被释放了，原
32
因是苏联最著名的实验物理学家皮卡查发现了超流，他直接告诉斯大
林，除了朗道，没人能解释。皮卡查是对的，苏联也因此得到了一个
莫大的荣誉——诺贝尔奖。
朗道的文章是大多数物理学家必读的，奥本海默也不例外。在他
看来，茨危基是在科幻，而朗道的提议则需要认真对待。对了，顺便
说说奥本海默吧。
奥本海默刚到Caltech 的时候是个糟糕的老师，你差不多可以把
一切有此含义的形容词放在他身上，据说他的头一节课很有特点，论
证有力，言简意赅，见解高妙。课讲完了，人也都走了，托尔曼（我
在前面提到过）对他说：“好的，罗伯特，讲的太好了，但我一个该
死的词都没听懂。”
不过奥本海默终究是个天生的领导者，他的课很快就成为最受欢
迎的，甚至不得不劝学生别来听第四遍，也正是因为他，一些原本要
去哥本哈根，去卡文迪许的博士后们，最终选择了加州理工。他的这
份天才，在日后研究原子弹时举足轻重，甚至费曼也乐于接受他的领
导（虽然恶作剧是免不了的）。
33
奥本海默是个嗅觉极其灵敏的理论家，他很快就注意到中子星极
大质量的问题。然后历史在这里重演：奥本海默的博士后沃尔克夫像
钱德拉塞卡一样，把大部分时间花在计算器的键盘上，他也用数值计
算的方法得到中子星的质量上限，大概是1.5 到3 个太阳质量，不同
的是，奥本海默的指导让他事半功倍，而爱丁顿则讳莫如深；并且他
用的计算器，名字叫马尔琴特。
这个结果又一次让人失望，看来我们还是没有找出恒星所有可能
的归宿。白矮星，中子星都不够用，我们很难相信那些几十个太阳质
量的恒星会乖乖的脱去外衣，剩下一个和太阳差不多重的核等待死
亡。人们仍然期待着另一个新的思想，尽管答案早就在1915 年提出。
战争，耗尽了全世界理论物理学家的精力，直到50 年代，两个
人从各自国家的氢弹研究中功成名就，重新找到奥本海默的脚印，真
理才继续向我们接近。这两个人是天体物理的波尔式人物：惠勒，还
有泽尔多维奇。

34
第十一章
惠勒1933 年的时候博士毕业，那时候大多数人都会选择去跟随
奥本海默作PD，但是惠勒觉得两个人个性不同，所以找了一个没多
大名气纽约大学的老板。显然这个牛人是不可能在那里安分的，他跑
来跑去，最后到了普林斯顿。在那里，和来访的玻尔一起发展了核裂
变的理论，只是他们未曾想到，天真的物理学家们天真的好奇心，最
后成为屠杀人类的工具 。
1939 年9 月1 日，惠勒和玻尔的文章发表在Phy.Rev 上，相隔几
页的地方，是奥本海默和他的学生斯尼德的文章。也就在这一天，希
特勒的军队开进波兰，大战爆发。
物理学家们在战争中成为政客手中的棋子，这些我不愿多说 。
但还是忍不住提起些旧事，你可以看到，我们两位主角间不寻常的纠
葛。
奥本海默市曼哈顿计划的负责人，看到几十万人在原子弹下丧
生，他痛苦的说道：“如果原子弹一定要添加进战争国家或准备战争
35
国家的军火库，那么人类总会有诅咒洛斯阿拉莫斯（奥本海默的总部）
的一天。粗俗也罢，幽默也罢，夸张也罢，总之，物理学家已经认识
到犯罪了；而这时他们不能失去的良知。”
惠勒是当时反应堆工程的首席科学家，他的反应却不一样：“回
头来看（1939 年我和玻尔的研究），我感到很难过。我首先是以物理
学家的眼光来看核裂变的，其次才是以一个公民的眼光来看它，怎么
会这样呢？为什么我就没想到自己首先是一个公民，其次才是物理学
家呢？。。。。。。假如那转折的一天不是1945 年8 月6 日，而是1943
年8 月6 日，该会有多大不同啊！”
所以你可以理解奥本海默非常激烈地反对氢弹计划，不惜触怒权
贵。政客们举行了一次听证会，决定他对国家的忠诚。所有的物理学
家都支持奥本海默，除了泰勒——如果没有战争，和那些无事生非的
议员，他其实是一个不可多得的理论天才。
那天泰勒的证词可以在解密的原子能委员会纪录上看到：我相信
——当然，这只是信仰问题，没有什么专业问题和背景——奥本海默
博士，凭他的性格，是不会故意也不会愿意做危害国家安全的事情的。
36
所以，如果你们的问题说的是一种倾向的话，我可以说，我找不到什
么理由说他不忠；如果问题是要凭他在1945 年以来的行为来作出明
智的判决，那么我可以说最好也不要肯定他的忠诚。
泰勒的话让几乎所有在场作证的物理学家惊呆，他在其后立即被
整个物理学界唾弃，郁郁终生。我所知道公开站出来为泰勒说话的有
两位，一个是惠勒，另一位是杨振宁。
跑题了，不好意思。
刚才提到在同一期Phy.Rev 上有奥本海默的文章，在那篇文章里
他和学生一起考察星体塌缩的过程。这实际上是需要90 年代的计算
机才能勉强做到的，但是奥本海默具有优秀理论家的素养，直觉告诉
他什么重要，什么不重要，他排除了旋转，形状，内部压力。。。。。。
结果令人吃惊，在远处的观察者看来，星体塌缩越来越慢，最后在临
界半径（史瓦西半径）处静止。而在星球表面的人看来，恒星加速的
通过史瓦西半径，直到被挤碎，最后变成零体积。其实，这就是我们
今天认识到的黑洞。
37
黑洞的研究在十几年后才重新开始，惠勒坚决不同意奥本海默的
看法，他的思想和爱丁顿差不多，不过更为无赖。他把爱丁顿所说的
那个自然律归结为量子引力，这是一个你可以做任何猜测都不会过分
的题目。
理论物理学家是这样一群人，他们在星期一三五研究引力，星期
二四六研究量子物理，然后星期天祈祷某个人，最好是他自己，把两
者统一起来，结束自己精神分裂的生活。
——忘了是谁说的了
不过奥本海默的文章一发表就被放在朗道的“黄金名单”里，
能过入选这份名单，说明论文作者得到了20 世纪十大理论家之一的
