◆ 序言
>> 爱因斯坦将空间和时间联结起来的想法——“空间告诉物质如何运动，物质告诉空间如何弯曲”——对很多宇宙学现象都至关重要。
>> 20世纪60年代以来，有关开创宇宙膨胀学说的“大爆炸理论”以及黑洞的证据越来越多，而这二者都是爱因斯坦的关键性预言。
◆ 前言
>> 在这些引力波抵达地球的100年前，它们已历经了这场13亿年光速旅行的99.999 99%，一位名叫阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）的26岁的科学家预言了它们存在的可能性。半个世纪之后，人们才开始认真地探测引力波。终于，在21世纪早期，探测器变得足够灵敏。就在启动探测器的几天之后，它们记录下了这些微小的振动，其振幅远小于一个原子核的尺寸。2015年9月14日，星期一，世界时09:50:45，天文学家终于发现了来自遥远星系中黑洞碰撞的一个引力信号，爱因斯坦的百年预言得到证实。
◆ 第1章 关于时空的开胃菜
>> 另一个发生在17世纪早期的变革是工具的变革。
◆ 第2章 “相对”而言
>> 左边部分描述了时空的弯曲，而右边部分描述了物质（和能量）的分布。如果改变物质的分布情况，时空的弯曲程度也会随之改变。改变时空曲率，物质运动也会随之改变的分布。如果改变物质的分布情况，时空的弯曲程度也会随之改变。改变时空曲率，物质运动也会随之改变，正如我们在第1章所讲的那样。
爱因斯坦的场方程是用数学语言表达的。该方程最好的英文翻译则出自美国物理学家约翰·阿奇博尔德·惠勒（John Archibald Wheeler）之手。他是一位才华横溢的物理学家，也是基普·索恩的导师。
>> 爱因斯坦的场方程是用数学语言表达的。该方程最好的英文翻译则出自美国物理学家约翰·阿奇博尔德·惠勒（John Archibald Wheeler）之手。他是一位才华横溢的物理学家，也是基普·索恩的导师。他写道：“物质告诉时空如何弯曲，时空告诉物质如何运动。”
>现在你大概明白为什么海王星有时也被称为“笔尖上的行星”了吧，因为它是基于数学计算而被找到的。
>> 首先，我们看一下波的振幅。对于水波来说，振幅是浪尖和浪谷高度差的一半；对于声波或者光波来说，振幅是能量的量度——声音的音量或者光的亮度；对于引力波而言，它的振幅是波的强度——越强大的波，对时空弯曲的影响就越大。
>> 其次，我们看一下波的速度。池塘中的细浪以每秒大约1米的速度传播；空气中的声波以每秒330米的速度传播；光波和引力波以光速传播。
>> 最后，我们看一下波的频率，即在一个静止的点上所观测到的每秒经过的波峰的数量。
>> 1905年，狭义相对论诞生，这开启了第一个阶段。基于赫尔曼·闵可夫斯基（Hermann Minkowski）发展出的四维时空概念研究，爱因斯坦指出，空间和时间都是相对的概念。两点间的距离是多少，这取决于你提问的对象。关于事件发生的时间同样如此。两个做相对运动的观测者会给出不同的答案，而且他们都是对的。
>> 狭义相对论的基本假设之一是，光速对任何观测者都是一样的，不依赖于其自身的运动或速度。这正是迈克尔逊和莫雷观察到的，爱因斯坦把他们的结果视作真实有效的。从爱因斯坦的公式来看，它同样遵循了没有任何物体的运动速度超过光速的原则，这是大自然中最重要也是最基本的速度限制。
>> 在1905年发表的第二篇论文中，爱因斯坦推导出闻名于世的公式E=mc2，毫无疑问这是史上最著名的公式。该公式表明，能量E可以转换为质量m，反之亦然。这是狭义相对论的必然结果，同样与光速c有着紧密联系。
