凯瑟琳·玛丽·布伦德尔是牛津大学天体物理学教授，同时担任牛津圣约翰学院高级研究员。伊恩·沃尔姆斯利是伦敦帝国理工学院的教务长和实验物理系主任，曾担任牛津大学副校长。戴维·罗瑟里是英国开放大学的行星地质学教授，并曾领导欧洲航天局/ JAXA的水星探测任务。蒂莫西·克利夫顿博士毕业于剑桥大学，现任伦敦大学玛丽女王学院的讲师。这四位英国学者在各自领域内拥有深厚的研究背景和丰富的学术经验。

《牛津通识课》系列丛书是牛津大学出版社镇社之宝。自1995年出版以来，该系列内容涉及十多种知识领域，包含近700本读物，全球销量过1000万册。《牛津通识课》每一本书对应一个主题，每个主题都由该领域的权威专家撰写，完整讲述这门专业的方方面面。确保读者能在三小时内读完一本，并在读完之后搭建起该主题的专业级知识框架。 黑洞是时空瓦解之地；光携带着来自遥远星系的信息；会有行星成为人类未来的家吗；引力是四大基本力中的独行侠。 《黑洞》是宇宙中最奇特的天体之一，也是人类想象力的极限之地。因此黑洞成为神秘的代名词——危险，又充满吸引力。我们相信，揭开黑洞之谜，就能找到关于宇宙形成的终极答案。在这本小书里，布伦德尔着眼于看似矛盾、神秘且有趣的黑洞现象，全面、系统地阐述黑洞的本质与特征，向读者展示黑洞在宇宙中扮演的真正角色，并帮助读者建立起与黑洞相关的专业级知识框架。 《光》是我们对世界的第一印象。大量不可见光携带着来自宇宙诞生之初的信息，穿越遥远时空，对光的了解越深， 就越有可能解开宇宙运作的秘密。在这本小书中，沃尔姆斯利将带领我们从光的那些古怪特性出发，沿着人类认识和使用光的历史前进，最终抵达量子光学领域。读完本书，帮助你高效、精确地搭建起关于光学的专业级知识框架。 《行星》：除了地球，宇宙里还有其他适合人类生存的行星吗？我们是空旷宇宙唯一的智慧生物吗？除了地球，我们是否真的无处可去? 在这本小书里，罗瑟里将带领我们踏上星辰大海的旅途。沿着太阳系出发，直达遥不可知的银河系外。从行星的起源、演化、异同等基础入手；到地质分析、航天测量的前沿科技，帮助你由浅入深，合理地搭建行星地质学的专业级知识框架。 《引力》是支配宇宙的四种基本力之一。但它为什么和其他三种基本力格格不入？在这本小书里， 克利夫顿由人类认识引力的历史谈起， 以爱因斯坦、霍金等人的工作为基础， 阐述引力如何产生， 宇宙又如何借助引力支配星体的运行。读完本书， 你将重新认识引力， 并建立起引力学的专业级知识框架。

黑洞是什么，黑洞的时空特性，以及黑洞如何影响周围的物质和辐射。书中详细阐述了黑洞的形成、特征和熵与热力学性质，探讨了如何测量黑洞的质量，并揭示了黑洞与宇宙中的其他现象之间的关系。通过深入浅出的讲解，让读者对黑洞有了更加全面和深入的了解。



牛津通识课：黑洞

黑洞这个神秘的天体，它们是宇宙中引力极强的区域，连光都无法逃脱。黑洞的形成与恒星死亡有关，当大质量恒星耗尽燃料后，会坍缩成黑洞。黑洞具有事件视界，即内部逃逸速度超过光速的边界，一旦进入这个区域，就无法逃离黑洞。黑洞的史瓦西半径与黑洞的质量成正比，质量越大，史瓦西半径也越大。黑洞的存在改变了我们对空间和时间的理解，时空在黑洞附近会弯曲变形。黑洞的研究不仅需要经典物理学，还需要量子力学。黑洞的发现让我们对宇宙有了更深入的认识。



01 黑洞是什么 What Is a Black Hole？

时空图的概念，通过二维图展示三维时空中的事件。时空图中的点代表事件，线代表物体在时空中的运动轨迹，称为世界线。光锥概念指出，事件的影响范围不能超过光速，我们的过去和未来被限制在光锥内。黑洞的存在使得时空弯曲，对光锥产生影响，导致黑洞附近的时空特性与远离黑洞的时空特性显著不同。此外，引力还会导致时间流速的变化，使黑洞附近的时间流逝比远离黑洞的时间流逝慢。这些概念帮助我们理解宇宙中的时空性质和物理现象。



02 游览时空 Navigating Through Spacetime

黑洞的基本特征，包括质量、自旋和电荷等物理参数。黑洞的形成是由于引力坍缩，质量奇点被事件视界所包围。大多数黑洞都是旋转的，这源于恒星在坍缩前具有的角动量。黑洞的旋转会影响周围时空的结构，形成独特的物理现象。黑洞还有一个重要的特性，即“无毛”，意味着除了质量和自旋外，黑洞不保留任何其他信息。此外，黑洞还可能存在一种名为“能层”的特殊区域，其中物质被迫旋转，并可能储存能量。最后，黑洞理论还涉及到白洞和虫洞等奇特的时空结构，它们为理解宇宙的奥秘提供了丰富的想象空间。



03 黑洞的特征 Characterizing Black Holes

黑洞的神秘与危险，从物体落入黑洞时，光子会被引力红移，到黑洞附近时间膨胀的奇特现象，都揭示了黑洞的奇异特性。在黑洞附近，时间流逝的速度会变慢，越靠近黑洞，时间膨胀效应越明显。此外，黑洞附近的潮汐力也会变得极其巨大，甚至足以将人撕裂。黑洞的旋转还会对周围时空产生重要影响，改变物质的轨道，甚至可以影响从黑洞中提取能量的多少。这些现象都体现了黑洞的强大力量和神秘魅力。



04 落入黑洞…… Falling Into a Black Hole

黑洞的熵和热力学原理。黑洞似乎对食物没有挑剔，无论是星际尘埃还是煎蛋，都能吸收并增加质量。由于缺乏对黑洞所吸入物质性质的了解，我们无法得知黑洞的具体构成。黑洞与热力学有着密切的联系，信息在物理过程中会丢失或耗散，这与黑洞的特性相似。黑洞的熵与其面积有关，而黑洞的蒸发则是通过霍金辐射实现的。黑洞信息悖论是黑洞研究中的一个重要问题，目前仍存在争议。



05 黑洞的熵和热力学 Entropy and Thermodynamics of Black Holes

黑洞的测量方法。由于黑洞本身不可见，科学家们通过观测周围恒星的轨道运动来推断黑洞的存在和质量。通过使用自适应光学技术，科学家可以在红外观测波段克服星际尘埃的干扰，从而更清晰地观测到恒星的运动。通过分析恒星的轨道运动，科学家可以应用开普勒定律计算出黑洞的质量。此外，对于双星系统中包含黑洞的情况，通过测量恒星轨道周期和距离，也可以推断出黑洞的质量。尽管测量黑洞质量存在一定难度，但通过不懈努力，科学家们已经在银河系中心黑洞和双星系统中黑洞的质量测量上取得了显著成果。



06 你怎样给黑洞称重 How Do You Weigh a Black Hole?

黑洞的奇特特性，它们并非孤立存在，而是通过吞噬周围的物质来生长。黑洞的强大引力场将物质拉入其周围，形成吸积盘，这些物质在黑洞周围高速旋转，释放出巨大的能量。吸积盘中的物质温度极高，甚至能达到百万度，发出的辐射能让我们探测到黑洞的存在。黑洞吞噬物质的速度很快，即使是位于银河中心的黑洞，每年也能吞噬相当于300个地球的质量。黑洞的生长速度取决于其旋转速度，旋转越快，物质能靠近的距离就越近，释放的能量也就越多。通过测量吸积盘中的辐射强度和物质的旋转速度，我们可以推断出黑洞的质量和自旋速度。黑洞的吞噬过程虽然剧烈，但只有一小部分物质能够到达事件视界并被吞噬，大部分物质则会被吹走或形成喷流。



07 吃得更多，长得更大 Eating More and Growing Bigger

黑洞不仅仅是吞噬物质的存在，它们还能产生等离子体喷流，对宇宙有着深远的影响。这些喷流携带着巨大的能量，能延伸至数百万光年之外，甚至影响超过事件视界很多光年的宇宙。黑洞附近的物质在强大引力作用下加速运动，形成激波，并导致粒子加速。而黑洞产生的类星体，其辐射功率比银河系还要高，对地球上的生物可能造成损害。同时，黑洞的研究还带来了意想不到的副产品，如无线通信技术等。因此，黑洞不仅是宇宙中最神秘的天体之一，也是推动科技进步的重要源泉。