首肯。朗道说：奥本海默一定是正确的，虽然人类理解起来还有些困
难。”（这还不是朗道最嚣张的一句话，他一直坚持爱因斯坦的智力是
2，其他物理学家智力是1，他自己是1.5）
因为朗道，苏联人很早就接受黑洞的存在，比西方早20 年。

38
第十二章
朗道之后，泽尔多维奇就成了苏联的惠勒。他也是个犹太人，没
上过大学，20 岁的时候自学到了博士学位。苏联研究原子弹计划的
时候，泽尔多维奇已经是颇有权威的物理学家，领导一个小组，而朗
道是他的手下。据说朗道对此人非常不屑，经常在背后骂老板：母狗，
泽尔多维奇。不过后者倒是一直把朗道当成尊敬的老师，虽然泽尔多
维奇从没听过朗道的课（想听朗道的课实在很难，要经过两三轮考试，
不过听过他课的学生基本上组成了苏联的理论物理学界）
泽尔多维奇在50 年代后期对原子弹失去了兴趣，开始转向天体
物理。他是个非常棒的领导者，知人善用，提拔了很多日后成为物理
大家的年轻人，像挪维科夫等。金兹堡（大家还记得金兹堡——朗道
方程吧）的评价是“泽尔多维奇点火，队员们加油”。在1961 年建立
的泽尔多维奇小组，到了1964 年，就已经是全世界最优秀的了。
像惠勒一样，泽尔多维奇很快就发现，研究氢弹的那一套东西可
以毫不费力的搬到他的新课题上。他们很快就利用计算机模拟了星体
塌缩的细节，考虑了在氢弹中一样重要的压力，核反应，激波，辐射
等效应。结果验证了他们的导师朗道的判断——奥本海默和斯尼德是
39
对的，塌缩产生黑洞，而且细节就像奥本海默二十年前猜测的那样离
奇。
而在不久前的某一天，惠勒急匆匆地赶到普里斯顿的一个相对论
讨论班，他在黑板上激动得画了一个又一个圈，“当恒星超过2 个太
阳质量的最大中子星质量时,塌缩会产生黑洞。”，惠勒在洛斯阿拉莫
斯（就是奥本海默预言中会被诅咒的地方）的朋友用计算机模拟验证
了这一点。
于是惠勒立刻成为了最坚定的黑洞拥护者。关于他承认错误之
快，有史为证。
惠勒有个学生，就是近代物理学上唯一一个美国本土的可以让美
国自豪的理论物理学家费因曼。有一阵两人从事一个关于量子电动力
学里的推迟势问题。做了几个月以后，觉得差不多可以交账。恰好这
时有个国际会议，两人就商定把这个工作拿上去宣读，并且分配费因
曼讲上半部分，惠勒讲下半部分。等到会议进行中间大家休息吃茶点
时，泡利走过来和费因曼打了个招呼，费因曼那么大咧咧的人也紧张
的够呛。泡利就问费因曼最近在做什么工作，会议准备讲什么报告。
40
费因曼据实回答了他和惠勒要讲的课题以及怎么分配要宣讲的内容。
泡利思索了片刻，神秘一笑，冲费因曼耳朵小声说了句：“你放心，
惠勒教授不会做他那部分报告的。”果然，惠勒最终也没有做那个部
分报告，因为那是错的。
鉴于泡利没有对黑洞发表过很重要的看法，不再讲这位传奇人物
了，但是泡利绝对是物理学独一无二的法官，现在的理论家没有这样
一位试金石式的同僚，实在是件很不幸的事，还是忍不住提两件事，
泡利还在当学生的时侯有一次参加会议，爱因斯坦刚演讲完，泡利举
手，然后站起来说：我认为爱因斯坦不完全是愚蠢的。这是他的第一
个名言。泡利在哥本哈根也是唯一一个敢打断玻尔讲话的，并且毫不
客气的指出其错误的人，对于其他人的尖刻就更不用说了。他也有被
人打击的时候，据说（不太确定）说有一次泡利和狄拉克聊天，泡利
说牛顿是500 年出一位的人物，爱因斯坦是100 年出一次，然后问迪
拉克,那我们应该是多久出一次？迪拉克诚惶诚恐地回答，老弟，我
们说的可是牛顿和爱因斯坦。
1963 年，类星体被发现（就是很象星星，其实是很大很远的星
系，星云），为此举行了一次国际会议。惠勒在会上发表了关于星体
塌缩的长篇演讲，他非常热情的讲了一遍奥本海默和斯尼德1939 年
41
的文章，然而此时的奥本海默，已经在政治的风浪中疲惫不堪，不再
关心物理学了。林欲静而风不止，什么时候物理学家们才能无忧无虑
的只为了人类心智的荣耀而活着呢？
惠勒演讲的时候，不断地寻找着昔日导师的身影，他本想借此机
会向奥本海默致歉，但在他上台的那一刻，阿本海默起身离开。当他
在台上盛赞老师的卓识远见时，奥本海默正坐在走廊的长椅上和朋友
聊别的事情。惠勒三十年后回忆起那一幕，说起来还很难过，两眼满
是悲伤。


42
第十三章
物理学需要大众的眼球，需要宣传，这是个无可奈何的事实。大
公司不会资助一个听起来似乎没有任何意义的题目，例如：低能有效
拉氏量（对不起了qq)。没人关心，就没有钱，但物理学家是需要钱
和尊敬的。因此我们首先需要一个好名字，超弦是个好例子，听起来
就很拉风，比如由普林斯顿的弦乐四重奏啦，还有俺这个pp 的id 和
昵称啦等等；然后我们需要形象代言人，比如霍金，再比如Witten，
美国新闻周刊评出美国在世的50 位最有影响的人物，Witten 紧随麦
当娜。（不过Hawking,Witten 是很不一样的，Hawking 是个公关高手，
而Witten 其实是个很腼腆内向的人，只不过他实在是太牛了，几乎
和牛顿一样牛。关于他的介绍，偶老板写过一片三言两语说Witten
的文章，好像科学版有，忘了）
60 年代初，我们的主角有两个名字，苏联人叫它冷冻星，西方
人称为塌缩星，一静一动，倒是挺贴切。不过这种名字太学究气，完
全不利于科学研究与文明宣传的结合，惠勒是很早认识到这一点的
人。
据说惠勒如果躺在浴缸里很长时间那就是在酝酿给什么东西改
43
改名字，他对于自己的新命名极端的自信，根本不在乎别人是否接受，
想到了就用，就好像从来都没有别的名字。
1967 年，他先是在一个脉冲星会议上，然后在一个题为“我们
的宇宙，已知与未知”的演讲中坚持不懈地强调了他的新发明：