>> 广义相对论是一个关于引力的新理论。这或许听起来很古怪，但实际上不是。这归因于爱因斯坦于1907年首次提出的“等效原理”。根据该原理，引力和加速运动之间确实没什么区别。
>> 1915年11月，爱因斯坦完成了4篇在广义相对论的不同方面具有深远意义的论文：四维几何，质量、能量和时空弯曲，著名的场方程（如今涂写在莱顿布尔哈夫博物馆外墙上），水星轨道近日点过度进动的准确预测。这些都可以用巨大的太阳附近的时空弯曲来解释。
>> 他临终前给他的好友米歇尔·贝索（1955年3月逝世）的家人写了一封信。他在信中说：“像我们这样信奉物理学的人，知道过去、现在和未来的区别只是一个顽固而持续的错觉罢了。”终究，时间是相对的。
◆ 第3章 检验爱因斯坦
>> 请记住科学是这样工作的：观测为理论所解释，理论做出预测，实验检验预测。如果结果一致，理论的可信度便得到增强。如果不同，其中一定有什么地方出了差错，你应该改进理论或者提出一个新理论，重新做一遍实验。这就是科学研究的方法。
>> 从某种意义上说，太阳就像个透镜，放大了它周围的星域。表面上，离太阳越远的地方，这个效应越会小到难以观测。但在太阳边缘附近，所有的恒星看起来都像被往外推了一点儿。这就是由时空曲率引起的星光偏折。
>> 1911年，爱因斯坦第一次预言星光会被太阳偏折。
>> 实际上，广义相对论的预测值是一个两倍于牛顿理论预测值的值：1.75角秒。
>> 空间探测的极高灵敏性，我们不再需要借助日全食来测量星光的偏折。欧洲于2013年12月发射的“盖亚”（Gaia）卫星，对恒星位置的测量精度可达到1/40 000角秒。这相当于你的朋友站在距你大约8 500千米（而不是120米）处，将手电筒移动1毫米的改变。
>> 广义相对论的第二个可检验的预言是引力红移。
>> 珠穆朗玛峰的顶峰，那里的时间相较海平面每年才快1/30 000秒。
>> 哈佛大学的罗伯特·庞德（Robert Pound）和格伦·雷布卡（Glen Rebka）就建造了一台这样的测量仪。1959年，在爱因斯坦逝世4年后，他们进行了第一次测量引力红移的对照实验。那时，纽约的帝国大厦是世界上最高的建筑，但庞德和雷布卡并不需要在那里做实验。他们的设备非常灵敏，即使在只有22.5米高的杰斐逊实验室，也能探测到微弱到400万亿分之一水平的引力红移效应。
>> 其结果与爱因斯坦的广义相对论相当吻合。
>> 因此，庞德和雷布卡证实了爱因斯坦的时间随着引力的增强而变慢的预言。在相对论看来，没有什么是绝对的，包括时间的流逝。而且，不仅是你手表里的齿轮由于引力效应而需要更长的时间绕转一周，时间本身也变慢了。每个物理过程在强引力场中都需要更长的时间才能完成。
>> 引力时间延迟效应对于向东和向西的飞机是相同的。
>> 想象一个三维坐标系，原点是地球中心，行星在坐标系中自转，地球表面上的每个纬度都有一个确定的转动速度。如果你向东飞行，同地球的自转方向一致，那么你相对于坐标系的速度会快一点儿。相反，如果你向西飞行，速度则会慢一点儿。不同的飞行速度产生了不同的钟表速率。
>> 当哈费勒和基廷在华盛顿降落时，他们将实验用的原子钟与美国海军天文台的原子钟进行对比。不出所料，这两台原子钟在高速飞行中分别增加和减少了几十纳秒，与爱因斯坦的预言完美吻合。