08 黑洞和副产品 Black Holes and Spin-offs

这本书深入探讨了黑洞的奥秘，从其定义、时空穿越、特性、掉入黑洞的经历，到黑洞的熵和热力学性质。书中还探讨了如何测量黑洞的重量，以及黑洞的“饮食”和成长过程。此外，还涉及了黑洞相关的科学发现和技术应用，提供了丰富的知识和引人入胜的故事。



这本书的作者对众多专家的感谢之情，他们为书稿提供了宝贵的意见。其中包括对图示的准备工作以及光学观测方面的帮助。作者特别对Stephen Blundell表示感激，他负责制作了书中的图表。 Steven Lee在光学观测方面的协助也得到了作者的认可。这些感谢之词表达了作者对同行们贡献的尊重和感激。



Acknowledgements

黑洞，这个宇宙中神秘的物体，是由恒星耗尽燃料后塌缩形成的。它具有如此强大的引力，以至于连光都无法逃脱。尽管我们无法直接观测到黑洞，但它们通过影响周围环境而被探测到。黑洞的核心区域被称为奇点，那里的引力极其强大，连光也无法逃脱。而黑洞的边界，即事件视界，一旦物体进入，就无法逃脱黑洞的引力。

黑洞的发现，让我们对宇宙有了更深入的理解。事件视界是黑洞的一个神秘边界，一旦靠近，无论飞船多么强大都无法逆转。这是因为在这个边界内，逃逸速度会超过光速，违反了宇宙速度极限。事件视界的大小取决于黑洞的质量，而黑洞的形成可能源自恒星或行星的坍缩。

早在18世纪，科学家们就开始想象类似黑洞的“暗星”。约翰·米切尔和皮埃尔-西蒙·拉普拉斯等科学家基于牛顿的万有引力定律，对黑洞进行了研究。尽管他们的实验并未成功，但他们为后来的研究奠定了基础。

相对论中关于时空的理论，将时间和空间融合成了一个四维的时空结构。爱因斯坦的广义相对论进一步阐述了时空的动态性，指出质量可以弯曲时空，从而影响物体的运动。黑洞的存在进一步展示了时空弯曲的极端情况，其事件视界阻止了物质和辐射的逃逸，而黑洞的旋转则带来了更为复杂的现象。

黑洞的发现，使我们对宇宙有了更深入的认识。通过对宇宙光谱的分析，科学家们甚至可以在地球上发现遥远天体的存在，这展示了人类对宇宙探索的无限可能。黑洞的神秘事件视界，是一个无法逃离的边界，这是由于在这个边界内，逃逸速度会超过光速，违反了宇宙速度极限。事件视界的大小取决于黑洞的质量，而黑洞的形成可能源自恒星或行星的坍缩。科学家卡尔·施瓦茨希尔德提出的公式RS = 2GM/c²，描述了黑洞的这种特性。黑洞的存在，使我们对宇宙的理解更加深入。

Chapter 1 What is a black hole?

时空图是一种描绘四维时空的数学工具，它通过二维图像展示了事件在时间和空间中的位置关系。在这个图中，垂直轴代表时间，水平轴代表空间。图中的点代表事件，而线则代表物体在时空中的运动轨迹，即世界线。光速在时空图中以45度斜线呈现，这一特性限定了因果关系的传播速度。光锥概念则进一步阐释了时空中的因果限制，指出我们只能影响和被影响于光速范围内的时空区域。

时空图和光锥概念不仅展示了物体在宇宙中的位置和事件发生的时间，还揭示了相对论中的同时性问题和不同观察者视角的差异。文章还介绍了光子在弯曲时空中的路径，即测地线，并提供了光线在强引力场中弯曲的观测证据。这些概念有助于我们直观地理解时空的复杂性和宇宙的运作规律。

时空的弯曲对时间流逝也有显著影响。例如，地球上的时钟与太空中的时钟相比会慢一些，这被称为时间膨胀。此外，黑洞对时空和光锥的形状也有重大影响。黑洞的强大引力场足以弯曲时空，甚至使光线发生偏转。

在时空图中，我们可以看到，只有位于光锥内的物体或事件才能相互影响。这一特性在宇宙中具有重要的意义，它决定了宇宙中信息的传递和物质的运动。

通过时空图，我们能够更好地理解相对论中的同时性问题。在相对论中，同时性是相对的，不同的观察者可能会对同一事件的不同方面有不同的看法。时空图可以帮助我们理解这种差异，从而更好地理解相对论。

文章还探讨了时空弯曲对宇宙结构和物质运动的影响。在强引力场中，时空的弯曲会导致光线的偏转，这是广义相对论的一个预测。通过观测这些现象，我们可以验证广义相对论的正确性。

总之，时空图和光锥概念是理解宇宙结构和物质运动的重要工具。通过这些概念，我们可以深入理解时空的复杂性和宇宙的运作规律。

Chapter 2 Navigating through spacetime

黑洞是由星体塌缩形成的，其质量、自旋和电荷等属性构成了黑洞的基本特性。其中，质量是区分不同黑洞的主要特征，而自旋则是由于物质在塌缩过程中角动量守恒的结果。由于黑洞内部信息无法逃逸到外部，其外部特性仅由质量和自旋决定，被称为“无毛黑洞”。黑洞的形成与塌缩物质的旋转状态有关，大多数恒星都是旋转的，因此黑洞自旋现象非常普遍。

黑洞的旋转特性及其对周围时空的影响。黑洞的旋转导致其引力场不仅将物体拉向中心，还会使物体围绕黑洞轴线旋转，这一现象被称为帧拖曳。旋转黑洞的引力场会改变物体的自旋轴，就像其局部参考系被中央旋转物体的旋转所拖拽。这种现象，即Lense-Thirring效应，不仅发生在黑洞周围，还发生在任何旋转物体周围。黑洞的旋转会导致周围时空形成一个旋转的涡流，类似于漩涡中心的空气快速旋转，并将路径上的物体携带。黑洞的旋转越快，其引力势阱越深，因此成为更强大的能量来源。然而，黑洞的旋转存在极限，超过这个极限将无法进一步加速旋转。此外，还存在一个称为ergosphere的区域，它是从静态极限到事件视界的区域，其中空间旋转速度非常快，以至于光也无法静止。这个区域是提取黑洞能量的关键区域。

广义相对论中还有一些有趣的解，如白洞和虫洞。白洞与黑洞类似，但时间方向相反，物质被喷出而非吸入。虫洞则是一种连接时空不同区域的通道，可能允许时间旅行。然而，这些解在实际宇宙中的存在尚未得到证实，且存在许多理论上的难题，如虫洞的稳定性问题。文章还提到了一些可能产生时间旅行悖论的解，如克尔解中的闭合时间类曲线。文章最后指出，这些解虽然有趣，但可能并不符合宇宙的基本量子力学性质。

Chapter 3 Characterizing black holes

黑洞，宇宙中神秘而危险的星体，其强大引力场对时间和空间产生深远影响。物体一旦掉入黑洞，距离越近，时间流逝越慢，甚至可能停止。这一现象被称为时间膨胀。在黑洞的奇点处，时间甚至可能完全停止。同时，黑洞附近的引力还导致光线波长发生变化，即引力红移。

黑洞强大的引力场还产生巨大的潮汐力，使得物体在黑洞附近经历极端的重力差异。以地球和月球之间的潮汐力为例，即使距离较远，引力差异也会导致潮汐现象。靠近黑洞时，由于重力随距离的平方递减，身体不同部位受到的引力差异会非常巨大，导致身体被拉伸至难以承受的程度。

黑洞的旋转对周围时空的动态产生巨大影响，使得物体甚至光线都能在黑洞周围旋转。这种现象被称为“帧拖曳”。黑洞的旋转速度越快，物体能接近黑洞的距离就越近。黑洞旋转对周围时空的扭曲影响深远，连光线也无法逃脱其影响。

黑洞旋转对气体轨道也有显著影响。旋转的黑洞可以让气体更靠近黑洞轨道，而非旋转的黑洞则不然。以太阳变成黑洞为例，虽然这会导致地球失去阳光，但太阳系内其他天体轨道几乎不变。旋转黑洞因自转产生两个光子球面，且随着黑洞自转速度加快，这两个光子球面逐渐分离。此外，还存在一个静态极限面，接近该面时，任何物体都无法静止，需要不断加速才能维持轨道。旋转黑洞的轨道不再是平面，而是三维空间中的轨道，这些轨道受到最大和最小半径以及最大角度的限制。黑洞自转的强度直接影响粒子接近黑洞的距离，对于最大自转的黑洞，光子在顺时针轨道上的光子球面半径仅为史瓦西半径的一半，而在逆时针轨道上的光子球面半径则为史瓦西半径的两倍。

黑洞的特性使其成为宇宙中一个神秘而危险的现象。强大的引力场、时间膨胀、引力红移、潮汐力、旋转以及对其周围时空的扭曲，这些特性共同构成了黑洞独特的宇宙现象。

Chapter 4 Falling into a black hole . . .

