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。
史蒂文·古布泽、弗兰斯·比勒陀利乌斯著苟利军、郑雪莹、赵雪杉译的《黑洞之书(精)》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
第1章 狭义相对论
第2章 广义相对论
第3章 施瓦西黑洞
第4章 自转的黑洞
第5章 宇宙中的黑洞
第6章 黑洞碰撞
第7章 黑洞热力学
结 语
译后记

2015年9月14日，自阿尔伯特·爱因斯坦
(AlbertEinstein)写下广义相对论方程后几乎过去
了100年。两台巨大无比的探测器，一台位于路易斯
安那州，另一台位于华盛顿州，正在为探测引力波
做最后的准备。突然且出人意料地，探测器记录下
了一串独特的啁啾信号。如果把这串信号转化成声
音，那么它听起来就像微弱而低沉的捶击声。
5个月后，在对探测器记录下的数据进行了谨慎
检查的前提下，LIGO(激光干涉引力波天文台)团队
公开宣布了他们的探测结果。那串啁啾信号正是他
们希望探测到的引力波，来自一对合并的黑洞。整
个物理学界都为之沸腾，就好像我们一直都是红色
盲患者，突然在某个时刻眼前豁然开朗，我们生平
第一次看到了一枝红玫瑰。
这是一枝多么漂亮的红玫瑰啊!LIG0团队的最佳
估计表明，这个微弱的信号是10亿年前两个黑洞的
合并产生的，它们中的每一个都约为太阳质量的30
倍那么大。在碰撞过程中，有相当于三倍太阳质量
的能量被蒸发成了引力辐射。
黑洞和引力波都是爱因斯坦广义相对论预言的
结果。广义相对论预测了在黑洞碰撞事件中，LIG0
探测器将会看到的引力波类型，2015年9月14日记录
下的啁啾信号就非常接近这个预言。引力波的第一
次成功探测不仅证明了长久以来的理论猜想，也预
示着引力波天文学时代的到来。LIG0探测器实现了
几十年来我们梦寐以求的愿望。现在，我们希望能
探索这个盛开着惊喜之花的全新引力花园。
科学很难具有数学意义上的确定性，因此我们
会问：LIGO团队的解释有多大把握是正确的，即这
个微弱的声音来自10亿年前两个黑洞的合并?答案是
：非常确定。所有证据都与这个结论相吻合。两台
探测器都记录下了这个信号，附近似乎也没有发生
什么能解释这个信号的事件。对于此前的探测技术
来说这个信号实在太微弱了，但对于现在的设备来
说，它已经足够强了。双黑洞在10亿年前合并的假
设也未与一般的天体物理学和宇宙学理论发生冲突
。关键的一点是，我们有希望能探测到更多此类事
件去验证它。事实确实如此，LIGO团队后来又宣布
了第二例被证实的引力波事件，发生在2015年的圣
诞节，第三例事件发生在2017年1月4日，这些事件
与第一次的发现大体一致，因此我们应该有充分的
信心认为LIGO真的探测到了双黑洞合并事件。总而
言之，我们相信现在正是天体物理学新时代的黎明
时分，黑洞将在未来扮演关键角色。
在本书里，我们将从两个方面来讲述黑洞。一
方面，作为天体物理的一个重要研究对象，黑洞的
存在几乎毋庸置疑；另一方面，作为理论的实验室
，它有助于我们锤炼对引力、量子力学及热学的理
解。在第1章和第2章里，我们将以狭义相对论和广
义相对论作为开场白。在之后的章节中，我们将一
一讨论有关施瓦西黑洞、自转的黑洞、黑洞碰撞、
引力辐射、霍金辐射和信息丢失等问题。
那么，黑洞到底是什么?从本质上说，它是一个
时空区域，物质一旦被拉入这个区域，将无法从中