>> 原子钟依靠原子中电子能级跃迁时的共振频率来测量时间。哈费勒—基廷实验巧妙地证明了一个事实：大自然中的每个物理过程都会因时间延迟效应而减慢。物理学家们可能仍然不知道时间的本质，但他们知道：对于高速移动或者处于强引力场中的观测者来说，时间变慢了。
>> 国际空间站在地球上空几百千米处环绕地球运动，由于引力时间延迟效应，那里的引力变弱意味着宇航员的时钟变快了。但是，空间站的飞行速度是每秒约8千米，它使得时钟因运动上的时间延迟效应而变慢。
>> 一个在空间站待了6个月的宇航员可以赢得7毫秒的时间。
>> 从某种意义上说，爱因斯坦广义相对论的重要性超出日常生活中的任何事，因为它告诉我们的是世界的基本性质。感受到想要知道、理解的冲动，是我们生而为人的重要部分。
>> 设计与建造“引力探测器B”卫星的初衷是验证一些从未有人检验过的效应：不是时间膨胀、引力红移、星光偏折，而是“测地岁差”和“参考系拖拽”。
>> “测地岁差”有时也叫作“德西特岁差”，得名于在1916年首次描述它的荷兰数学家威廉·德西特。
>> 由于陀螺仪的形状是完美的球形，它的转子稳定地朝着局域参考系（地球邻域轻微弯曲的时空）的方向。同时，“引力探测器B”卫星的望远镜锁定的是飞马座的一颗遥远恒星。测地岁差效应和参考系拖拽效应会造成陀螺仪的转子方向相对于卫星慢慢地漂移。敏感的超导量子干涉装置（SQUIDs）测量出磁化转子的方向改变小于0.000 5角秒。
>> 最终的结果发表于2011年春天，和爱因斯坦的预言表现出良好的一致性。
>> 测地岁差为每年6.6角秒，参考系拖拽为每年0.037角秒。这是非常难以想象的微小效应，但几乎刚好是爱因斯坦的预测值。
◆ 第4章 波之论与棒之争
>> 最值得注意的是，引力波不会像水波、声波甚至光波一样在空间中“波动”或者“激起涟漪”。它其实是关于时空本身的。
>> 引力波的振幅是它强度的量度，它会告诉你时空被拉伸和压缩的程度。这里有两点值得注意。第一，振幅随着距离而减小。
>> 实际上，振幅与距离成反比。
>> 第二，引力波的振幅小到不可思议。
>> 双黑洞绕转产生的引力波信号细节如下：速度为光速，频率为200赫兹，波长为1 500千米，振幅与观测者及双黑洞间的距离成反比，而且极其微小。
◆ 第5章 恒星的生命
>> 还记得卡尔·萨根（Carl Sagan）吗？他是行星科学家、天文科普作家，以及1980年PBS（美国公共广播公司）推出的电视系列片《宇宙》（Cosmos）的主持人。如果那部系列片播出于你出生之前，你可以在网上搜索一下，非常值得一看。
>> 在1925年的博士论文中，佩恩指出太阳主要是由氢——大自然中最简单的元素构成的。而且，由于这其他恒星的主要成分也是氢元素，这就意味着佩恩从本质上发现了宇宙的成分。
>> 太阳是由71%的氢、27%的氦（自然界中第二简单的元素）和2%的重元素构成的。
>> 140万千米，是地球直径的100倍。
>> 美国物理学家汉斯·贝特（Hans Bethe）直到20世纪30年代末才找到这个答案。在太阳的核心，气体被外层的重量强烈压缩，密度是铅的13倍。在这样的极端条件下，原子核聚合在一起，这就是核聚变反应。
>> 想象我们能够将太阳核心的核聚变反应点燃一秒钟，再将它熄灭。
>> 一秒钟之内，5.7亿吨氢气参与了核聚变反应，
>> 相当于3.4×1038个氢原子核。
>> 氢原子核（实际是单个质子）聚变成大质量的氦原子核。一个氦原子核大约是一个质子质量的4倍
>> 每4个氢原子核进入核聚变的黑箱，就会产生一个氦原子核。（这个数量依然很大，即将3.4×1038除以4得到8.5×1037。）