黑洞，宇宙中的神秘存在，以其吞噬一切的能力和无法直接观测的特性，一直是科学家研究的焦点。它们对所吞噬的物质毫不在意，无论星际尘埃还是巨大的天体。黑洞的“无毛定理”揭示了它们仅由质量、电荷和角动量三个参数描述，这意味着我们无法得知黑洞所吞噬物质的本质。

这种信息损失的现象，类似于热力学中能量和熵的转化过程，都涉及到信息或能量的不可逆消失。黑洞的熵与其事件视界的面积相关，这一发现启发了人们对于黑洞与热力学之间关系的深入研究。

然而，关于黑洞的真空状态，我们也有新的认识。最初，真空被许多哲学家视为不可能存在，但随着科学的发展，人们开始通过实验证明真空的存在。量子力学揭示了即使在所谓的“空”的真空状态下，也存在着短暂的不守恒能量现象，形成了所谓的虚拟粒子，它们在极短的时间内出现和消失。

黑洞不是完全不可见的，霍金辐射理论解释了它们能够通过辐射形式发出粒子，甚至光线。黑洞的蒸发过程正是由于这种辐射导致的，而其温度和辐射强度会随着黑洞质量的减小而增加，最终可能导致黑洞的消失。

关于黑洞信息悖论，科学家们展开了激烈的讨论。黑洞蒸发时，其中存储的信息是永久丢失还是得以保留，这一问题引发了两派观点的争论。一方认为信息会丢失，另一方则认为信息会存储在黑洞辐射中。霍金与普雷斯基尔之间的著名赌注，最终霍金因为认同信息在辐射中的观点而败诉。

目前，我们尚未直接观察到黑洞的霍金辐射，但这一领域的研究仍在继续。科学家们试图通过实验和观察来解开这个谜团，以更深入地理解黑洞的物理性质。

Chapter 5 Entropy and thermodynamics of black holes

测量银河系中心黑洞质量的方法主要是通过观测其影响下恒星的运动。由于黑洞不发光，科学家只能通过分析恒星的运动轨迹来间接推断其质量。这一过程首先需要克服地球大气层的干扰，为此，研究人员采用了自适应光学技术来获得清晰的图像。此外，为了穿透尘埃，他们采用了红外波长的观测手段。

根据凯普勒定律，通过分析恒星的运动周期和速度，可以计算出黑洞的质量。目前的研究表明，银河系中心的黑洞质量大约是太阳质量的400万倍，其半径不超过6光小时。

宇宙中大多数大质量星系都存在一个中心黑洞，其质量与星系本身的质量紧密相关。测量黑洞和星系质量是一个挑战，但科学家们已经找到了一种方法：通过观测星系中双星系统的运动周期和距离来推算黑洞的质量。

除了中心黑洞，星系中还存在大量由恒星演化而来的黑洞，这些黑洞的形成过程与中心黑洞不同。尽管测量黑洞质量具有挑战性，科学家们仍在努力克服这些困难，以期更深入地了解黑洞的特性。

在观测黑洞的过程中，自适应光学技术和红外波长的观测手段起到了关键作用。这些技术的应用使得科学家能够更精确地测量恒星的运动，从而推断出黑洞的质量。随着科技的不断发展，我们有理由相信，在不久的将来，科学家们将对黑洞的特性有更深入的了解。

Chapter 6 How do you weigh a black hole?

黑洞并非被动地吞噬物质，而是与周围环境有着密切的互动。物质在黑洞附近高速旋转，形成吸积盘，通过摩擦和碰撞产生高温，进而发射出电磁辐射。黑洞强大的引力不仅吸引气体和恒星，甚至能撕裂靠近的恒星。吸积盘中的物质在旋转过程中逐渐失去能量，形成螺旋状轨道。黑洞旋转速度越快，吸积盘中的物质越靠近黑洞，释放的能量也越多。这一过程被认为是类星体等天体能量释放的机制，黑洞强大的引力场和能量释放能力使其成为宇宙中能量释放的极致。

黑洞与恒星周围物质通过强大的引力被吸入，并围绕黑洞旋转形成吸积盘。这些物质旋转速度极高，通过观测吸积盘中物质的旋转速度，我们可以了解黑洞的许多特性。使用先进设备如VLBA，我们能够以极高的分辨率观测这些现象，甚至可以探测到距离地球较近的星系中的黑洞。这些观测数据表明，物质围绕黑洞的运动遵循开普勒定律，为理解黑洞和吸积盘提供了宝贵的信息。

黑洞吸积盘的运作机制中，物质在高速旋转的盘内失去角动量，逐渐靠近黑洞。这一过程依赖于盘内物质的摩擦和磁场的相互作用。磁场由等离子体中的带电粒子产生，通过磁力线传递角动量，使得盘外物质角动量增加，而盘内物质角动量减少。随着物质向内移动，温度升高，产生大量热辐射，使吸积盘成为黑洞附近的高能区域。观测到的高能辐射，如X射线，可以帮助我们了解黑洞的旋转速度。然而，并非所有物质都能到达黑洞，部分物质可能从盘上喷出，形成高速的喷流。

黑洞吸积盘的研究不仅揭示了黑洞的物理特性，还为我们提供了了解宇宙中能量和物质循环的重要窗口。通过研究吸积盘，我们可以更好地理解黑洞的运作机制，以及它们在宇宙中的能量释放过程。此外，这些研究还有助于我们探索黑洞与恒星之间的相互作用，以及黑洞在宇宙演化中的角色。随着观测技术的不断进步，我们有理由相信，对黑洞吸积盘的研究将会为宇宙学领域带来更多突破性的发现。

Chapter 7 Eating more and growing bigger

黑洞，宇宙中的一种神秘天体，其独特之处在于不仅能吞噬物质，还能喷射出高速的等离子体流，形成被称为“活动星系”的现象。这些等离子体流源于黑洞周围的强大能量释放，通过旋转的黑洞转化为电场和磁场，进而产生喷射。这些喷射形成的冲击波能加速粒子，并将大量能量传递给星际介质，影响范围可跨越数百万光年。同时，黑洞中心的物质积累会发出强烈的电磁辐射，形成被称为“类星体”的极端明亮天体，它们是宇宙中已知的最强大的能量释放源。

在宇宙中，我们正在探索的巨大类星体，其跨越超过一百万光年的巨大范围，由单一黑洞周围的过程产生巨大能量。这些能量通过被称为同步辐射的辐射形式释放，其强度随着距离的增加而减弱。当这些辐射 lobes 在向外太空扩张时，其磁场的强度减弱，导致电子能量损失，只有更高能量的电子才能继续产生辐射。当这些电子与来自宇宙微波背景的辐射相互作用时，会发出X射线。通过监测类星体的生命周期，我们可以观察到从无线电波长到X射线波段的转变，揭示其不同阶段的活动。

此外，一些类星体的喷射轴会发生预旋，而另一些则没有，这提示我们预旋可能与喷射的初始角动量有关。这些研究不仅揭示了宇宙中巨大能量的奥秘，也为我们理解星系和黑洞的演化提供了线索。

微类星体，位于银河系内的低质量黑洞，与遥远星系中心的类星体类似，但规模要小得多。它们是银河系内的强射电源，其活动中心有一个类似太阳质量的黑洞。这些微类星体产生的等离子体射流具有与类星体相似的物理特性，并且也是由物质落入黑洞的引力塌缩所驱动的。微类星体的一个显著特点是它们的对称性，即东半球和西半球的射流运动相等且相反。

此外，我们还研究了M87星系中心超巨型黑洞产生的相对论性射流，其速度接近光速。射流的形成机制目前仍处于推测阶段，但数值模拟为理解这一现象提供了重要线索。

宇宙中黑洞的研究，揭示了黑洞的两种主要类型：一类是质量与恒星相当的恒星质量黑洞，另一类是位于星系中心的超级质量黑洞。超级质量黑洞甚至可以达到一千亿倍太阳质量。研究黑洞不仅能够探索极端物理环境，还能促进广义相对论和量子物理学的统一。黑洞的研究还激发了科学家和公众对宇宙的好奇心，甚至催生了如WiFi等技术创新。

目前，我们尚未直接探测到引力波，但黑洞合并产生的引力波有可能揭示广义相对论的极限，甚至可能需要新的物理理论来解释。黑洞的研究不仅让我们对宇宙有了更深的理解，还可能改变我们的生活方式。

