前言

Frederick Seitz

本書是在嚴格的物理學原理基礎上寫的，并結合了高度的想象。作者試圖超越人們目前的牢固知識而進入一個與我們地球的日常生活全然不同的物理世界。他的主要目的是考察黑洞的里里外外——黑洞質量大，引力場強，實物粒子和光都不可能像平常離開太陽那樣從它逃逸出來。觀測者從遠處靠近這樣的黑洞會遭遇哪些事情，是根據廣義相對論在“強引力”作用下還沒有經過檢驗的預言而描述的；超出這個范圍進入所謂黑洞“視界”區域的懸想，則是靠一種特別的勇氣，實際上就是特別的狂想，這在索恩和他的國際伙伴中有很多，而且他們樂此不疲。這令人想起一位知名物理學家的妙語：“宇宙學家多犯錯誤，但少有懷疑。”讀這本書的人應懷著兩個目標：學一些我們物理宇宙中的盡管奇異卻真實的可靠事實；欣賞那些我們還不那么有把握的奇思妙想。

作為開場白，我首先應該指出，愛因斯坦的廣義相對論這一思辨科學的最偉大創造，不過是在四分之三世紀前才建立的。20世紀20年代初，它解釋了水星運動與牛頓引力理論預言的偏離，后來又解釋了哈勃（Hubble）和他的同事們在威爾遜山天文臺觀測到的遙遠星云的紅移。兩次勝利以后，它沉默了幾年，那時，多數物理學家的注意力都轉向了量子物理學的詮釋，轉向了核物理、高能粒子物理和觀測宇宙學的進步。

黑洞的概念在牛頓引力理論發現后不久，就以思辨方式提出來了。后來發現，通過適當修正，黑洞概念在相對論里也能找到自然的地位，不過，這需要我們將基本方程的解外推到極強的引力場——愛因斯坦當時認為這樣的外推過程是可疑的。然而，錢德拉塞卡（Chandrasekhar）在1930年指出，根據相對論，質量超過某一臨界值（即所謂錢德拉塞卡極限）的星體在耗盡高溫的核能源后，將坍縮成為我們現在所說的黑洞。大約在20世紀30年代后期，茨維基（Zwicky）、奧本海默（Oppenheimer）和他的同事分別推廣了這一工作。他們證明，存在一個質量范圍，在此范圍內的星體不會坍縮成黑洞，而將形成一種由致密的中子堆積構成的狀態，即所謂的中子星。不論哪種情況，星體核能耗盡時的內部擠壓都會伴隨一個相對短時間的巨大能量噴發，噴發的結果，就是我們在遙遠星云和銀河系中偶爾會看到的光亮的超新星。

這些研究在第二次世界大戰時中斷了，然而在20世紀50年代和60年代，科學家們又懷著新的興趣和熱情回到了它的實驗和理論的前沿，取得了三大進展。第一，從核物理和高能物理研究獲得的知識在宇宙學理論中找到了自然的位置，支持了通常所說的宇宙形成的“大爆炸”理論。現在，許多證據都支持這樣的觀點：我們的宇宙是從一點由緊密堆積的粒子所形成的原初熱湯（一般稱它為“火球”）膨脹而來的。這一原初事件大約發生在100億到200億年前。對這個假說最戲劇性的支持也許是發現了出現在原初爆炸后期的波的退化遺跡。

第二，我們確實觀測到了茨維基和奧本海默小組預言的中子星，它們的行為也同理論預言的一樣。這使我們完全相信，超新星是經歷了“最后的引力坍縮”（大概可以這么說）的恒星。如果說中子星能存在于某一確定的質量范圍，那么也有理由認為黑洞是質量更大的恒星的產物，不過我們承認，大量的觀測證據都將是間接的。事實上，這類間接的證據現在已經很多了。

最后，廣義相對論的有效性還得到了另外幾方面證據的支持。它們包括太陽系中航天器和行星軌道的高精度測量和某些星系對外來光線的“透鏡”作用。最近又發現了大質量雙星系運動的能量損失，可能是它們發射引力波的結果，這是相對論的一個重要預言。這些發現，不但使我們敢于相信廣義相對論在黑洞附近的那些未經證實的預言，也為我們洞開了更廣闊的想象空間。

幾年前，聯邦基金會（Commonwealth Fund）在M.E.Mathoney主席提議下，決定資助一項圖書計劃，邀請在不同領域工作的科學家們為受過教育的普通讀者介紹他們的工作。索恩教授是其中的一位，很高興本計劃將他的書作為這一系列出版物的第九本。

推薦本書的聯邦基金圖書計劃咨詢委員會由下列成員組成：Lewis Thomas，醫學博士，主任；Alexander G.Beam，醫學博士，副主任；Lynn Margulis，哲學博士；Maclyn McCarty，醫學博士；Lady Medawar, Berton Roueche, Frederick Seitz，哲學博士；Otto Westphal，醫學博士，出版者代表是W.W.Norton&Company, Inc.的副主席兼編輯，Edwin Barber。