1228.黄金屋120~《看不见的星：黑洞与时间之河》

2019.06.19

和讲座内容基本一致，科学史部分极其有趣。

2018.11.23（周五）

《看不见的星：黑洞与时间之河》- 01

第一章初窥黑洞

伏尔泰拜访的就是牛顿的外甥女婿，这位绅士给伏尔泰讲述了苹果落地的故事。才华横溢的伏尔泰把这个故事加以润色演绎写进自己的文章，使它传遍全球。

伏尔泰包装了牛顿苹果故事

他们班上有一个小霸王，欺负牛顿，踢了他的肚子一脚，疼得牛顿忍无可忍。愤怒之下，小牛顿不顾自己身单力薄，憋足了全身力气，把那个小家伙揍了一顿。没想到居然打赢了，小牛顿马上信心大增，觉得自己还行啊。他想，既然打架能赢，说不定学习也行。打架产生的自信没有把牛顿引向邪路，反而使他走上了刻苦学习的正轨。于是他的功课大有起色，而且越来越好。

太少见了

牛顿的朋友写文章说是牛顿先创建的，莱布尼茨的朋友则发表文章说是莱布尼茨先创建的。不过后来发现，不少牛顿朋友所写文章实际上是牛顿本人先写好，然后以他朋友的名义发表的。

心狠手辣

牛顿确实了不起，他在管理金融时提出的“金本位”主张，对经济产生了深远影响。英镑和美元最硬的时候，都是在它们的币值与黄金挂钩的时候，脱钩后，就不可避免地走向了衰落。

经济学的贡献

晚年的牛顿也还是有谦虚的时候，不过他敬畏的对象不是某个人而是自然界。他曾说过：“我不过像一个在海边玩耍的小孩，时而发现一块光滑的石子，时而发现一个美丽的贝壳，但真理的广阔海洋，却还在我的面前有待发现。”

说得太好了

第二章恒星演化，走向黑洞

根据恒星光谱中某些谱线的特征，天文学家把恒星分成O，B，A，F，G，K，M等若干种光谱型，标记在赫罗图上方。这些光谱型的排列顺序较为难记，有人编了一个笑话来帮助记忆，说有一个青年第一次来到天文台，用望远镜来看夜空，那五颜六色的天体让他惊叹，不禁喊了一声：Oh，beafinegirl，kissme！

“哦，真像一个美丽的仙女，吻我一下吧！”这句话每个英文单词的第一个字母恰好表示按顺序排列的光谱型。

便于记忆

冬季黄昏以后，在天空的东南方有一颗很亮的恒星，那就是人类看到的除太阳外视亮度最大的恒星，中国人称为天狼星。西方人称为大犬座α星。

28年后，天狼星的这颗伴星被观测到了，称它为天狼B星，而天狼星本身则称为天狼A星（图2-6）。它们组成一个有两个太阳的太阳系——双星系。

西北望射天狼

那时太阳中心部分的氢都已聚合成氦。热核反应扩展到外层，太阳的体积逐渐增大，温度逐渐降低，颜色变得越来越红。膨胀的太阳逐渐扩展到水星轨道，把水星吞到肚子里；再扩展到金星轨道处，把金星也吞进去；把地球上的江河湖海全烤干，然后把地球也吞进去，最后扩展到火星轨道处。

太阳的晚年

泡利不相容原理是在研究原子结构时提出的。为了解释原子核外电子的排布，德国物理学家泡利提出如下原理：每个电子状态只能容纳一个电子。原子的每根电子轨道上有两个状态，所以每根轨道上只能存在两个电子。他把这一原理应用到玻尔的轨道模型上，给出了原子核外电子的壳层分布，成功地解释了元素周期律和光谱线。

泡利不相容，泡利是物理学界的毒舌

卢瑟福的学生查德威克正在根据老师的猜测寻找中子，没有找到。这时他看见了约里奥夫妇的论文，真是喜出望外：“他们看见了中子还不知道。”于是他设计了类似的实验，报告自己发现了中子，后来弄清楚了，这是一种以前不了解的星体，它们发出频率严格不变的脉冲，于是称它们为脉冲星。再后来，人们终于弄清楚了，脉冲星就是中子星。

发现中子

宋仁宗至和元年，中国的天文学家观察到一次超新星爆发（图2-11）。中国古代称超新星为“客星”，就是在本来观察不到恒星的天空位置，突然出现了一颗亮星，过了一段时间后，它又暗下去，逐渐消失。至和元年，即公元1054年，中国人发现在“天关”附近出现了一颗客星，有23天时间白天就能看见，像太白金星（即启明星，长庚星）那样亮。后来又有一二年时间晚上还能看见，再后来就消失了。