Chapter 8 Black holes and spin-offs

关于宇宙和天文学的多种书籍，涵盖了引力、黑洞、星系、相对论等多个领域。这些书籍从不同角度阐述了宇宙的奥秘，从宇宙的大尺度结构到微观粒子的运动，从黑洞的诞生到星系的演化，为读者提供了丰富的知识和深入的思考。无论是专业的学者还是普通读者，都能从中找到适合自己的阅读材料。



Index

光的本质，从光线到光波，再到光的波粒二象性。接着，探讨了光与物质的关系，以及光在空间和时间中的作用。随后，介绍了光学的前沿探索，量子光学以及黎明时分的光学现象。全书以光的科学原理为主线，深入浅出地揭示了光学的奥秘。



牛津通识课：光

光作为一种承载与传递信息的能力，是我们观察世界、认识外部事物的基础。光与我们的视觉紧密相连，它不仅赋予万物生命，也塑造了我们对周围事物的认知。从日常生活中的照明，到地球上的生物反应和化学反应，光都扮演着至关重要的角色。同时，光在通信、光学等领域也有着广泛应用，例如图像捕捉、光纤通信、激光加工等。光学作为一门古老的科学，不断发展，新发现不断涌现，对现代科技的发展产生了深远影响。光作为一种物质实体，具有亮度、强度、颜色和偏振性等物理特性，这些特性使得光在辨别、测量和控制物质方面具有重要作用。



01 光是什么 What is Light?

光线的传播特性，阐述了光线沿直线传播的原理，以及激光、反射和折射等光学现象。书中还详细描述了光子的特性，如位置、行进方向和速度信息，并解释了光学仪器的设计原理和应用。通过讲述光学的发展历程，从古希腊的欧几里得到阿拉伯科学家海什木，再到现代的透镜和显微镜，揭示了光学在科学研究、日常生活和技术发展中的重要作用。同时，书中也探讨了光学成像的极限，如阿贝极限，以及如何通过改进光学仪器来突破这一极限。最后，介绍了超颖材料和超级透镜等前沿科技，展示了光学领域的无限可能性。



02 光线 Light Rays

光波的波动说，通过一系列实验和现象，如油层边缘的彩色轮廓、小孔成像、双折射等，揭示了光具有波动特性。具体来说，这些实验展示了光的波动特性，如波长、频率和波速等基本特征，以及光作为电磁波的性质。进一步地，干涉现象被深入探讨，通过托马斯·杨的实验展示了其重要性和产生原因。

全息技术也被介绍，解释了其原理和应用。此外，还讨论了成像极限和超分辨率成像技术，以及光的衍射和偏振特性。这些内容共同揭示了光的波动特性及其在科学研究和实际应用中的重要性。

在晶体中，光传播时产生的双折射现象，是由于晶体内原子排列的不对称性导致的。通过偏振片，可以控制光的传播方向和强度，这一原理被广泛应用于太阳镜和液晶显示屏中。光的偏振特性还被用于3D电影，通过偏振眼镜让左右眼分别看到不同偏振的图像，从而产生立体感。

光的波动模型和粒子模型虽然不同，但都对理解光的本质具有重要意义。光波的波动特性在科学研究中有广泛的应用，如全息技术、成像技术等。同时，在日常生活中，光的波动特性也有许多实际应用，如太阳镜、液晶显示屏、3D电影等。通过深入研究和应用光的波动特性，我们可以更好地理解和利用光这一自然现象。

03 光波 Waves

光的波粒二象性这一科学概念，从粒子与波动两种不同的观点出发，探讨了光的本质。文章首先介绍了粒子模型与波动模型对光的解释，指出两种观点看似矛盾，但实际上都揭示了光的本质。接着，文章回顾了费马提出的“最少时间原理”，以及哈密顿如何将光的波动概念与粒子概念相结合，揭示了光的粒子性与波动性。文章还探讨了光的强度与波函数之间的关系，以及量子场的概念，最终得出结论：光既是粒子又是波，两者同时存在。



04 光的波粒二象性 Duality

光是如何产生的。首先，各种发光物体，如灯泡、荧光管、激光笔等，都涉及物质和电荷的转移，电荷加速时产生光。然后，以氢原子为例，阐述了原子是如何通过电子的振荡和运动产生光的。接着，探讨了光是如何通过自发辐射和受激辐射两种方式产生的，以及量子力学对原子发光过程的影响。最后，介绍了激光的产生原理和应用，以及X射线和超短光脉冲在科学研究中的应用。



05 光物质 Light Matters

光在理解时空中的关键作用。从古希腊人到牛顿，再到爱因斯坦，科学家们对光、空间和时间的认识不断深化。光不仅定义了空间，也定义了时间。爱因斯坦的相对论揭示了光速在定义时空中的决定性作用。同时，文章也介绍了时钟的发展，从机械钟到原子钟，再到光通信中的频率梳，科技的进步让人们对时间的测量越来越精确。然而，光的传播速度和波的特性也带来了一些有趣的现象，如时间膨胀和空间收缩。光通信技术的应用让信息传输变得更加高效，满足了我们对通信带宽不断增长的需求。



06 光、空间与时间 Light, Space, and Time

光学领域的前沿研究，包括光力学、超冷技术、超快现象和超强激光脉冲。光力学展示了光对物体施加作用力的能力，可用于操控分子和原子，以及形成光学镊子。超冷技术利用激光将原子冷却到接近绝对零度，揭示出新的物质状态，如玻色-爱因斯坦凝聚态。超快现象涉及极短的光脉冲，可用于观察原子和分子的快速变化。超强激光脉冲则具有极高的能量密度，可用于改变物质状态和进行核聚变实验。这些技术不仅推动了光学领域的发展，也为我们探索微观世界提供了新的工具。



07 探索光学前沿 Lighting the Frontiers

量子光学领域的奇妙世界。光子，作为光的粒子，其产生、研究、测量、储存和使用都充满了挑战。经典光和激光虽然能够产生大量光子，但光子数的变动和噪声限制了图像质量。而量子光，凭借其低噪声和稳定性，在成像、通信等领域展现出巨大潜力。单光子作为量子光的基础，其特殊的性质和用途令人着迷。此外，量子纠缠和压缩光等概念，更是将量子光学推向了前所未有的高度，为信息处理、通信等领域带来了革命性的变革。



08 量子光学 Quantum Light

光的历史与应用，从德谟克利特的原子到牛顿的光粒子，展示了人类对光的探索与理解。书中简要提及了光学技术的进步，如多镜面望远镜和同步加速器等成像设备，并强调了光学技术带来的新领域和应用。同时，指出光将继续揭示新的谜题，激发我们的想象力，推动新设备的研发。



09 黎明时分 Twilight

光的基础知识，包括光的概念、光束和波动性质，以及光的双重性。探讨了光与物质、空间和时间的关联，阐述了光在科学探索中的重要性。书中还涉及量子光的概念，以及光在科学前沿的作用，并对光的探索历程进行了回顾。



光的重要性，它不仅让我们看见世界，还是许多科技的基础，如互联网、精密时钟、显微镜等。从古代到现代，无数科学家对光的本质和作用进行了探索，从光波到电磁场，再到量子场，不断揭开光的神秘面纱。这本书回顾了这一历程，展现了光对人类文明发展的巨大影响，并记录了作者对同行和帮助过他的人的感谢。



Preface and acknowledgements

光，作为人类感知世界的基础，维系生命，推动科技进步。它赋予我们视觉，影响心理与情感，正如乔治·里奇蒙德在《创世纪之光》中所描绘。在生物化学领域，光合作用将二氧化碳转化为氧气，为地球生命奠定基础。通信与导航等领域，光的应用无处不在，从光纤到激光，展现其重要性。

光学，作为一门古老科学，推动我们对自然世界的理解。从伽利略的望远镜到现代纳米技术，光学揭示宇宙奥秘。文章讨论光的概念，包括亮度、强度、颜色和温暖等属性。光源功率和接收面积影响光的亮度，颜色与光的物理属性和生理效应紧密相关。

光的可见光谱之外，紫外线、红外线和X射线等，在不同领域发挥重要作用。医学成像、分子结构分析等，都得益于光的应用。电磁波谱系，从可见光到微波、X射线，科学家将看似不相关的波联系在一起。

光的特性，如强度、颜色和偏振，探索物质性质，应用于健康监测、大气污染监测等领域。3D电影中的偏振技术，以及金属切割、医学治疗等，都离不开光的应用。从研究宇宙起源到分析分子结构，光为我们提供深入理解自然世界的能力。

光学的发展历程，是科学创新和技术革新的典范。它不断推动我们对世界的认识和应用，为人类进步提供动力。

Chapter 1 What is light?