“由于下落的越来越快，塌缩恒星的表面将越来越快地离开远
处的观察者。光向红端移动，一毫秒一毫秒的变暗，在不足一秒的时
间内，就暗得看不见了。。。。。。恒星像柴郡猫一样的消失，猫只留下
它的微笑，而恒星只留下它的引力。引力，是的，只有引力，没有光，
同样也没有出现任何粒子。而且，从外面看，光和粒子时一样的。。。。。
落下黑洞只是为它补充了质量，增强了引力。”
这个世界上第一次出现了黑洞这个词，不是平地惊雷，而是像
一片黄叶落地般自然。这就是惠勒的本事。
几个月内，新名字就被东西方的物理学家所接受，而且意料之
中的也被大众所接受，虽然他们并不知道这个简单的名字里，有多少
44
让人震惊的秘密！
法语里黑洞是trou noir，比较lewd，所以被抵制了好多年。
说到法语，好像我们一直都没提到过欧洲，其实也就是在这个
时候，剑桥里有位名师希埃玛（这是位甘为人梯的老先生，自己并没
有成为教授），他的学生们陆陆续续的学成下山，在奔向烛光的蝴蝶
群中遥遥领先，让古老的三一学院再次成为圣地。
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第十四章
1958 年，一个叫Finkelstein 的博士后访问了伦敦，他最近找到
了爱因斯坦方程的一个新的解，这个解可以覆盖史瓦西时空，并且在
史瓦西半径处没有奇异，如果考察一下Finkelstein 时空的因果结构，
会发现史瓦西半径处物体只能向里落去，就像生物里的单向膜。换言
之，它在远离恒星的地方描述了远处静止观察者，而在恒星附近则是
随着恒星表面一起下落的观察者，本来似乎挺复杂的事，只用了简单
的几个字母就一目了然，这是Finkelstein 自己都始料未及的。在他之
后，1960 年，Kruskal 又找到了一个解，不仅覆盖了Finkelstein 时空，
还多出来一个对称的部分，只是时间方向反了过来，这个部分，就是
白洞。
其实这件事在微分几何里应该早就是熟知的，一个流形上坐标选
得不好，就有可能有奇异，换用新的坐标，或者用不同的坐标卡去覆
盖就可以解决，可惜数学家们从未想到过怎么去解决史瓦西坐标的不
足，他们所作的，就是在Kruskal 解出现后证明这是一个最大的时空，
不能再扩展了。偶老板说如今玩弦的数学家很多，不过都没什么原创
的工作，大多是把Witten 说的东西严格化，要么捡捡物理学家的漏。
这也许是两拨人的价值观不同吧。
46
西埃玛的直觉也很好，他立刻就看出Finkelstein 解的重要性，因
此派出一个得意门生到伦敦听报告，这个人就是罗杰.彭罗斯。
彭罗斯的数学很强，而西埃玛则是欧洲的黑洞导师，这两者的结
合产生了一些关于时空的非常漂亮的定理。我们曾经提到过史瓦西解
在原点处有奇异，彭罗斯证明了在一些很弱的物理条件下，这个奇点
不可避免，特别是黑洞内部一定有奇点，这是赝黎曼几何中一个很强
的定理，更重要的是奇点的物理意义让物理学家们神往不已，大爆炸
创世就是最直接的推测。彭罗斯提出了提取旋转黑洞（后面将要讲到）
能量的过程，后面我会讲讲这个异想天开背后的深刻。在60 年代，
很少有物理学家懂得拓扑，而彭罗斯用他的数学功底发展出一套时空
大尺度分析的拓扑学方法，这让广义相对论专家们纷纷开始注意数学
家朋友的工作，之后几年，微分拓扑，代数几何还有广义相对论就开
始频频同时出现在数学，物理杂志上了。可惜这些东西讲起来估计会
让人睡着，而且百分之九十的东西我都不懂。
彭罗斯出师后，西埃玛在1963 年收了一个学生，他在日后成为
数学物理的百年大师。
47
西埃玛常常带着学生去不列颠岛各处听报告，特别是有彭罗斯演
讲的时候更是场场不拉，他的那位新学生对彭罗斯的一系列工作都非
常感兴趣，并且凭借自己的数学天才很快和彭罗斯成为合作伙伴。这
个人就是我们都熟知的霍金。

48
第十五章
霍金在剑桥是卢卡斯数学教授，这个头衔后面曾经跟着牛顿和狄
拉克的名字。他成名很早，据说上大学的时候就完成了MIT 那位老
寿星杰克逊写的《经典电动力学》里的习题（非常bt），一时传为佳
话。就在病情开始恶化的时候，简出现了，霍金没有让大家失望，他
和简生了很多孩子。这次在北京看到简一刻不离的陪在他的身边，真
的感觉很羡慕。同时拥有深刻的思想和深挚的爱情，这是一个物理学
家所能想象的最完美的人生了。
鉴于霍金差不多参与了黄金年代中黑洞研究所有的重要问题，我
就以他为线索，讲讲那些激动人心的事实。
首先我们来看看“黑洞无毛”，西埃玛的学生们花了十五年时间，
和美国，苏联的同行一起完成了这个定理，霍金是其中的关键人物。
1964 年（此时霍金刚来到剑桥读研究生），苏联的物理学大师
金兹堡（和朗道一起提出超导唯象方程）为了研究类星体的能量来源，
考察了塌缩星体的外磁场，他发现在形成黑洞的过程中，磁力线越来
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越紧的贴在视界表面（视界(horizon)就是史瓦西半径的推广，可以看
成是黑洞的标志和边缘，这个名字是康乃尔的Rindler 起的，很形象。
Rindler 研究了一个加速运动的观察者，他发现这个观察者会和时空
的一部分完全失去联系，就像我们看不到地平线下面的东西，从某种
意义上说，这里就有一个黑洞），当黑洞形成时，在远处完全感觉不
到磁场，就好像是一个无磁的恒星在塌缩一样。
与此同时，泽尔多维奇的小组发现，即使星体不球对称，有一
些可以当作微绕的小山，塌缩之后黑洞视界仍然是圆的。这是个出人
意料的结果。泽尔多维奇于是派诺维科夫在三年一次的广义相对论盛