逃逸(图0—1)。让我们来看一下最寻常的黑洞，即
所谓的“施瓦西黑洞”，它是以其发现者卡尔·施
瓦西(Karl Schwarzschild)的名字广义相对论方程
得到的弯曲时空几何结构来解释。可以肯定的是，
下落的物质会使事情变得复杂一些，但我们对普通
物质落入黑洞的行为也有不错的理解。如今，我们
甚至已经有了较好的黑洞碰撞的数值模拟，这本书
第6章的主要内容之一就是解释这是如何实现的，以
及这对像LIGO这样的探测实验有什么意义。
事情的奇怪之处就在于黑洞并不黑。借助量子
力学，史蒂芬·霍金(Stephen Hawking)证明了黑
洞有一定的温度，这跟它们表面的引力相关。事实
上，专门有一个名为“黑洞热力学”的研究领域，
致力于研究黑洞解的几何特征与我们熟悉的热学特
征(比如温度、能量和熵)之间的精确对应关系。甚
至有观点认为，在宇宙遥远区域的黑洞内部会发生
重叠，编码出一种名为“纠缠”的量子效应。我们
将在本书的第7章介绍这部分内容。
黑洞持续地吸引着科学家们的好奇心。天文学
家一直在寻找关于自转黑洞特征的更精确的证据，
现在他们热切期望与引力波天文台合作，以进一步
理解与黑洞合并相关的灾难性事件。这只是引力波
天文学的开端，全世界正在努力建造引力波探测网
络，包括美国(华盛顿州汉福德和路易斯安那州利文
斯顿的两台LIGC)探测器)、欧洲(Virgo和GEO600)
、日本(KAGRA)、印度(LIGO India)等国家和地区
。同时，弦理论物理学家们从更高维度研究黑洞，
不仅将其作为探索引力的量子效应的方法，还将其
与重离子碰撞、黏性流体和超导体等物理现象进行
类比。黑洞启发我们思考一些最奇怪的问题：有朝
一日，黑洞能否为我们所用?它们的内部到底有什么
?掉入黑洞究竟会怎么样?或者一有没有可能我们已
经身处黑洞之中却浑然不觉呢?

想了解黑洞是什么？史蒂文·古布泽、弗兰斯·比勒陀利乌斯著苟利军、郑雪莹、赵雪杉译的《黑洞之书(精)》这一本就够了！一本全面而简洁的黑洞基础科普（“7堂极简黑洞课”），用具象的类比介绍抽象的物理知识。
特邀国家天文台“青年千人”研究员、恒星级黑洞爆发现象研究创新团组负责人苟利军教授翻译
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。

很高兴看到我和我的学生一起翻译的《黑洞之
书》终于出版了，这是一本我很喜欢的书。
翻译此书的初衷是带有一些私心的。我自己从
事黑洞研究，而且指导学生做相应的研究。学生需
要一本相对简单、全面、权威且包含学界研究最新
进展的黑洞入门读物，这本篇幅精炼的《黑洞之书
》就完全满足了我的这些需求，所以当中信出版社
科普工作室邀请我翻译此书的时候，我欣然答应了
。
黑洞是宇宙间最为简单却又极为神秘的一类天
体，这本书介绍了黑洞的发现历史、基本知识以及
它的研究现状和最新进展。牛顿提出的万有引力定
律，可以说是人类认识史上的一件巅峰之作，黑洞
概念的雏形就是由18世纪的数学家拉普拉斯在牛顿
定律的基础上提出来的。然而，对于黑洞的现代描
述却是建立在爱因斯坦的广义相对论的基础之上。
在广义相对论提出的几个月之后，当时身处俄国前
线的德国物理学家卡尔·施瓦西依然心系科研，在
战壕之中得到了爱因斯坦方程的第一个黑洞数学解
，它描述了没有转动黑洞周围的时空几何。不幸的
是，因为身染重疾，几个月后施瓦西就在前线过世
了。为了纪念施瓦西的重要贡献，后人将此解命名