>> 一个氦原子核的质量大约是一个质子质量的4倍，实际情况是比4倍少一点。每有5.7亿吨的氢参与核聚变反应，就会产生5.66亿吨的氦——少了0.7%。那么，余下的400万吨质量去哪里了？你也许已经猜到了：它们转化为能量。
>> 太阳46亿年（145万亿秒）的寿命里，质量的流失是稳定的，那么今天的太阳要比它诞生时的质量少6×1023吨，而这仅是它总重量（2×1027吨）的0.03%。
>> 并不是所有损失的质量都会变成能量。从4个氢原子核到1个氦原子核的核聚变过程中还产生了2个正电子和2个中微子。但是，2个正电子的质量之和小于1个氢原子核质量的0.1%，而中微子几乎是没有质量的。
>> 每秒钟会将400万吨质量转化成纯粹的能量。这些能量十分巨大，有400万亿千兆焦耳，约为全人类每年能源消耗量的100万倍。
>> 太阳核心处的密度非常大，1500万开氏度的气体几乎完全不透明。伽马线光子无法传播得很远，它们与气体粒子发生激烈的反应。结果就是，在那一秒钟内释放的能量在太阳内部各个方向上被吸收、再发射以及散射，循环往复。
>> 由于太阳气体的不透明性，这需要花费10万年的时间。因此，我们的一秒钟思想实验产生的400万亿千兆焦耳的核能10万年后，才能到达太阳表面。在那之后，仅需再花8分20秒的时间，光就能穿过近乎真空的行星际空间到达地球。
>> 太阳是一颗中年恒星：它出生于46亿年前，预计还有50亿年的生命。
>> 太阳核心的压强大约是地球的2 500亿倍。这足以抗衡引力。最终的结果是，恒星处于一个在天体物理学中叫作“流体静力平衡”的状态。
>> 一颗恒星的最初直径取决于星际气体云的质量。质量越大，核心密度越大，核聚变反应也越激烈。更多的核能又意味着更高的温度和压强，最后恒星在一个远大于太阳的尺寸上达到了流体静力平衡。就这样，大自然烹制出一颗大质量的、炎热且明亮的巨星。
>> 如果星际气体云质量很小，它的核心密度就低。即使它能发生核聚变反应，速度也会很缓慢，恒星内部保持着较低的温度，压强也不高。流体静力平衡只在该恒星达到太阳尺寸的约10%（大约和木星一样大）时出现。就这样，一颗小质量的、冰冷且暗淡的矮星诞生了。
>> 太阳的大部分氦都被转化成碳和氧。由于没有能量对抗引力，太阳核心开始坍缩，直至变成一种奇怪的天体——白矮星。太阳约一半的原始质量被压缩至一个比地球大不了多少的圆球中，它的密度是每立方毫米1 000克。
>> 这是科学应该给我们讲述的最美妙的故事：你肌肉里的碳、骨骼中的钙、血液中的铁、DNA（脱氧核糖核酸）中的磷，都是由遥远的太阳核心的核聚变反应生成的。
◆ 第6章 精密的时钟
>> 1934年，沃尔特·巴德（Walter Baade）和弗里茨·兹威基（Fritz Zwicky）首次预言了中子星的存在。
>> 中子星不仅极其致密，而且在快速旋转。这是由角动量守恒造成的
>> 缓慢旋转的大质量恒星的核心坍缩成一颗直径不到25千米的中子星
>> 恒星核心的坍缩还会产生一种效应：它的磁场强度会急剧增加。中子星的磁场至少是地球磁场的1亿倍。所以，又小又致密的中子星是一个高度磁化、快速旋转的宇宙陀螺，
>> 磁化的中子星发出电磁辐射，主要沿着它的磁轴方向传播。射电波、光波甚至X射线组成的强大光束
>> 随着中子星的转动，辐射出的狭窄光束扫过太空
>> 中子星以脉冲星的方式暴露了自己的存在。（另外，一些脉冲星也被观测到发出光波和X射线的脉冲。）