会上做了一小时的演讲，报告了小组的一系列工作。一时间全世界的
相对论专家都震惊于苏联人的研究实力（那时候交往还是很受限制
的）。特别是关于塌缩星结果立刻引起热烈的讨论。
不久之后，爱尔兰的伊斯雷尔用绝妙的数学推广了这个结果，
他的定理不再限于微绕，甚至一个立方的恒星塌缩也会形成球形的黑
洞，只要这个黑洞不带电，也不旋转。1967 年，伊斯雷尔在伦敦作
了一次难懂的报告，这一次西埃玛派去的是Ellis，他在几年后和霍金
一起写了一本书《large scale structure of spacetime》我强烈建议读理
论物理的人看看这本书，你会发现有一天和某个相对论专家讨论问题
50
的时候，他会说：根据Hawking,Ellis 的定理2.1，我们可以知道。。。。。。
Ellis 跑回去告诉老板师兄师弟，“那是一个非常非常有趣的演
讲，伊斯雷尔证明了一个完全在无意中出现的定理，谁也没有想到过
它，谁也没有做过这样的事情。”
紧接着，诺维科夫，伊斯雷尔，还有普林斯顿的普莱斯，相继
认识到那些隆起的小山，会在塌缩的时候变成引力波辐射出去，剩下
一个完全球对称的视界，而磁场无非是另一种小山。可是有一些东西
却不能转化为引力的波动（引力波有个好听的名字，叫宇宙之海的涟
漪），那就是电荷，还有角动量。
最后，霍金和西埃玛的另一个学生Carter 完成了严格的数学证
明。现在我们认识到，黑洞的状态完全由质量，电荷，角动量来决定，
这是黑洞的三围（90 年一篇名为《colored black hole》的文章让我们
重新认识了这一问题，所以准确的说法，应该是除去非阿贝尔规范场
的贡献）如果你懂得物理学，那么用这三个参量可以算出黑洞的一切
宏观特性。
51
1971 年，惠勒又一次成功的颠覆了自己德高望重的形象。他把
上面的结果叫做黑洞无毛(这个词在英文中比较的X,不用解释,心照
不宣吧)，像上次一样,立刻得到物理学家们的热烈欢迎(这帮X人 -_-b)
伊斯雷尔头一个毫不犹豫的在论文里用,当时Phy.Rev 的老编收到稿
子以后回信告诉他:“无论什么条件下,都绝不允许这种猥亵的字眼出
现在我的杂志上。”
不过，大势所趋，物理学家们又一次化腐朽为神奇了。（又一次，
这个词在法语里也很恶，法国没有什么黑洞专家，不知道是不是因为
舆论压力的缘故）
我所知道的惠勒为老不尊的最后一次发生在他70 岁生日，那天
他正好参加一个国际会议，竟然没有几个人送他礼物，为了提醒一下
粗心的同事，他在椅子后面绑了鞭炮。。。。。。会场大乱。


52
第十六章
60 年代有一个出人意料的定理被证明，正如费马大定理的证明
给数论，或者说整个数学带来新的血液，奇点定理让物理学家们耳目
一新。
1952 年彭罗斯还是一个四年级大学生的时候，当时电台的宇宙
学讲座让他开始将目光转向物理，恰好在这个时候，一次偶然的机会
让他在餐馆遇到了西埃玛。老人家正和小彭的大哥（也是个物理学家）
讨论问题，彭罗斯就凑过去看，发现是在讲相对论，只见小彭拿起一
张餐巾纸，在上面画了一个pp 的图，然后加入了讨论。这幅图从那
一刻起就成为广义相对论标准的分析工具了，学名叫Penrose diagram,
有点像我们在普物里学到的r-t 时空图，只不过要把一般的时空流形
做个共形变换（不会改变矢量夹角，所以也就不会改变因果结构）变
到Minkowski 时空。
到了1964 年，在西埃玛的指导下，小彭已经是一个颇有造诣的
相对论专家了。早年纯数学的背景让他有一些与众不同的想法，最特
别的就是据说有一次他过马路的时候脑子里冒出的灵感，也就是我们
今天所说的第一个奇点定理。
53
先让我们看看什么是奇点。
其实早在三十年代奥本海默和斯尼德那篇文章里就提到，当一个
人落进黑洞，越来越接近中心，他会感受到越来越强的潮汐力，最后
会达到无穷，换句话说，史瓦西时空原点的时空曲率发散。这个发散
和以前提到的视界处的发散不同，不能够用坐标变换（例如换为
Finkelstein，Kruskal 坐标）消除，它是时空本身固有的病态。彭罗斯
的思路是，数学上处理一个带奇异的流形很别扭，因为你不知道你的
计算在哪里会有问题。那么如果把病态的点挖掉，时空就是一个很好
的研究对象（Penrose 常说的一句话是： A spacetime is a diffential
generalized Riemanian manifold。）因此要看一个时空是不是病态，需
要做两件事，一是看看是不是有挖掉的点，二是从挖掉的点里挑出物
理上的奇点。对第一个困难，彭罗斯的办法是看看有没有被半路截断
的曲线，学名叫做测地不完备。这在物理上讲，就是看看有没有那个
观察者跑着跑着忽然就消失了。第二个困难比较细节，基本上是排除
一类叫做Taub-Nut 的解，为此，需要在我们的时空中至少有一点存
在正质量的物质。
54
彭罗斯在1964 年发表了他的文章，他的结论是如果存在一个显
视界（我没有上过GR 的课，所以不知道该怎么翻这个词：closed
trapped surface），那么时空就一定是测地不完备的。而显视界(apparent
horizon)，就是从那里发出的光要会聚，甚至被拉回，这正是黑洞的
特征之一，连光也无法逃出的引力坟墓。
而就在不久前，苏联的Lifshitz（看过朗道全书都熟吧)和
Khalatnikov 用传统的微分方程理论分析了奥本海默的奇点,他们的计
算表明,黑洞内部不会存在奇点,因为它们在一个任意扰动下不稳定。
1965 年，又一次的相对论大会召开，Khalatnikov 报告了他们的结果，