为施瓦西解。
宇宙间的天体通常都有自身的转动，更符合实
际情况的克尔解的出现让人们等待了将近50年。直
到20世纪60年代初，爱尔兰数学家罗伊·克尔得到
了旋转黑洞的精确解，这也是对宇宙间普遍真实存
在的黑洞周围几何的理论描述。就在同一时期，随
着x射线天文学的出现与兴起，第一个后来被确认为
黑洞的系统——天鹅座x—l——被观测到，作为20
世纪60年代的四大天文学重大发现之一的类星体，
在后来也被确认为与超大质量黑洞有关。这些理论
和观测的发展齐头并进，激发出物理学家和天文学
家的研究兴趣与热情，自此，对于黑洞的研究进入
了黄金时期。我们现在所知道的大部分关于黑洞的
知识和问题就是在20世纪六七十年代完成的，约翰
·惠勒、基普·索恩、史蒂芬·霍金等是这一黄金
时期的代表人物。
在对单个黑洞的研究趋向成熟之际，黑洞研究
的热点逐渐转向了双黑洞的合并及其产生的引力波
，这也是伴随着计算机的成熟而逐渐发展起来的。
索恩教授是这方面的先行者，他不仅大力发展用来
探测引力波的地面装置，也发展团队开展相对论数
值模拟，计算两个黑洞的合并。从20世纪90年代筹
建地面设备开始，经过一次大规模的设备升级，
2015年9月14日，美国的激光干涉引力波天文台
(LIGO)终于探测到了距离地球10亿光年的引力波。
这是对爱因斯坦广义相对论的再一次验证，让我们
不禁感叹爱因斯坦理论的伟大。这一年也恰好是广
义相对论发表1 00周年，此时发现引力波极具纪念
意义。引力波的直接探测，还为人类探索宇宙打开
了一个全新的窗口。通过引力波，科学家们又一次
发现了一些前所未见的现象，比如，大质量的恒星
级黑洞。这些新的发现不断地改变着我们对宇宙天
体的认识，索恩教授作为LIG0项目的领军人物之一
，喜获2017年诺贝尔物理学奖。
这些历史故事都穿插于此书的各个章节中。除
此之外，对于大家所好奇的冻结星问题、黑洞中心
能否实现时空倒流等问题，本书也都有提及。需要
说明的是，虽然最初翻译此书藏有一点儿私心，但
这本书不仅适合想了解黑洞的学生，同样适合想对
黑洞有更多了解的没有专业背景的读者。在此书翻
译和校对的过程当中，就某些疑难问题请教了我的
同事、国家天文台的陆由俊老师，在此表示衷心感
谢。本书经过译者和编辑的共同努力，希望能够把
最好的内容展现给读者。愿读者通过阅读此书，能
够对宇宙神秘天体多一分了解，少一分神秘，从而
扩展自己的知识疆域。
是为记，纪念辛苦的翻译和不易的出版。

这本书对黑洞的基础特性及其在宇宙中的存在
，做了优雅且简练的介绍。我满怀热情地推荐大众
读者阅读。
——罗杰·彭罗斯，英国物理学家
关于宇宙中的黑洞，我们都知道些什么，这本
书进行了适时的、精彩的概述。在研究黑洞这个令
人热血沸腾的课题方面，两位作者都是杰出的专家
。
——拉斐尔·布索，美国加州大学伯克利分校
理论物理学家
非常有趣，而且增长见识！这本书写作上乘、
内容紧凑，更重要的是，读来有趣。
——加里·霍洛维茨，美国加州大学圣巴巴拉
分校
物理学家
这确实是一本优秀又美丽的书。几乎没有哪本
书能像它一样如此简明扼要地将黑洞物理学呈现在
你面前。
——肖恩·哈特诺尔，美国斯坦福大学物理学
家