光沿直线传播，这一原理在解释物体在不同距离下大小变化的现象中起着关键作用。文章以自拍为例，揭示了光线的这一特性，并回顾了欧几里得和阿尔-哈桑等古代学者在光学领域的研究成果，阐述了光线如何从物体反射进入观察者眼中。

光子，作为光的基本粒子，在光学成像中扮演重要角色。文章详细解释了光的反射现象，包括反射定律和成像原理，并介绍了牛顿望远镜的设计原理。牛顿发明反射望远镜，是为了解决当时望远镜普遍存在的色差问题。传统的折射式望远镜因折射现象导致不同颜色的光线弯曲程度不同，产生彩色光环。而牛顿的反射望远镜通过凹面镜反射光线形成图像，避免了色差问题。

文章还介绍了光的折射现象，包括斯涅尔定律和折射指数等概念，以及镜头在成像设备中的应用，如眼镜、手机摄像头和显微镜等。同时，探讨了人眼成像的原理，以及眼睛成像的倒置现象和视觉处理过程。随着年龄增长，眼睛成像能力下降，光学仪器在辅助视力方面发挥重要作用。

光学成像的基本原理是Abbe的成像准则，揭示了图像大小与光线波长、镜头焦距和直径的关系。现代显微镜和半导体芯片制造等高分辨率成像系统，依赖于接近Abbe极限的成像技术。文章还探讨了非线性光学系统和超材料等前沿技术，这些技术突破传统光学系统的限制，实现更高级的成像功能。天文望远镜的成像挑战，以及如何通过改进镜面设计和大气校正技术来提高成像质量，也被提及。

展望未来，光学成像发展方向包括三维成像技术。随着科技的不断发展，光学成像技术将不断创新，为人类带来更多惊喜。

Chapter 2 Light rays

光，这一古老而神秘的物理现象，自牛顿以来就以其独特的双重性质困扰着科学家们。它既表现为粒子，又展现出波动特性。科学家们通过观察油膜上的彩色边缘、光通过小孔的扩散以及晶体中的双折射现象，逐渐接受了光的波动理论。

本章将深入探讨光的波动特性，包括干涉、衍射和偏振等现象，并解释了光的波长和频率等基本概念。光的波动理论解释了光在两个非常接近的表面反射并分裂成两个波，从而产生了干涉，形成了明暗相间的彩色条纹。托马斯·杨的实验通过两个小孔让光通过，观察到了干涉条纹，即所谓的杨氏干涉条纹，这一现象证实了光的波动性质。

光的干涉现象，即两个波相遇时波幅的叠加。当波峰与波峰相遇时，产生的是加强干涉，即波幅加倍；而当波峰与波谷相遇时，产生的是减弱干涉，即波幅几乎为零。这一现象不仅解释了牛顿实验中的彩色条纹，还说明了光波的性质。通过干涉，可以精确测量微小距离，并记录下物体的三维图像，即全息摄影。全息摄影记录了光波的波前信息，包括振幅和相位，使得可以从不同角度观察物体，并揭示其不同特征。

超分辨率成像技术，如光激活定位显微镜（PALM）和刺激发射耗尽显微镜（STED），通过纳米级粒子附着在观察对象上或分子发光，实现了显微镜下更精细的观察。这些技术极大地推动了生物医学领域的研究。

光的衍射现象，以及如何通过衍射测量结构形状和对称性，也是本章探讨的重点。波导如何管理光的衍射，以实现长途通信，以及偏振在光学信息基础设施中的作用，也将被介绍。

光的偏振，这一波的模型中的关键特性，描述了横波中振动方向与传播方向垂直的特性。利用偏振原理，我们可以通过特殊材料如Polaroid塑料过滤掉特定方向的偏振光，达到减弱光线和减少反光的效果。透明双折射材料可以改变光的偏振方向，甚至某些材料如液晶可以通过电场控制分子的排列来调节光的偏振状态。这些特性在3D眼镜和LCD显示器中得到了广泛应用。

通过对光的波动特性的深入研究，我们不仅能够更好地理解光这一自然现象，还能够在科技领域发挥其巨大的潜力。

Chapter 3 Waves

光，作为自然界中的一种基本现象，在历史上被赋予了两种截然不同的理解：粒子模型和波动模型。粒子模型视光为一束能量，沿着特定轨迹移动；而波动模型则将其视为一种弥漫于空间的现象。19世纪，麦克斯韦的电磁场理论揭示了光的波动本质，并解释了干涉和衍射现象。尽管如此，光的轨迹在光学系统设计中仍然扮演着重要角色。

17世纪，法国人费马提出的“最短时间原理”认为，光从一点到另一点会走最短路径。这一原理被德国哲学家莱布尼茨扩展到整个世界，认为一切现象都是最优化的。19世纪，爱尔兰数学家哈密顿将波动和粒子理论相结合，指出光的波动和粒子性质的关系，并强调当波长与传播介质结构尺寸相似时，波动现象更为明显。哈密顿还揭示了费马轨迹与波前的关系，将波动和粒子两种概念联系起来。

18世纪，科学家们开始思考物体运动轨迹，以及如何通过最小化“作用量”来描述这种运动。这一理论在19世纪由欧拉和汉密尔顿进一步发展，汉密尔顿提出了“光学的类比”，认为物体运动轨迹与光波传播轨迹存在相似性。然而，19世纪末的光学现象，如热物体颜色和原子光谱，对当时的光学理论提出了挑战。

为了解释这些现象，科学家们开始思考光与物质之间的量子交换，这一观念为量子力学的发展奠定了基础。光的波粒二象性成为物理学史上一个重大的转折点。通过对光谱、光电效应和量子态的研究，科学家们逐渐认识到光既具有波动性，又具有粒子性。从普朗克提出能量量子化，到爱因斯坦提出光量子理论，再到波尔的量子模型，科学家们不断探索并试图解释这一现象。

直到保罗·狄拉克提出了量子场理论，才将光的波粒二象性统一起来，揭示了光既是粒子又是波的本质。这一理论不仅解释了光的性质，还引发了人们对物质波和波函数的深入思考，为量子力学的发展奠定了基础。

量子物理学的奇妙世界，分子通过极小的缝隙产生的干涉图案揭示了光的波动性质。然而，量子世界更是充满了悖论，如“无中生有”的电磁量子真空。它虽然空无一物，却拥有可观测的性质。电子在这样的真空波动中受到扰动，导致能级变化，进而影响光的颜色。量子场作为宇宙的基本实体，既可以是粒子，也可以是波，这揭示了现实世界的双重本质。

Chapter 4 Duality

光，这一自然界的基本现象，由电荷的移动产生。无论是简单的金属丝灯泡，还是复杂的激光，它们的工作原理都离不开这一核心。当电荷加速，即改变速度或方向时，根据电磁学的原理，它们会发出光。文章详细解释了电子在原子中的运动，以及它们如何通过加速或减速来产生光。

原子在不同状态下的光子发射现象为我们揭示了光的奥秘。当光子照射到原子上，原子会吸收光子，跃迁到激发态。然而，激发态的原子并不稳定，会通过自发辐射释放能量，跃迁回基态，这个过程称为自发辐射。此外，当另一个光子激发原子时，原子会释放出与其相同频率和相位的光子，即受激辐射。这种受激辐射是激光产生的原理。通过受激辐射，原子的发光变得有序，形成了具有高相干性的激光光束。

激光，作为20世纪光学领域的重要发明，其应用极其广泛。它不仅作为光源，还能精准地传输能量，控制物质动态。激光的工作原理涉及光学放大器和光学腔，通过镜子反射产生相干光束，其纯净的颜色和稳定的强度使其在多个领域都有广泛应用。在显微镜和光谱学中，激光用于成像和数据分析；在制造业中，激光用于切割、焊接和标记；在医疗领域，激光用于矫正视力、牙科治疗和脱毛。此外，激光光谱学可以用来识别不同的原子和分子，对于化学、分子生物学、天体物理学和大气物理学等领域都有重要作用。通过不同颜色的激光结合，还能实现投影仪的功能，为观众呈现色彩鲜艳的电影画面。

X射线在科学研究中的应用同样广泛。它能激发原子中最紧密束缚的电子，从而深入探查原子和分子的内部结构。通过X射线吸收光谱，我们可以检测污染物、研究玻璃结构，甚至通过X射线衍射技术解析晶体结构。此外，激光脉冲技术可以捕捉快速运动，如分子内原子的运动和电子绕原子核的运动，这些技术使科学家能够观察和记录时间尺度极短的事件，如分子的化学变化和电子的运动。