当场就有人提出彭罗斯的定理。Khalatnikov 傻了，因为苏联的物理
学家们不懂彭罗斯的文章，朗道的考试科目里没有拓扑（美国人在这
方面也差的一塌糊涂，法国人虽然数学好，可是不敢做黑洞，结果单
单便宜了英国人）。
几乎所有的物理学家都觉得小彭错了，因为Lifshitz 他们用的是
几十年的老方法，非常可靠。美国人比较偏向小彭，倒不是因为他们
高明，主要是惠勒觉得在奇点上可以假设无穷多种量子引力的效应，
还没人能说你错，至少学生的paper 有保障了。
55
不过英国有剑桥,有西埃玛,有霍金。霍金开始和彭罗斯一道极大
的发展了这套整体分析的工具，并且提出了三个新的奇点定理，让时
空的病态无可奈何得更加不可避免。渐渐的大家开始认识到彭罗斯的
远见,开始认识到看似简单的拓扑学竟有如此的威力。1969 年，惠勒
的学生索恩（广义相对论有一本圣经级的黑宝书《gravity》，就是惠
勒，索恩一起写的，可惜清华没有）访问苏联。Lifshitz 交给他一篇
论文，希望能够尽快发表（苏联的审查比水母可慢多了），在那篇文
章里，Lifshitz 毫不掩饰的承认了错误，他和Khalatnikov，Belinsky
找到了一个稳定的奇点，用的还是老办法。这是一个更有用的结果，
因为拓扑学只告诉你：存在，这是数学家关心的。而微分方程则向你
揭示一切细节，掉进黑洞的人是被拉成面条，还是压成饼干。
实际的情形是潮汐忽左忽右，忽上忽下，还有短暂的中场休息时
间，我们把这个人间地狱叫BKL 奇点。
（在那个时候，苏联科学家如坐针毡，他们的一个错误会关系到
工资，住房，晋升。。。。。。有一些人只好隐瞒，所以说Lifshitz 是很让
人尊敬的，想着这个，他的书就比较好懂了）
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5楼2009-11-21 20:04:22
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56
第十七章
黑洞是什么？在1970 年11 月之前，黑洞的标准特征就是上一节
我们提到的trapped surface，也就是显视界，连光都不能够逃出的地
方。因为彭罗斯的奇点定理直接和显视界有关，物理学家们已经约定
俗成了。那么黑洞如何与外界相互作用呢？当一个人不小心掉进黑
洞，他的音容笑貌，生平轶事，能量动量都跑到哪里去了？当两个黑
洞相撞，会有什么事情发生？霍金在这个月的某个晚上豁然开朗，他
意识到，原来的黑洞定义并不好用，非常敏感的依赖于观测者。那么
黑洞最本质的特征是什么，什么样的定义更容易让物理学家们去研究
呢？霍金熟?窒执Чぞ撸久挥腥ゼ扑悖ㄊ导噬纤纳窬丫�
退化到无法动笔了），凭借过人的数学直觉，他提出了面积定理。
霍金给黑洞的定义简洁明了，如果时空的某个区域无法和将来无
穷远处发生因果联系，那么这个区域就是黑洞。它的边界，霍金定义
为事件视界，就是我们用来计算面积的部分。在一些很弱的条件下，
这个边界是一个类空的闭曲面，同胚于二维球。面积定理的证明也很
简单，基本上是说从视界出发的因果线互相之间越走分开的越远，所
以面积一定要增加（通常面积的定义依赖于度规，但是这里的情况可
以说：只要有一个合理的面积定义，定理就成立），这个定理的灵感
恐怕不能从我们这些整天忙着计算测地线方程的GR 课程里得到，因
57
为它处处闪耀着数学的迷人威力。
这个定义看起来简单，可实际上是让人迷惑的。显视界的定义在
数学上就只需要考察曲面的第二基本型，很传统。而事件视界则依赖
于将来要发生的事，无穷远的某个人，能否在某一天看到这里的灵光
一闪。换句话说，黑洞失去了局域的意义。不只是空间的扩展，还有
时间的延拓。
1972 年8 月，全世界的黑洞专家和几十个研究生相聚在阿尔卑
斯山，举行了一次相对论讨论班。上一节我们提到的索恩形容这里的
情况：
“诺维科夫和我关在小木屋里，想发现吸积到黑洞的气体发射X
射线的规律（和去年的Nobel 奖有点关系)；而在学校休息室的长椅
上,我的学生普雷斯和特奥克尔斯基在探讨旋转黑洞对小干扰是否稳
定;在我们上面50 米的山坡上,巴丁,卡特尔和霍金在全神贯注地用爱
因斯坦的广义相对论方程推导一组完整的黑洞演化定律.那真是难忘
的田园诗,醉人的物理！”
霍金三人的工作很快就有了结果，1973 年2 月的数学物理通讯
58
上发表了经典的论文：《The four laws of black hole mechanics》。文章
简洁明了，是广义相对论研究的集大成之作。在一些难懂的证明（我
至今都没法全部跟上，惭愧）之后，你可以看到让人心旷神怡的四个
定律：
第零：稳态黑洞表面引力在视界上是常数。
第一：稳态轴对称黑洞质量M，事件视界面积A，表面引力k，
角动量J，角速度W满足
dM=(k/8pi )dA+WdJ(原文还给黑洞加上了一个流体环，相应公式
也要加几项，积分号不好写，我就省了）
第二：事件视界面积在演化中不会减少。
第三：不可能通过有限次操作把黑洞表面引力降为零。
这里面第一定律一看就知道和热力学第一定律很相似，只要把k
看成温度，A 看成熵就行。第二定律是霍金之前的结果，它不允许黑
洞分裂，而且要求两个黑洞碰到一起形成新的视界面积一定要大于原
59
来面积的和。第三定律并没有严格的数学证明，但是有些很强的证据，
例如我们曾经提到过的吸取黑洞转动能的彭罗斯过程可以降低表面
引力，但是当表面引力越来越低的时候，彭罗斯过程的效率也越来越
低，趋于零。
是个人都能猜想黑洞的动力学一定和热力学有着某种联系，但是