>> 中子星表面的引力场大约是g（重力加速度，约为9.8 m / s 2）的几千亿倍，是地球上从树上掉落的苹果所受引力作用的几亿倍。除此之外，脉冲星还是非常精准的时钟
>> 当脉冲星向着我们移动时，到达地球的射电脉冲信号在时间上的间隔就会短一点儿——脉冲频率变高。而当它远离我们时，到达地球的射电脉冲信号在时间上的间隔就会大一点儿——脉冲频率变低。就这样，拉塞尔·赫尔斯发现了第一颗处于双星系统中的脉冲星。
>> 赫尔斯观测到的这种频率变化被称为多普勒效应（Doppler Effect）。
>> 泰勒和赫尔斯还发现，脉冲星的轨道直径不会比100万千米大多少。
>> 脉冲双星轨道的缩小间接而有力地证明了爱因斯坦波的存在。
>> 半个世纪的天文探测工作已经发现了2 000多颗银河系里的脉冲星，
>> 其中包含很多双星系统中的脉冲星。
>> 每秒钟赫尔斯 - 泰勒脉冲星就会失去7.35×1024焦耳的能量，相当于6 600万年前一颗直径为10千米的小行星撞击地球并导致恐龙灭绝所释放能量的1 000倍。请记住，这是脉冲双星每秒钟流失的能量。
>> 从赫尔斯-泰勒脉冲星发出的引力波频率实在太低了。7.75小时的轨道周期意味着它的引力波频率大约为72微赫兹，对应波长为42亿千米
◆ 第7章 激光探索
>> 你想测量L形两臂长度的变化，可不能用尺子。毕竟，这是时空自身在增长和缩短，因此时空中的一切也会随之伸缩。如果其中一条干涉臂变形了，沿着这条臂放置的尺子也会以完全相同的方式变形。所以，科学家们用测量光束从干涉臂的一端传播到另一端的时间变化的方法来取代测量长度的变化的方法。
>> 亚微秒级的精度不足以在地球上探测到引力波
>> 唯一的方法就是极大地提高探测器的灵敏性。我们需要让时间测量的精度达到10-18秒。
>> 激光器、分光器、反射镜、探测器，这就是LIGO及其他所有引力波干涉仪的基本设计。
>> 如果有一列引力波经过，会发生什么呢？波长（以及光的传播时间）会发生变化。北干涉臂增长的时候东干涉臂会缩短；随后，北干涉臂被压缩而东干涉臂被拉伸。从一端反射回来的光要比从另一端反射回来的光滞后极其微小的时间到达分光器，这造成干涉结果的一个非常细微改变。
>> 激光器、输入模式清洁器、分光器、高真空技术、石英玻璃镜面、减振悬挂系统、光功率和信号回收技术、光电探测器、超精准测量……所有这一切都必须天衣无缝地匹配在一起，完美高效地运行。
◆ 第9章 创世故事
>> 空间中的能量、物质或者任何类型的信息，都不可能比光的传输速度更快。尽管如此，在膨胀宇宙中的两个遥远位置之间的距离仍然可以以超过每秒30万千米的速度增大。
◆ 第11章 捉住你了！
>> 015年9月14日星期一，时间是世界时09:50:45。在不到一秒的时间里，地球被拉伸和压缩了1021分之一。这颗星球上的一切也随之伸展和收缩，包括利文斯顿激光干涉引力波天文台和汉福德天文台。
◆ 第12章 黑魔法
>> 黑洞和宇宙其他部分之间唯一的直接交流是通过引力完成的，它们唯一使用的语言就是引力波。
>> 黑洞的概念实际上远比爱因斯坦的广义相对论出现得早。回溯到1783年，英国牧师兼地理学家约翰·米歇尔（John Michell）是第一个提出这个概念的人。
>> 在英国皇家学会《自然科学会报》（Philosophical Transactions）刊发的一篇论文中，米歇尔给出了答案：“如果自然界真的存在这样的物体，其密度不比太阳小，而其直径是太阳的500多倍，它的光就无法到达我们……由于这类物体的存在……我们无法看到任何信息。”
