天文学家已经发现了一颗显示在艺术家的渲染中的似乎是正在围绕一个看不见的约太阳质量四倍的黑洞的恒星。L.Calçada/ESO
上周, 公众广播服务（PBS）系列新星提交了一个关于黑洞的插曲,这些最神秘的和令人难以置信的物理天体。
由来自纽约巴纳德学院的天体物理学家健纳莱文主持,这一插曲实在太棒了。非常清晰的科学和惊人的图形。莱文是那种亲切的和乐趣的、仁慈的你想为你的孩子要的老师。文本是严密的,以严密跟随来自许多被邀请的客人的引述叙述的。当然,这个科学一点不缺少惊奇的。正如莱文所说,黑洞是现实击败虚构的地方。
放下手走进小学教室讲述黑洞。眼睛会亮起来,一种敬畏和恐惧的混合。对于一个孩子来说,在太空中一个吞噬所有靠近的东西的洞的形象是相当敬畏的。当我说教他们时我开玩笑说，"一个把你的更坏的敌人发送去的地方"。
光是引力就能做到这一点,创造出一大块如此弯曲以致它封闭在它自己身上的空间,使它显然的是我们所知道的四种力中最怪异的。我们都知道引力是使东西倒塌的。它从不休息。前几天,我6岁的孩子问我, 如果在空间引力是零。我还没来得及开口回答,我11岁的孩子跳了起来，"当然不是!总有一些引力,除非你离一个天体无限远,这是不可能的"。
就这样.
一切都被连接, 一切吸引另外的一切。除非-------除非你正在自由落体。当你跌倒时,你不会感觉到自己的重量而事情就像引力对你不存在一样。这是一个奇怪的想法,但如果你还记得当一个快速电梯下降时(电梯下降更快你觉得越轻;这是你知道重力似乎更弱),你明白这是有意义的。
阿尔伯特爱因斯坦在1905年和1910年之间的某个时候弄清楚了这一点,当时他正努力将相对论扩展到可能加速的物体上。他最初的理论,特别相对论, 只考虑了物体以恒定的速度运动。当爱因斯坦看到了引力和加速度之间的联系时他惊呆了。但这是有意义的。如果你上了一个电梯,电梯越快你会觉得越重。引力和加速度是深刻相连的。(我的共同博客作者亚当.弗兰克不久前在这里探索了重力和电梯)。
爱因斯坦的广义相对论成为了一种新的引力理论,取代了艾萨克牛顿的。牛顿的理论并不是错误的,远非如此。所有时间我们在使用它,包括当我们发送火箭到外层空间时。但爱因斯坦的在强引力中更起作用。在科学中,"更好工作"意味着给出更接近观察的更好结果。而它通过制造一个惊人的概念飞跃做到这样的:引力能被解释为环绕一个天体的空间的曲率，这个天体质量越大,它周围的空间就越弯曲。因此,靠近一颗恒星,空间比靠近你更弯曲。而且,它不只是空间的，时间也会受到影响,引力越强滴答越慢。
谜题: 如果你能把一个时钟放在太阳的表面上,它会比在地球表面上更快或更慢吗？
如果你回答更慢一点,你是正确的!
在黑洞中, 这种效应变得极端。有人安全的在外面,观看一个钟掉进这个洞里会看到时间流逝的越来越慢。这怎么可能呢？
恒星活的像生物一样在于它们也有一个生命周期:它们诞生(在我们称之为恒星托儿所区域,外层空间巨大的气体云),剧烈的活着,长时间将氢转化成氦直到它们"死亡",当它们耗尽氢气时。没有来自核聚变释放出来的能量来平衡这个来自引力的爆炸压力,恒星就会坍塌在它们自己身上,在这个过程中释放出大量的能量。大的恒星,至少是太阳的质量的八倍的成为超新星。它们的核心,在爆炸后遗留下来的是可能变成一个黑洞的。
有两种可能性:粗略地说,介于太阳质量八到20倍之间的恒星变成叫作一个中子星的,一个由中子组成的恒星,这些粒子与质子共享原子核。为什么?嗯,在坍塌的狂热中, 随着引力变得越来越紧,质子和电子被如此挤压在一起以致它们基本上会融合成中子。(这个过程的奇特名称是反向β衰变)。这些中子能被挤压很多而仍然抗拒引力的压力:一个典型的中子星能有太阳的质量而山的大小!