从荧光灯、LED到生物发光，不同的光源有着各自的生成机制。这些机制共同构成了我们周围各种光现象的基础。无论是自发辐射还是受激辐射，无论是X射线还是激光，它们都是人类探索微观世界的重要工具。通过这些工具，我们得以揭示微观世界的奥秘，推动科学技术的发展。

Chapter 5 Light matters

光在理解宇宙和塑造时空结构中扮演着核心角色。早在13世纪的罗伯特·格罗斯特斯特斯就指出，光是无处不在的，它不仅定义了空间，也为事件的发生提供了场所。到了现代，爱因斯坦进一步阐释了光速作为宇宙中信号传递速度极限的重要性，从而揭示了空间与时间的不可分割性。

测量时间和空间的方法经历了从古代的钟摆到现代原子钟的演变。原子钟凭借其高精度，对于全球定位系统（GPS）等现代技术至关重要。钟表同步通过光脉冲信号实现，这一方法不仅校准了时间，还揭示了相对论中的时间膨胀现象。当观察者以接近光速运动时，他们的时间相对于静止观察者的时间会变慢。

光的波动性质限制了脉冲的持续时间，而通过调整光源，可以产生极短的光脉冲。这些脉冲对于科学研究和技术应用至关重要，它们能在纳米级别上进行精确测量和操作。

在激光技术中，频率梳的应用极为关键。频率梳能在激光腔内产生一系列间隔均匀、周期极短的脉冲光，类似于梳子的齿。这种光脉冲序列对于精确测量频率和时间至关重要。通过将微波频率与光学频率直接比较，频率梳能够帮助同步和校准标准钟，如卫星导航中的铯原子钟，提高其精度至十亿分之一。

频率梳在光纤通信中也扮演重要角色。它通过光纤传输大量数据，实现高速率的信息传输。光纤通信之所以高效，一方面是因为光束之间不易互相干扰，另一方面是光波能够在高频下产生极短脉冲，这使得信息传输速率更快。随着互联网和在线服务的需求增加，光纤通信技术不断进步，为人们提供更广阔的通信带宽。

Chapter 6 Light, space, and time

光学，这一古老而充满活力的自然哲学和科学分支，至今仍是研究的前沿。它不仅能够创造出极端的物理环境，如极高的温度和压力，还能观察并控制原子内部电子的运动。在量子世界的探索中，光揭示了许多奇特的特性，如随机世界的非直观特性。本章将探讨光在多个前沿领域的应用。

在光力学领域，光的力量被用来移动物质、操纵原子和分子，实现远程控制。光学镊子是光力学的一个重要应用，它能够精确控制微小物体，在生物学研究中发挥着重要作用。此外，光力学还能用于冷却和加热纳米级的悬臂梁，甚至冷却原子，揭示更为奇特的量子态。

超低温冷却技术利用激光照射原子，使原子几乎停止运动，接近绝对零度。这种低温状态下，原子表现出一些奇特的性质，如占据更大的空间，形成玻色-爱因斯坦凝聚态。低温下，原子可以被光束捕获，形成类似“鸡蛋托盘”的结构，从而研究原子在不同环境下的行为，这有助于理解物质的量子性质，并为模拟其他量子系统提供可能。

光脉冲的极短时长，如单个光波周期，约2飞秒，甚至短至极端紫外光区域的100阿秒。这些极短的光脉冲可用于观察原子和分子的快速变化，如电子运动和化学键振动。通过“泵浦-探测”技术，研究人员如同为原子或分子拍摄电影，观察这些变化。这一技术在生物化学领域也有应用，如研究光合作用的第一步，可能对提高太阳能电池设计产生重大影响。

激光脉冲能在极短的时间内释放出巨大能量，其强度可达百万太阳。这种脉冲可以改变物质的形态，使原子核间的引力失效，产生等离子体。等离子体状态在巨大行星甚至某些恒星的核心中存在，科研人员利用激光脉冲产生的等离子体来研究这些天体的物理性质。此外，激光脉冲还能产生强电场，使原子核融合，释放大量能量，为未来能源提供新的可能性。

这些研究不仅深化了我们对物质世界的理解，也为未来的材料科学和科技发展提供了新的可能性。光，这一古老而神奇的物质，正以其独特的力量，推动着科学和技术的进步。

Chapter 7 Lighting the frontiers

量子光，相较于经典光，具有更精准的信号平均能力和降低噪声的能力。这是通过构建量子光源实现的，如利用非线性光学效应的晶体，或让原子处于激发态以发出单个光子。这些量子光源的噪声极低，每个时间窗口内仅有一个光子，保证了光强的稳定性。光子还可被偏振，形成垂直、水平或对角线偏振，而对角线偏振的光子通过偏振片时，会以一定的概率通过或反射，体现了量子物理中的基本不确定性。

量子随机数生成器利用单光子的随机性生成随机数，这种随机性源自物理规律，而非人为制造。光子的特性，如无法同时在两个地方被探测到，可建立安全的通信链接，防止窃听。量子力学中的“不可测量”和“不可复制”原则，确保了通信的安全。此外，还介绍了“压缩光”的概念，它能在特定相位点减少噪声，提高相位测量的精度，被应用于探测引力波等领域。

量子光学奥秘中，量子纠缠现象使得光子之间可以形成一种超越经典物理学的紧密联系。这种联系使得光子即使相隔很远，其性质也会瞬间同步，挑战了我们对现实世界的认知。量子光子间的关联远比经典物理更为复杂和神秘，被称为量子纠缠，是量子物理学中最令人费解的现象之一，揭示了物质世界深层次的规律。

在量子物理中，光子在被源头准备时，无法预先确定其偏振方向，违背了我们对日常物体的直观理解。量子力学指出，只有通过测量，光子的偏振方向才具有确定性。量子纠缠这一奇特现象，在量子尺度上普遍存在，如分子中电子的关联、原子间的键合等，甚至在一些高科技材料中也能看到。令人惊讶的是，量子纠缠在技术领域也有着重要的应用，如实现安全的通信、解决传统计算机无法解决的问题等。借助光子，我们可以构建一个全新的量子互联网，这将改变我们目前的通信和信息处理方式。

Chapter 8 Quantum light

光的历史和广泛的应用，尽管书中无法全面涵盖，但提及了从可见光到电磁波谱其他区域的发现，以及光学设备在日常生活中的普遍存在。书中介绍了多种成像设备，如多镜面望远镜和同步辐射装置，但着重强调了光的美和其揭示的神秘，以及光学科学和技术的活力，不断激发新的探索和应用。



Chapter 9 Twilight

光学领域的丰富历史与现状，从古希腊到19世纪的光学发展历程，再到现代光学技术的突破。书中详细描述了摄影、激光、光纤等光学技术的诞生和发展，以及它们在艺术、科学和工业领域的广泛应用。同时，还涵盖了光学原理、光学仪器和光学实验等方面的知识，为读者提供了一个全面的光学知识体系。



光学领域的发展历程，从古代的阿波罗尼奥斯、欧几里得，到伽利略、牛顿等人的研究，揭示了光的本质。阐述了光的波动性、粒子性，以及光与物质的相互作用。介绍了量子力学、相对论等理论对光学领域的影响，以及现代光学技术如激光、光纤、光学成像等在科研和生活中的应用。同时，也提到了光学在国家安全、信息安全等方面的重要性。光学领域的研究成果不仅丰富了人类对世界的认识，也推动了科技进步和社会发展。



太阳系，从离太阳最近的行星水星开始，依次介绍了金星、地球、火星、木星、土星、天王星和海王星。接着，根据行星的构成和大小，将行星分为岩质行星和巨行星两大类。然后，详细介绍了巨行星的卫星和光环，以及小行星和海外天体。最后，探讨了系外行星的存在，为我们揭示了一个更为广阔的宇宙。



牛津通识课：行星

人类对行星的认知历程漫长而曲折，从古人对夜空的观测，到现代天文学的飞速发展，我们对行星的认识不断深化。古代人们首先识别出夜空中的五颗行星，随后，科学家们提出了地球及其他行星绕太阳旋转的理论，并发现了开普勒的行星运动定律。

太阳系由行星、卫星、小行星、海外天体和彗星等构成。文章探讨了冥王星被剔除出行星行列的原因，并揭示了太阳系内行星和卫星的性质。

定义上，行星需满足三个标准：质量足够大、形状近似球形、清除轨道附近的天体。文章以冥王星为例，详细介绍了行星的形成过程，包括星云的坍缩、行星胚胎的形成、巨行星的成长等。此外，还讨论了行星的迁移、卫星的形成以及陨石坑等。