>> 根据奥本海默和他的同事哈兰·斯奈德（Harlan Snyder）的计算结果，物质可以被压缩至密度越来越大，最终的结果是，在空间中的某个区域，引力十分强大，没有什么可以从中逃逸。但这恰恰是施瓦西和德罗斯特在1916年所描述的：无限大的密度，极大的时空曲率，被困住的光，以及那个时间看似停滞的“表面”。奥本海默和斯奈德将这类天体称为“冻星”。“黑洞”这个名称直到20世纪60年代才开始使用。
>> 天文学家们在星系的核心区域发现了超大质量黑洞，它们有几百万倍乃至几十亿倍太阳质量。在大多数情况下，它们通过发射大量的高能辐射来表明自己的存在。
>> 此外，它们还向太空中喷射出强大的带电粒子流。这类活跃的星系核被称为类星体。
>> 合并后的黑洞没有将物质如魔法般地喷射出去。事实上，说它们包含物质是一种误导。无论黑洞是以何种方式形成的，进入其中的物质都会在那个密度无限大的“奇点”被毁尸灭迹。遗留下来的物理实在是很强的时空曲率。如果一位天文学家在讨论黑洞的质量，那么他不是指一定量的物质，而是指一定量的时空曲率——任意一个黑洞的可观测特性之一。
>> 如果你将3倍太阳质量（6×103千克）和光速的平方（9×1016米2/秒2）代入爱因斯坦的著名方程E=mc2中，最终得到的能量为5.4×1047焦耳。它是太阳每天输出总能量的16万亿倍。由于如此巨大的能量在15毫秒左右的时间内被释放出去，输出功率的峰值高达3.6×1049瓦特，是可观测宇宙中所有恒星和星系的辐射总量的约10倍。
◆ 第13章 纳米级科学
>> Terzan 5中的一颗毫秒脉冲星叫作PSR J1748-2446ad。它于2005年被加拿大籍荷兰裔天文学家贾森·赫塞尔斯（Jason Hessels）发现。由于自转周期仅为1.396毫秒，所以它是迄今为止已知的自转速率最快的毫秒脉冲星。它的自转速率是每秒716圈，比你厨房里的搅拌机还快。这颗脉冲星的赤道的转动速度约为光速的1/4。
◆ 第14章 后续问题
>> 20世纪60年代末，神秘的高能伽马射线暴在美国的“维拉号”（Vela）卫星的数据中被科学家发现。
>> 看似恒定不变的天空其实是一个假象。短暂的现象才是普遍的，唯一不变的就是变化本身。恒星在有规律地脉动，亮度也在变化。红巨星在超新星爆发中死亡。矮星展现出强大的耀斑。如果来自伴星的太多物质聚集在一颗白矮星的表面，一场巨大的热核爆发（一颗新星）就会接踵而至。小行星被撞得粉碎。彗星撞向行星。快速自转的中子星在射电或者X射线波段脉动。黑洞将高能粒子流喷射到太空中。类星体在闪烁。双中子星发生碰撞与合并。“宇宙”（cosmos）一词来自希腊词语“秩序”（order），但宇宙却处于不断的变化和动荡之中。
>> 现有的激光干涉仪对频率为10~1000赫兹的引力波敏感，这类引力波主要是由中子星或黑洞的碰撞、合并产生的。
>> 伽马射线暴分为两类，每一类均代表不同族群的宇宙现象。短伽马射线暴仅持续不到两秒的时间，而长伽马射线暴可以持续数秒，甚至几分钟。长暴很可能源自极其强大的超新星爆发，或者叫作超超新星爆发，它们是超大质量、快速旋转的恒星在生命的最后灾难性地坍缩成黑洞的过程。关于短暴，科学家们提出了不同的设想，而中子星合并模型是目前最流行的。
>> 根据哈佛 - 史密松天体物理中心的埃多·伯格（Edo Berger）的计算，两颗中子星的碰撞可能会产生不少于10倍月球质量的纯金。
2019.5.2
联系客服