但是如果恒星核心太重,中子不能阻止引力。原子核中的中子会被不断挤压,引力会不断增强。由于没有制动,这一过程只是一直持续下去直到引力是如此强烈以致甚至连光也无法从它的邻区逃脱,而一个黑洞就诞生了。
黑洞有不同的大小, 在新星插曲中一个很好的解释的点。甚至微小的黑洞至少在原则上能在地球上创造,在特别的粒子加速器中如在日内瓦的大型强子对撞机,在那里希格斯玻色子粒子在2012年被发现。但是别担心,这些微小的家伙是无害的,在一秒钟的一个分数内蒸发掉;它们不会生长来吞噬地球的。
大的黑洞是那些在宇宙中肆虐的。我们现在知道它们存在,某些爱因斯坦不满意的东西。对他来说,一个天体在它的很的中心有一个"奇点",一个在空间中的在那里引力变得无限强而自然法则崩溃的点只是不能接受的。
抱歉, 爱因斯坦,但黑洞在这里停留的。我们现在知道,在几乎每个星系的中心都有一个巨大的黑洞。在我们自己的银河系中,有一个400万个太阳质量的庞然大物,能够吞噬整个星球。在我们的邻星系仙女座中心的巨大黑洞有一个估计1亿个太阳质量的黑洞。
我们还"看到"了当黑洞彼此相互碰撞时产生的引力波,这是去年获诺贝尔奖的一个发现。
剩下的一个完整的奥秘是在它们里面是什么。一旦我们越过这个不返回点(也称为地平线),事情会以一种奇特的方式改变。在我们的现实中,我们可以自由地进入空间,而时间只会向前。我们能控制我们要去向那儿,而不是时间的流逝。一旦在一个黑洞内部,这个角色就会有些逆转。现在,只有一个要去的地方,这个洞的中心,一个单向的到泯灭的轨道。然而,随我们潜入这个洞的中心，我们可以同时看到所有的时间,就像在乔格伯尔杰斯的伟大的短篇小说阿里夫中看到的一样。也很可能在中心没有真正的奇点,而是另外的东西。一些理论推测一个黑洞真的是一种到宇宙中的另一个地方的隧道(被称为爱因斯坦-罗森桥,想想地铁隧道)或甚至到另一个宇宙。我们不知道。
另一种可能性是当引力变得过于强烈时,一些新的物理学会发挥作用,而一个奇点的概念只是一个直到我们弄清为止的暂时的绷带。
无论如何, 我们还有很多要学习的关于引力的知识。讽刺的是,这种最熟悉的力对我们来说也是最神秘的。它让我想起了我最喜欢的爱因斯坦的名言之一,一个我们会很好来记住的:
"我在自然界中看到的是一个宏伟的我们只能非常不完美的理解的结构,而这个一定充满一个有一种人性的感觉思考的人"。
马塞洛格雷瑟尔（MarceloGleiser）是一个理论物理学家和作家------和达特茅斯学院的自然哲学,物理和天文学教授。他是达特茅斯跨学科参与研究所所长、13.7的共同创始人和一位科学向广大公众的积极推动者。他最新的书是意想不到的简单的秀丽:一个自然哲学家的鳟鱼的追求和一切的意义（TheSimple Beauty of the Unexpected: A Natural Philosopher's Quest forTrout and the Meaning of Everything）。你能跟在Facebook和Twitter @mgleiser上跟随马塞洛.