狭义相对论提到了公式E=mc2，它将能量E、质量m以及光速c联系在一起。或许在所有人心目中，它是物理学中最著名的方程之一。这个公式使我们能够预见核武器令人震慑的强大威力，还寄托着我们开发核聚变清洁能源的希望，虽然目前还没有实现。E=mc2也与黑洞物理学紧密相关。在我们第一次观测到的黑洞合并事件中，有相当于三个太阳质量的能量被释放出来，这就是关于质量和能量守恒关系的最好例证。要想对这种碰撞的灾难性有个直观的概念，你可以想象一下，在核武器(假设当量为400千吨)爆炸中转化为能量的质量只有19克。
狭义相对论与詹姆斯·克拉克．麦克斯韦(James clerkMaxwell)的电磁理论密切相关。事实上，早在19世纪后期，有关相对论时空观的早期暗示就以所谓的“洛伦兹变换”(Lorentz transformations)的形式出现了。洛伦兹变换解释了观测者感知的电磁现象是如何随观测者的运动而改变的。光是一种最常见的电磁现象，它是电场和磁场的“行波”(traveling wave)。麦克斯韦理论的结论之一是，光具有确定的速度。相对论就是建立在光速是一个常数的基础之上，与观测者的运动无关。
狭义相对论用参照系来描述观测者的运动。要想知道什么是参照系，可以想象一列满载着乘客和行李的高速运动的火车。火车上的一切相对于火车都是静止的，但是火车相对于地球运动得很快。假设火车正沿着一条直线以恒定的速度运动。为了完整准确地给出参照系的解释，我们应该设定不存在任何显著的引力场。比如，我们不再考虑在地球表面匀速行驶的火车，而是想象在真空中以恒定的速度飞行的宇宙飞船。在这种情况下，地球的引力场足够弱，以至于我们可以忽略它对火车的影响，从而只用狭义相对论即可，而不需要引入广义相对论。
如果不往窗外看，我们很难知道火车开得有多快。特别是在火车运行非常平稳，轨道非常平坦，百叶窗也都合上的情况下，我们不可能知道火车正在移动。火车提供了一个参照系，乘客可以自然地运用它来判断火车内部的东西是否在移动。他们无法判断(在上文描述的理想情况下)整列火车是否在移动，但他们肯定知道有人走过过道，因为这个人正相对于他们的参照系在移动。此外，无论火车是否真的在动，所有物理现象，比如掉落的球或旋转的陀螺，在火车上的观测者看来都表现得与火车静止时一样。简言之，参照系是一种观察空问和时间的方式，它与一个或一组处于匀速运动状态的观测者相关。匀速运动意味着火车不会加速、减速或转向，因为如果火车正在加速运动，乘客将会感到他们被推回座位上；如果火车正在减速运动，乘客将会感到自己被甩向前方。 现在，我们想象火车在经过一个车站时既没有加速也没有减速的情况。火车上的三位乘客艾丽丝、阿伦和艾弗里，是正在运动的A参照系中的观测者。与此同时，他们的朋友鲍勃、贝特西和比尔正站在站台上，我们把这样的一个静止参照系称为B参照系。为了画出这些参照系，我们把B参照系的位置作为水平轴，把B参照系的时间作为垂直轴，并标示出不同的观测者在时空中的轨迹。随着时问的推移，B参照系的观测者总是待在固定的位置上，而A参照系中的观测者向前移动了(图1一1)。这个示意图实际上就是闵可夫斯基时空，时空一词意指我们将时间与空间展现在同一幅图中。我们也可以从一个不同的视角去看闵可夫斯基时空，即A参照系中的观测者相对静止而B参照系中的观测者向后移动。我们稍后再谈这个视角。
狭义相对论成立的前提是光速恒定，也就是说，火车上的观测者和站台上的观测者测量的光速是一致的。否则，观测者就可以通过测量光速来判断自己到底处于哪一个参照系。但是，相对论的一个核心原则是：在任何参照系中，物理效应都应该是一样的。
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