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xirainbow

木虫 (正式写手)

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[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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