简单的类比立刻会得到不自恰的结果。黑洞来者不拒的吸收辐射且连
骨头都不吐出来，应该是一个温度为零的黑体，所以熵一定是无穷。
实际上让一个装着光子的小盒子缓缓落到视界处，再让光子跑出去，
因为无限的红移，没有能量注入黑洞，视界面积不会增加，可是光子
所包含的信息确确实实增加了黑洞内部的自由度。这样的不自恰还可
以提出很多，所以霍金他们很负责的加上一句话：黑洞动力学和热力
学定律的相似只是表面的。
讨论班上有个惠勒的学生叫贝肯斯坦，知道了霍金这些结果，毫
不犹豫的提出黑洞的视界面积就是黑洞熵，现在看来，基本上是初生
牛犊不怕虎的做法。不过他的文章写的可真好。
顺便提一句，彭罗斯提出过一个叫做宇宙监督者的假说，原话是
60
一定有一个宇宙监督者，他阻止裸奇点（就是没有视界包围的奇点）
的出现。这个假说差不多就是第三定律，虽然听起来像是梦呓。
61
第十八章
终于可以讲到和偶的毕设相关的东西了。
贝肯斯坦也意识到要让黑洞的熵具有真实的意义，就要找个办法
说明它是有限的，且和面积有关。他采取了一条曲线救国的方案，为
了让黑洞的自由度增加时面积变化尽量小（上一节提到的悖论），就
考虑让一个质量为m 的粒子掉进去，现在这个粒子对外界不再可见，
因此它对应着存在和不存在两种状态，也就是黑洞增加了一比特的
熵，可是粒子有个康普敦波长，和质量成反比，这个波长的意义是你
想用有限能量探测它的极限。我们把康普敦波长当成粒子的大小，为
了让粒子能够掉进黑洞，它不能比黑洞还要大，这就给质量一个下限，
因此黑洞面积的增加也不能是零。你看，这里的关键是引入了量子效
应的康普敦波长。
考虑在黑洞上加进量子效应，在贝肯斯坦之前就有人做过，1971
年泽尔多维奇用量子电动力学证明旋转的金属球能够放出辐射，所以
他觉得旋转的黑洞也会放出辐射。那个时候人人都有一套把广义相对
论和量子力学结合的方法，霍金去了一趟莫斯科，然后这世界上就又
多了一种。
62
差不多所有的物理学家都觉得贝肯斯坦是错的，因为他的确没有
解决关键的问题，除了惠勒，一如既往的支持自己的高徒。
作为黑洞研究的领袖之一，霍金的意见举足轻重，他在1973 年
那篇文章里已经说得很清楚了。可是莫斯科之行结束后，他用自己的
方法考虑黑洞的量子效应，得到的结果立刻震惊了全世界（文章是发
表在nature 上的）黑洞会辐射，旋转的，带电的黑洞通过辐射世界上
存在的各种粒子变成史瓦西黑洞，而是瓦西黑洞继续辐射，蒸发自己
的质量，直到。。。。。。我们所不知道的由真正的量子引力来描述的状
态。
这是霍金一生中最重要的工作，他立刻明确的支持贝肯斯坦，黑
洞不黑，而且精确的遵守黑体的性质，这让一切都豁然开朗，“黑洞
热力学”这个词可以理直气壮的讲出来了。
然后相对论大家们纷纷用自己的方法验证霍金的结果，他的方法
经受了考验，逐渐演变为今天的标准方法（北师大有个小组就是专门
干这个的），这就是弯曲时空的量子场论（总有偶的哥们觉得偶的毕
63
设很玄，不知道看了这堆东西会不会感觉亲近点），说点个人看法，
这是一个半经典的量子引力理论，霍金辐射就是它的巅峰之作，而到
了今天，已经没什么有趣的题目，或者说有趣的且能用它解决的题目。
现在关于黑洞熵的一切悖论都可以用霍金辐射来解决，因为现在
黑洞就是一个浸在热辐射中的黑体。这个黑体有些奇异的性质，例如
它的比热是负的，因此吸收了能量，温度反而会降低，结果它不可能
与周围辐射达到平衡。现在宇宙的背景温度是2.7k，那么黑洞想要存
活，它在出生的时候质量就必须很大，因为它会一边蒸发，一边升高
温度，结果蒸发得更快。。。。。。。黑洞的超辐射类似彭罗斯过程，它的
自发辐射就是霍金蒸发，你可以验证它们满足爱因斯坦A,B 系数必要
的限制。辐射出的黑体谱仍然满足无毛定理的要求，只和电荷，角动
量，质量有关，所以一个由重子组成的黑洞会忘记自己的过去（甚至
忘了自己是由正物质还是反物质塌缩而成），结果很容易地造成了重
子数不守恒，这是今天宇宙学家们关心的。
那么霍金辐射的图像是什么呢？简单说就是真空的量子涨落产
生一对正负粒子，然后强大的引力场把它们分开，反粒子（负质量）
落进黑洞，让黑洞质量减少，而正粒子飞向远方，成为霍金辐射。另
有一种从路径积分方法看出来的图像是，粒子从奇点处被创造，在视
界处被散射到无穷远。
64
把量子效应考虑进去以后的黑洞，为我们提供了古老的热力学和
时空动力学间的深刻联系，让人神往。
65
第十九章
从65 年Kerr 提出旋转黑洞解开始十几年的时间，是广义相对论
的黄金年代，对于时空本性的认识有了激动人心的发现。经典的广义
相对论拥有了奇点定理和黑洞四定律这样的辉煌篇章，而弯曲时空量
子场论让人信服的得到了霍金辐射，黑洞熵的意外收获。但是振奋之
后，物理学家们细细审视已有的结果，却发现了一些关键的问题。例
如黑洞熵的来源究竟是什么？一个解释是视界的存在使得外部观测
者不能够得到全部时空的信息，结果他对于每一个纯态的的观察都变
成不完全测量（想想EPR），成了一个统计系综，但是这与定量计算
很难整合。另一个解释是黑洞内部的自由度（贝肯斯坦最开始的想法）
可是掉进黑洞的物质熵增非常大，塌缩星球在塌缩到史瓦西半径的瞬
间获得很大的熵，这些都显得很不自然。霍金和Gibbons 有一个非常
简洁的得到黑洞熵的方法，是在虚时间中计算黑洞的配分函数（学过
统计就知道这是标准的方法），结果只需要取一阶近似，也就是完全
不考虑量子修正（实际上由于引力不可重整，高阶量子修正是没有意
义的）就可以轻松得到黑洞熵。他们的结果显示黑洞熵仅和欧拉数，