太阳系中，行星不仅是生命的居所，还可能存在多个宜居带，为生命提供了生存的机会。

01 太阳系 The Solar System

地球、火星、金星和月球的结构特点各有不同。行星从外到内分为壳、幔和核，其中壳和幔主要由硅酸盐矿物构成，而核富含铁。地球和火星存在活跃的火山活动，火星表面遍布火山岩浆。金星拥有浓密的大气层，表面由火山喷发形成的平原和山脉构成。月球表面则以撞击坑为主，但也有火山活动。

地球和火星的内部热量主要来源于吸积过程和放射性同位素的衰变。地球的岩石圈被划分为多个板块，通过板块构造运动形成山脉和海洋。火星和金星则没有板块构造，但存在火山活动。

火星的火山数量虽少，但规模巨大，这得益于火星是一个“单板块行星”，其岩石圈相对静止，地幔柱会一直向岩石圈同一地点提供岩浆，使得火山能够持续喷发。火星的岩石圈比地球厚，可以承受巨大火山的负荷。火星表面地貌受陨石、风、流水和冰川等自然力量影响，形成了多样的地貌特征。火星上曾经存在大量水流动的证据，如水手谷和沟壑等。火星大气层稀薄，主要由二氧化碳组成，紫外线和太阳风对其造成破坏。火星大气层结构复杂，包括对流层、中间层和平流层等，其中平流层存在臭氧层，对地球具有保护作用。

金星南极旋涡的神秘“眼睛”通过24小时间隔拍摄的中红外线图像揭示，这个点代表南极，图像显示了距离金星地表约60千米的云顶。金星的大气层存在温室效应，由于二氧化碳含量高，表面温度高达500℃以上。地球和火星也分别有不同的温室效应和大气循环。地球的温室效应是自然形成的，而人类活动导致的二氧化碳增加则可能引发全球气候变暖。云层对气温有复杂影响，金星和地球的云层成分和形成过程各异。

极冠和海洋是行星表面的重要组成部分，地球是唯一拥有海洋的类地行星。火星和金星上的极冠和海洋存在争议，但都表明了水在行星表面的重要性。行星内部、表面和大气之间的相互作用和成分循环是行星运行的关键。

02 岩质行星 Rocky Planets

太阳系中的巨行星，这些行星因其巨大的体积和主要由气体组成的特点，成为主宰太阳系的天体。巨行星的密度普遍较低，质量对它们的影响并不像类地行星那么重要。它们的内部结构复杂，由岩石内核和冰或岩石组成的外核构成，中心可能有金属氢层。巨行星的表面没有坚实的陆地，其大气层由多种气体组成，具有独特的云层结构和环流。每颗巨行星都有强大的磁场，形成磁层，并产生极光现象。尽管我们对巨行星的内部结构和磁场成因了解有限，但通过观测和测量，科学家们已经能够描绘出这些遥远天体的基本特征。



03 巨行星 Giant Planets

在太阳系中，巨行星的卫星和光环成为了一种共同特征，尤其在四颗巨行星中表现得尤为明显。这些卫星和光环的多样性令人惊叹，其中不规则卫星和规则卫星尤为引人注目。

不规则卫星因其轨道偏心、逆行和倾斜的特点而得名，与位于近圆形顺行轨道上的规则卫星形成鲜明对比。不规则卫星的这些特性使得它们在科学研究中备受关注。

文章详细描述了不同类型卫星的轨道特征和构成。土星环的壮观景象和土卫六上可能存在的甲烷湖泊，都是行星环的典型特征。

在木星系统中，木卫一和木卫二的特殊性质尤为突出。木卫一的火山活动以及木卫二的冰层结构，都是它们在太阳系中独具特色的表现。文章还探讨了它们可能存在的生命迹象。

土卫六作为太阳系内已知地质活跃性最高的卫星之一，其甲烷循环和可能存在的降雨、河流和湖泊，使其成为太阳系中除地球外最为特殊的天体。

天王星的五颗常规卫星中，天卫五和天卫一表现出了古老的冰火山活动。天卫一的复杂地质形态和天卫五独特的“熔岩”流，都是旅行者2号传回图片所展现的。

海卫一作为海王星最大的卫星，其外壳布满冰，内部有一个坚实的岩石核心。表面间歇泉和冰火山形成的地貌，为海王星增添了神秘色彩。

这些卫星和光环的发现，不仅丰富了我们对太阳系的认识，也为我们探索宇宙奥秘提供了更多线索。随着科学技术的不断发展，我们有理由相信，未来会有更多关于这些神秘天体的发现等待着我们。

04 巨行星的卫星和光环 Giant Planets' Satellites and Rings

小行星的形状、尺寸和成分，包括谷神星、灶神星等主要小行星的形状和大小，以及它们的不规则形状。此外，还介绍了小行星的卫星，如艾达、休神星等，并解释了它们的形成原因。文章还讨论了小行星的密度、颜色和分类，以及小行星的轨道和运动方式。最后，文章强调了小行星撞击地球的潜在危险，并介绍了如何识别和防止潜在威胁小行星的方法。



05 小行星 Asteroids

太阳系中的海外天体，包括半人马小行星、特洛伊天体、柯伊伯带天体等。半人马小行星由于与海王星的相互作用，寿命不超过1000万年，最终可能成为短周期彗星。海王星的L4拉格朗日点附近存在六个特洛伊天体，数量可能远超目前观测到的。柯伊伯带中的冥族小天体与海王星轨道共振，冥王星是其中的代表。冥王星和其卫星冥卫一、冥卫二、冥卫三的研究揭示了它们的组成、表面特征和相互关系。此外，还介绍了其他海外天体的性质、大小、颜色等特征，以及可能存在的未被发现的大型天体。



06 海外天体 Trans-Neptunian Objects

系外行星的发现过程和探测方法，其中径向速度法和凌日法是最常用的两种。通过分析恒星的光谱和亮度变化，科学家们能够推测出系外行星的质量、轨道和大气成分等信息。目前，已发现的大多数系外行星都是巨行星，而类地行星的发现相对较少。此外，系外行星的研究为寻找外星生命提供了线索，但目前还没有确凿的证据证明其存在。同时，银河系中可能存在大量的宜居行星，但智慧生命的存在与否仍是一个未解之谜。



07 系外行星 Exoplanets

太阳系的基本构成，从岩石行星到巨人行星，再到它们的卫星和环，还有小行星、海王星外天体以及系外行星。这些内容构成了对太阳系及其周边天体的全面探索，为读者呈现了一个充满奥秘和奇观的天文画卷。



人类对宇宙的探索历程，从古希腊诗人荷马的时代，到19世纪的诗人约翰·济慈，再到现代，我们对宇宙的认知不断深化。通过观测和探索，我们逐渐认识到太阳系内行星的多样性和复杂性，以及它们可能存在生命的可能性。同时，我们也开始关注太阳系外的“系外行星”，尽管它们距离遥远，但我们已有足够的信息进行比较研究。



Introduction

太阳系的历史悠久，从古人将“流浪星星”视为神秘存在，到逐渐认识到地球绕太阳转，再到望远镜的发明使观测更加精确，人类对太阳系的认识不断深入。17世纪，望远镜的运用证实了行星是微小的圆盘状，而非恒星，为将其视为类似地球的世界奠定了基础。

开普勒的三大行星运动定律解释了行星的椭圆轨道和围绕太阳的运动规律。行星距离和大小测量的历史，以及天王星、海王星和冥王星的发现过程，也丰富了我们对太阳系的了解。

太阳是太阳系的中心，一个普通的恒星，通过核聚变产生能量。它对太阳系内的行星有强大的引力影响，使它们沿椭圆轨道运行。八大行星按与太阳的距离分为内行星和外行星，内行星密度较大，外行星主要由氢和氦组成。行星的轨道、旋转周期等特性与地球有可比性，而太阳系的行星轨道几乎在同一平面上。

地球的卫星月球与地球大小和距离相似，是造成月食现象的主要原因。不同行星的倾斜角度和自转方向，以及季节变化的原因，也值得研究。

太阳系中还有其他类型的物体，如小行星、冥王星和彗星等，它们的数量远超行星和卫星的总和。小行星大小不一，主要分布在火星和木星之间；冥王星等天体位于海王星轨道之外，被统称为“海王星外天体”；彗星则因接近太阳时释放出气体和尘埃而显眼。

2006年，国际天文学联合会在捷克共和国的布拉格召开会议，确立了行星的三条标准：足够质量形成近圆形，围绕太阳运行，并且清除其轨道附近的其他天体。这一标准将冥王星排除出行星行列，而它被归类为“矮行星”。

行星的形成过程始于星际云的收缩，物质集中在中心，温度升高，氢原子开始融合成氦，形成恒星。剩余物质在恒星周围形成旋转的盘，这就是行星形成的区域。随着温度和压力的变化，不同元素和化合物在星云中凝结，形成各种矿物和冰。尘埃颗粒逐渐粘合在一起，形成更大的颗粒，最终形成行星胚胎。这些胚胎通过碰撞和合并，逐渐成长为行星。