中国宋朝发现超新星爆发

超新星爆发把重元素崩向宇宙空间，其中许多被年轻的恒星吸引了过去，围绕这些“太阳”转，逐渐形成固体的行星。事实上，所有固体行星，包括我们的地球，都是超新星爆发的渣子堆积而成的。

超新星爆发，才会有地球

第三章弯曲的时空

爱因斯坦指出，自己的相对论与牛顿的经典物理学的关键差别不在“相对性原理”，而在“光速不变原理”。

在高速行驶的火车上，车上的人认为车头与车尾“同时”发生的两件事，在静止于地面上的观测者看来，不再是同时发生的。

光速不变

首先，作为“相对论”基础的惯性系，现在无法定义了。牛顿认为，存在绝对空间，所有相对于绝对空间静止和作匀速直线运动的参考系都是惯性系。爱因斯坦的相对论认为不存在绝对空间，牛顿定义惯性系的方法显然不适用了。

爱因斯坦注意到的另一个缺陷是，万有引力定律写不成相对论的形式。

绝对空间和万有引力

马赫认为“不存在以太和绝对空间，一切运动都是相对的”，这一思想引导爱因斯坦走上了创立狭义相对论的正确道路；

爱因斯坦做出了物理思想上的又一个重大突破，他大胆猜测，引力效应可能是一种几何效应。万有引力不是一般的力，而是时空弯曲的表现。由于引力起源于质量，他认为时空弯曲起源于物质的存在和运动。

马赫给了爱因斯坦启示，放弃绝对空间，开始研究引力的几何效应

欧氏几何，以它逻辑的严密，形式的完备和优美，两千年来为数学家和哲学家所倾倒。使人感到美中不足的是它的第五公设，即平行公理。此公理说，“过直线外的一点，可以引一条、并且只能引一条直线与原直线平行（不相交）”。

第五公设

德国数学家黎曼用另一个公设来代替欧几里得的第五公设。他提出，“过直线外一点的任何直线都必定与原直线相交”，也就是说，一条平行线也做不出来。他所建立的几何称为黎氏几何。

黎曼几何

欧氏几何描述零曲率空间（如平面），黎氏几何描述正曲率空间（如球面），罗氏几何描述负曲率空间（如伪球面、马鞍面）。

三中几何空间的表现

球面上没有直线，但有短程线，球面上的短程线就是“大圆周”。我们过球面上的两点和球心，做一个平面，此平面在球面上截出的曲线就是大圆周。例如，赤道和地球上所有的经线都是大圆周，但除赤道以外的所有纬线都不是大圆周，不是短程线。

短程线

例如，我们坐飞机由北京直飞纽约的航线，从北京起飞后飞机不是向正东飞，而是向东北方向飞，经过我国的东北，俄罗斯的远东地区，飞到白令海峡附近，然后沿阿拉斯加的北海岸向东，再转向东南，穿越加拿大的大片地区，最后飞抵纽约。

你想，过赤道外一点，能画出另一大圆周并使它与赤道不相交吗？肯定不能！所以球面上不存在“平行线”。

飞机的飞行路线

爱因斯坦1905年开始研究万有引力，1907年提出等效原理，1911年得到光线在引力场中弯曲的结论，1913年与格罗斯曼一起把黎曼几何引进引力研究，1915年与希尔伯特讨论，并在当年找到了场方程的正确形式。除去在数学上曾得到希尔伯特和格罗斯曼的有限、然而十分可贵的帮助之外，爱因斯坦几乎单枪匹马奋斗了10年，才把广义相对论的框架大体建立起来。

太伟大了

在这个例子中，可以把大球看做“地球”，小球看做一个下落的物体。小球为什么会滚向大球呢？按照牛顿的观点，这是由于大球（地球）用“万有引力”吸引小球。按照爱因斯坦的观点，则是由于大球（地球）的存在使空间弯了，并不存在什么“引力”，小球落向大球乃是弯曲空间中的自由（惯性）运动。