还有一个我叫不出名字的拓扑数有关，这似乎又告诉我们黑洞熵是个
经典的效应（这个东西在数学上发展为gravitational instanton，对代
数几何有研究的应该能明白，反正我是请周坚老师讲了两次都没弄
懂）。凡此种种，被称为是熵疑难，贝肯斯坦95 年的时候写了一篇文
章《Do we understand black hole entropy?》（简单易懂，是他的一贯风
66
格）Wald 98 年也有一篇Review，你可以在上面找到许多的悖论，诘
难，还是挺好玩的。另外，黑洞是否会造成信息的丢失，当它蒸发之
后信息会不会还原，黑洞和外界的整体是否符合热力学第二定律？弯
曲时空量子场论允许能量为负（实际上在黑洞外部就是如此，这违反
了奇点定理等许多结论的前提），那么这是否能帮我们摆脱奇
点。。。。。。霍金在1974 年的那篇文章注定要流传千古，因为它解决了
几个问题，又引出了几百个问题。
t'Hooft 注意到通常物体的熵总是和体积成正比，但是黑洞却和面
积成正比，特别是虚时配分函数只和表面积分有关，因此提出了全息
原理，也就是高维的物理可以由其低维的边界来决定。十几年后很多
人认为这是弦论中最深刻的原理。
到了九十年代，首先是黑洞无毛定理被修正，接着索恩大张旗鼓
的提出了虫洞和时间机器的思想，热了一下，梁粲彬的书上有，我是
觉得像脑筋急转弯。
随着物理学家们期待量子引力的心情越来越迫切，黑洞的研究
也越来越玄。广义相对论曾经是非常高贵的学问，文章不多，可是都
67
很精彩，后来水文是多了点，很多人，比方说t'Hooft 的哥们，跟他
一起拿Nobel 奖的Glashow就毫不客气的跳出来痛斥这些黑洞专家们
忘本，不知道自己在干什么（’t Hooft 就是乐此不疲的一个人，他觉
得黑洞可以帮我们重建量子力学，特别是其中的测量理论，但除了他
这样的牛魔王有几个人敢把自己的精力放在这上面？）。
事情的转机发生在1995 年，Witten 引发了弦论的第二次革命，
M（可以理解为Mother,Master,Magic......）-理论初露端倪。接着哈佛
的Strominger，Vafa 利用M-理论和基本的统计力学计算了黑洞熵（在
弦论里认出黑洞不是件容易的事，实际上strominger 他们的工作是在
弱耦合极限下完成的，但是正如线性化的广义相对论里没有黑洞解，
弱耦合中的黑洞是否具有通常的含义也是值得商榷的），现在黑洞熵
回归了它最原始的含义：（D-膜上）状态数的对数。这个结果极大的
振奋了stringplayers，甚至于Glashow 都改口说：当他们在谈论黑洞
的时候，他们几乎已经是在谈论物理了。（这老家伙嘴巴真硬-_-b）
黑洞作为量子引力最自然的试验平台已经是
Loop-Quantum-Gravity，弦论研究者们时时放在嘴边的东西。在GR
课程里你可以学到不少关于黑洞的奇特性质，只不过大多数已经在
70 年代就完成。而在今日理论研究的最前沿，你却可以切身的感受
68
那包裹在视界里面的神秘，如何一点点展现在我们面前。临渊羡鱼,
不如退而结网。（为了骗到更多的ddmm 加入stringplayers 的行列，
强烈推荐Green 写的一本书《宇宙的琴弦》，此时正在签证官面前神
侃的与我同居四年的恩恩mm 就是读了这本书以后动了凡心，打算去
哥伦比亚跟着Green 读弦，good luck,enen。我老板一直在写弦论通俗
演义，个人意见，这里的通俗不具有通常的含义^_^老板您别生气）
（有个朋友写信说想去体验弦中的物理之美，却被数学挡在外面，
在这里列出两种不同的观点仅供参考，一种是周坚老师的：
对Riemann 几何、几何分析感兴趣的：Riemann 几何，极小子流形，
调和映照， Hodge 理论。
对表示论感兴趣的：Lie 群及其表示，代数拓扑，代数几何。
对流形的拓扑感兴趣的：微分拓扑，代数拓扑，Morse 理论，示性类
69
理论，Lie 群及其表示，联络理论，Chern-Weil 理论，等变上同调理
论。
对指标理论感兴趣的：代数拓扑，联络理论，Chern-Weil 理论，指标
理论。
对可积系统感兴趣的：Riemann 面, 联络理论, 辛几何，椭圆函数。
对动力系统感兴趣的：辛几何，Morse 理论。
对复几何、代数几何、代数数论感兴趣的：Riemann 面，复流形，形
变理论，复曲面， 代数拓扑， 联络理论，Chern-Weil 理论，指标理
论，椭圆函数，模形式， Lie 群及其表示。
对超弦理论感兴趣的：以上全部。
70
另一个说法是我老板的（当然也是我不得不全力支持的^&^）：
If you want to be a Witten, you must know more algebraic geometry than
an average algebraic geometer.
If you want to be a Vafa, know half as much as Witten.
If you want to be a Strominger, know half as much as Vafa.
If you want to be a Polchinski, know half as much as Strominger.
If you want to be a Banks (or a Sen?), know half as much as Polchinski.
If you want to be a Susskind, know zero amount of algebraic geometry.
If you want to be a Polyakov, know negative amount of
algebraic geometry
不知道这会不会让大家觉得弦论不那么遥远？)
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6楼2009-11-21 20:04:54
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第二十章
上文中所讲的黑洞,大部分是理论家们方寸之间的见识。对于另一
些人，像是泽尔多维奇这样的天体物理学家们，他们关心的是气体在
黑洞附近被加速，越来越热时放出的X 射线,黑洞伴星(如果有的话)
的奇异轨道,光在经过这么巨大的引力场时的偏折(引力透镜)等等。其
实在很多情况下，只需要牛顿定律加上一些必要的修正就行了。所以
两拨人曾经是井水不犯河水，谁都懒得理谁。（有几位脚踩两只船的
大师让人由衷钦佩，例如诺维科夫，还有钱德拉塞卡）比如我们前面
提到Kerr 发现了旋转黑洞的解，1963 年刚好有一个相对论专家和天
体物理学家的交流会，Kerr 在那里做了一个10 分钟的演讲，他一上
台，天文学家和天体物理学家们就没剩几个，即使是剩下的，也都在
小声讨论自己的话题，甚至睡觉（那个交流会共七天，每天从早上8：
30 到凌晨2：00......汗ing），有个大相对论专家一等讲完就发言非常
深情地盛赞了Kerr 的工作，因为那是他自己找了三十年却失败的一
个解，可是睡觉的依然睡，离开得也没回来。但是没几年，天文观测
显示在有一些星系中心放出了巨大的喷流，方向几乎恒定不变（所以
定向机制让人费解），这时候他们不得不学习Kerr 的解，因为它描述
了黑洞作为一个定向陀螺如何带动周围的时空旋转。可惜这样的事目
前还没有再次发生。除非我们真的观察到了霍金辐射的证据，就像他
老人家自己说的：如果有一个黑洞靠近地球，我们将会发现它并不像
听起来那么可怕，黑洞将在霍金辐射的光芒中蒸发，人类将会获救，
72
而我将会得到诺贝尔奖。
可以说，自从1915 年史瓦西得到了第一个黑洞解开始，理论家
们就至少有一件事走在了实验家的前面。我觉得黑洞让人心醉的地方
就在于，没有实验的指导——就像传统的物理学：
一个实验无法解释—〉提出一百个新理论加一万个新预言—〉实验验
证排除掉九十九个新理论—〉回到开头
——我们仍然在几十年间发展了一整套关于黑洞的辉煌理论，对我来
说，这是一种纯粹理性的感动，是第一次看到从惯性质量等于引力质
量“推导”等效原理时的那种感动，是狄拉克发现了比他自己更聪明
的方程的感动。。。。。。这当然只是个人喜好，物理学不能没有实验，
正如Witten 的老师Gross 这样形容说：
“我们像是在攀登大自然这座山，实验家们总是赶在前头，我们
这些懒散的理论家老是落后。他们偶尔踢下一块石头，砸在我们头上。
最终我们会觉悟，并沿着实验家们开辟的路往前走。当我们与实验家
走到一起时，我们会告诉他们，我们觉悟了什么，是如何觉悟的。这
是最传统也是最容易的地登山途径。我们都向往着能回到那些日子。
73
但是现在，我们理论家们可以赶到前头了，这是更加孤独的征程。
理论家们正在为他们的孤独痛苦不已，曾经显赫的高能物理学家
们很久没有发自内心的激动了，他们期待着新的加速器，不得不耗尽
心力和轻松拿出十几个加速器经费去侵略的政府周旋。而弦论家们也
热切的期盼着能够在有生之年知道自己皓首穷经的心爱之物是否只
是个漂亮的洋娃娃。就像Witten 说得那样：没有什么比在望远镜里
看到一根（宇宙创生的）弦更激动人心的事。
不过实验家们从没止步，他们已经踢了几脚，有几块石头已经摇
摇欲坠。术业有专攻，我在这里列出几个黑洞的候选者，具体的细节
就有心无力，请版上的高人不吝指教。
恒星质量的黑洞候选 质量（optical primary）/太阳质量
Cygnus X-1 24-42
LMC X-3 20
LMC X-1 4-8
74
V404 Cyg 0.6
A0620-00 0.2-0.7
GS 1124-68(Nova Musc) 0.5-0.8
GS 2000+25(Nova Vul 88) 0.7
GRO J 1655-40 1.2
H 1705-25(Nova Oph77) 0.4
J 04332+32 0.3-0.6
巨黑洞候选(星系核) 质量/太阳质量
M 106 4x10^7
M 87 3x10^9
M 84 3x10^8
NGC(游戏主机??)4261 5x10^8
M 31 3-10x10^7
M 32 3x10^6
M 104 5-10x10^8
NGC 3115 7-20x10^8
NGC 3377 8x10^7
NGC 3379 5x10^7
NGC 4486B 5x10^8
Milky Way(就在头顶哦) 2.5x10^6
75
（看起来好像也蛮多的,据说有几个已经有90%以上的把握了,但
愿上天能看得到我们对黑洞的思念，让有情人终成眷属吧。）
无论理论，还是实验。黑洞毫无疑问的是物理学家们的焦点所
在。因为当他们仰望头顶的星空，当他们想到藏在那深蓝天幕后未知
的神秘，一个真正的物理学家一定会有无法抑制的冲动，作一只蝴蝶，
毫不犹豫的飞进灿烂的火焰。可惜我们只能看到那永远留在视界表面
的一刻，他的幸福的笑容，所以，黑洞的故事，还要继续。。。。。。
76
收工啦
写到这儿，我也只能草草收笔了，所知太少，东拼西凑的，回头
再看，很多重要的知识都忘了说，好多有趣的八卦也忘了讲，有更多
的东西是有心无力，不敢班门弄斧。
感谢这二十天来每天坚持看完黑洞故事的各位网友，感谢那些写
信给我的，版面re 文的，默默关注的朋友们，谢谢你们的鼓励和批
评。
谢谢远方的harpplayer，是你让我有了提笔的冲动，坚持下去的
毅力。谢谢你让我体验到的失望和寂寞，还有更加刻骨铭心的快乐。
stringplayer 2003.6.
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霸道做事，厚道做人
7楼2009-11-21 20:05:14
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包子9599

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8楼2009-11-21 22:27:02
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hawkchai

木虫 (正式写手)
★
小木虫(金币+0.5):给个红包，谢谢回帖交流
写的真好！！！！！！！！
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9楼2009-11-23 08:35:16
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