没有引力，是空间弯曲了

他在发表自己理论的时候，同时提出了三个检验广义相对论的实验：（1）引力红移；（2）行星轨道近日点的进动；（3）光线偏折。

如何验证广义相对论

按照广义相对论，时空弯曲的地方，钟走得慢，即时间会变慢。时空弯曲得越厉害，钟走得越慢，所以，太阳附近的钟，会比地球上的钟走得慢。

太阳表面有大量氢原子，因此可以比较太阳附近氢原子发射的光谱线和地球实验室中的氢光谱线来进行检验。由于太阳附近的钟变慢，那里射过来的氢原子光谱线（与地球上的氢光谱比较）频率会减小，即谱线会向红端移动。这就是广义相对论预言的引力红移，它反映太阳表面的钟变慢。后来的观测实验证实了这一预言。

太阳表面的光谱，频率减小

牛顿的万有引力定律算出，行星的轨道是一个封闭的椭圆，正好与开普勒定律相符。然而，实际观测表明，行星轨道不是一个封闭的椭圆，轨道的近日点不断向前移动（进动）

水星的进动

2018.11.26（周一）

《看不见的星：黑洞与时间之河》- 02

闵可夫斯基抓住自己学生爱因斯坦的相对论，作出了一个重要贡献。他创建的四维闵可夫斯基时空，为爱因斯坦后来把自己的相对论，发展成广义相对论铺下了第一块数学基石。

闵可夫斯基和爱因斯坦是大学师生关系

在地球上，我们看到一个人从屋里走出去，他的背影一闪就消失了。这是因为组成他背影的光子一下子就都跑过来了。然而黑洞表面附近的时空弯曲得太厉害，组成飞船“背影”的光子被束缚、滞留在那里，只能一点点跑出来，越跑越稀，所以远方观测者只能看到飞船的背影越来越暗，飞船越来越慢，越来越发红，最后冻结在黑洞的表面上，消失在那里的黑暗中，却永远看不见飞船落入黑洞。

光都无法逃脱黑洞

第八章奇点——时间有无开始与终结

更加值得注意的是，彭罗斯和霍金在提出并证明奇点定理的过程中，对奇点概念进行了重新认识，提出了极其重要的新思想：奇点应该看作时间的开始或终结！

时间和奇点

第十章千古难题：时间是什么

公元4世纪，早期基督教思想家圣·奥古斯丁在他的《忏悔录》中写下了一句至理名言：“时间是什么，人不问我，我很清楚，一旦问起，我便茫然。”

有道理

柏拉图认为真实的“实在世界”是“理念”，我们感受和接触到的万物和宇宙都不过是“理念”的“影子”。

柏拉图认为造物主给“永恒”创造了一个“动态的相似物”，用以描述变化的宇宙和万物。那就是“时间”。

貌似很深刻

柏拉图最优秀的学生亚里士多德，把老师的理论倒了过来，认为真实存在的不是“理念”，而是万物和宇宙组成的客观世界。对此柏拉图感到十分痛苦，为此亚里士多德说了一句千古流芳的佳话：“吾爱吾师，吾尤爱真理。”

真理和情感区分

在把老师的哲学观点倒过来的同时，亚里士多德也对时间发表了不同的见解。他认为“时间是运动的计数”，是“运动和运动持续量的量度”。时间概念的出现，使运动的测量成为可能，使我们可以区分快慢和静止。

亚里士多德比较有道理

“子在川上曰：逝者如斯夫，不舍昼夜。”“逝者”就是时间。孔夫子把时间比作永恒流逝的河流。他强调流逝，就是强调时间的不可逆性，这是他的高明之处。

孔夫子看到了不可逆

在牛顿看来，绝对时间是一条无头无尾、始终如一的河流，没有“源头”，也没有涨落和波涛（这一点与孔夫子的想法非常接近）。时间除了均匀流逝的属性之外，没有其他属性。

牛顿倒是没有绝对时间概念

作为物理学最重要定律之一的热力学第二定律，就是要指明时间的流逝性。这条定律所强调的核心——自然过程的不可逆性，清楚地指明了时间流逝的方向。这条定律确定了一个物理量——“熵”，它是混乱度的量度，可以用它来定量地刻画时间的流逝。

熵

例如一个动物，内部的新陈代谢是不可逆过程，不断产生熵。但该动物不断吃进食物，排出粪便和尿液等。食物中的分子排列比较有序，是低熵物质；排出物（粪便等）中分子排列比较无序，混乱度大，是高熵物质。吃进低熵的食物，排出高熵的排出物，就相当于吸进了“负熵”。

这些负熵可以抵消动物体内部新陈代谢增加的熵，从而维持动物体的熵大体不变，因而保持了动物体内的相对稳定。动物体就是一种耗散结构，它是一个不断从外界吸入负熵的开放系统。

生命在于获取负熵，是一个耗散结构

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