太阳系的形成过程中，气体从星云中被太阳捕获，但随着太阳进入T Tauri阶段，强大的T Tauri风将剩余的气体和尘埃吹散。这一阶段可能导致天王星和海王星收集的气体较少。星云的散布使得行星间的引力相互作用可能导致行星迁移，其中木星可能向内迁移，而土星、天王星和海王星向外迁移。

卫星的形成与分布，探讨了行星卫星的形成过程，以及不同行星卫星的特性。同时，阐述了行星表面撞击坑的形成过程和形态变化，以及撞击坑对行星表面年龄的估计。

人类对太空的探索历程从早期的望远镜观测到后来的空间探测器，再到宇航员登月，我们逐渐揭开了宇宙的神秘面纱。从20世纪60年代开始，美国和苏联的探测器飞越了金星、火星等行星，并在70年代实现了对木星和土星的飞越。90年代以来，地球探测任务不断升级，火星探测车和行星探测器更是频繁出现。未来，我们期待着火星样本返回、月球基地建设以及更多国际合作。

Chapter 1 The Solar System

我们的地球与水星、金星、火星和月球等相似行星虽然表面形态各异，但它们的内部结构相似，都拥有岩石质外壳和富含铁的核心。地球的核心分为固态内核和液态外核，主要由铁和镍组成，其他行星的核心可能是完全固态的。科学家通过分析地震波和行星轨道航天器的轨迹，推测出这些行星的内部结构。

地球的内部结构包括地壳、地幔和核心。地幔和地壳主要由硅酸盐构成，地幔在冷却过程中形成了地壳，地壳在地球表面形成了不同类型的岩石。地球内部的热量主要来自原始热和放射性元素的衰变，这些热量使得地幔发生对流，进而导致板块构造的形成。板块构造是地球表面形态变化的主要原因，包括板块的分裂、移动和碰撞，这些过程导致了地震、火山喷发和山脉的形成。

行星的内部构造，如岩石圈、地幔和核，这些构造的相互作用影响了行星表面的地形和地质活动。例如，月球和火星的表面有大量由撞击形成的陨石坑，月球上还有由火山活动形成的暗色区域，称为“月海”。水在地球板块内部的存在可以导致板块的熔化，从而形成新的火山活动。

金星比水星大，其热产生量与地球相当，但由于缺乏板块构造，其火山活动与地球不同。金星表面覆盖着厚厚的云层，直到通过雷达探测才揭开其神秘面纱。金星拥有众多火山和熔岩流，其中盾形火山是常见的火山类型。与月球和火星相比，金星的火山活动更加活跃。

火星的火山数量较少，但体积庞大。位于火星的 Tharsis 和 Elysium 地区的火山群尤为显著，其中最大的火山 Olympus Mons 位居太阳系首位。火星的火山之所以巨大，一方面是因为其地壳为一整体，与下方的软流圈相对稳定，另一方面则是由于火星的地壳厚度是地球的两倍。

火星表面地貌的形成过程包括沙丘、峡谷、沟壑等特征。火星曾经有过丰富的水资源，形成了壮观的峡谷和沟壑。火星目前极度干燥，仅在两极存在少量水冰。火星上年轻的沟壑可能是由地下液态水冲刷形成的。

行星表面特征的命名过程包括早期天文学家自行命名，到国际天文学联合会（IAU）成立后统一命名和制定命名规则。IAU的命名过程公平、非政治化，并代表全球文化。不同的行星有不同的命名主题，如月球以著名人物命名，火星则结合了历史名称和现代描述词。

地球大气层分为不同的层次，其中对流层是最靠近地球表面的，其温度随高度增加而降低。地球大气层具有独特的复杂性，具有温室效应和臭氧层。人类活动，如排放二氧化碳，导致温室效应加剧，可能对地球生态系统和气候产生严重影响。

云层对地球气候有重要影响。云层既能够反射太阳能量，减少地表温度，又能够吸收地面散发的热量，增加大气层的热量。地球上的云层主要由水蒸气凝结而成，而火星上的云层则相对较少，主要由水冰构成。地球上水循环和碳循环等自然循环对地球生态至关重要，而火星和金星上的循环则相对不活跃。

Chapter 2 Rocky planets

太阳系中的四颗巨行星——木星、土星、天王星和海王星，因其巨大的体积而占据主导地位。尽管它们的密度低于地球，质量庞大，但若掉入足够大的水桶中，它们也不会沉没。这些行星共同的特点是拥有环状结构，其中土星和天王星的环尤为明显。

巨行星的内部结构复杂，主要由氢、氦等气体组成，中心可能存在岩石内核。科学家通过研究大气成分和密度等数据，推测出它们的内部结构。此外，巨行星的大气层由云层和上层气体组成，含有甲烷、氨等成分，为我们提供了更多关于这些行星的重要信息。

巨行星的气候和磁场特点也颇为独特。大气中的云带和风带主要由内部热量和快速自转驱动，与太阳加热关系不大。木星和土星的风速极高，其中木星拥有明显的带状和带区结构，以及著名的大红斑；土星的风速更高，但色彩和结构不如木星明显。天王星和海王星则呈现蓝色，这是由于它们上方覆盖的甲烷气体吸收了红光波长。

这些行星的磁场强度远超地球，其中木星磁场最强，可能由金属氢层产生。磁场的存在形成了磁层，可以保护行星免受太阳风的影响，并在极地产生极光。

Chapter 3 Giant planets

太阳系中的巨行星拥有多样的卫星和环系统。这些系统规模和形态各异，其中包括大而轨道近圆形的“规则卫星”和较小而轨道偏离的“不规则卫星”。不规则卫星数量众多，而规则卫星较为罕见。环系统由尘埃、冰块等物质组成，厚度通常不超过几十公里，由环卫星维持形状。其中，土星的环系统最为壮观，由冰块构成，反射率高达80%，而其他行星的环则较为稀薄，由微米级尘埃组成。这些环的形成可能与卫星或彗星碎片有关。

木星的卫星欧罗巴和艾欧，内部可能熔化，表面有着火山活动。艾欧表面没有撞击坑，因为它的火山活动太频繁。欧罗巴表面有裂缝和冰层，其内部可能是一个全球性的海洋。这些卫星的地质结构吸引着地质学家，它们与地球有着相似的行为和结构，但用冰代替了岩石。

木卫二和土卫二表面覆盖着厚厚的冰层，其下可能存在温暖的海洋。木卫二的表面出现“融化穿透”现象，导致冰层断裂，形成类似“线球”的纹理。土卫二则因与土星卫星的潮汐相互作用，表面出现裂缝，喷射出冰晶。这些裂缝可能是生命存在的潜在地点，因为裂缝中可能存在化学能量来源。土卫二和木卫二表面的裂缝都为寻找生命迹象提供了机会。

土卫二，以其巨大的规模和独特的氮气-甲烷大气层而闻名。其表面覆盖着冰层，内部可能有岩石核心，表面地质活动类似于地球，有着风成的沙丘、支流的排水系统以及极地附近的湖泊。通过卡西尼号任务，我们得以窥见其冰冻世界，发现其地质过程与地球有许多相似之处。

天王星的两颗卫星，艾里尔和米兰达，曾发生过古老的冰冻火山活动，表面被冰冻火山岩和复杂的地形特征所覆盖。海卫一，海王星最大的卫星，拥有多样的表面特征，包括古老的陨石坑和年轻的冰冻火山岩流。

太阳系中的冰卫星——海卫一，其极地冰帽主要由氮气冰组成，表面地貌复杂，可能由冰火山活动形成。海卫一上还有冰喷泉，喷出的暗色颗粒可达8公里高空。其独特的季节变化由海王星的轴倾斜和海卫一的轨道倾斜共同造成，一个完整的季节周期长达688年。旅行者2号在接近南夏时飞越，当时大部分北半球处于黑暗中，只有南半球可见。通过观测，科学家们发现南极冰帽正在退缩，而北极冰帽可能正在增长。

Chapter 4 Giant planets’ satellites and rings

太阳系内，小行星是最常见的撞击行星的物体，尤其在内太阳系中尤为显著。其中，最大的小行星谷神星甚至被归类为矮行星。这些小行星形状不规则，多孔，由众多岩石碎片组成，密度各异，颜色不鲜明。根据反射光谱，它们可分为不同类型。小行星带位于火星与木星之间，是小行星的主要聚集地。木星的强大引力对它们的轨道产生了深远影响，甚至阻止了一些小行星进入与木星轨道周期共振的轨道。与此同时，存在一些与木星轨道周期相同的小行星，被称为“特洛伊小行星”。

天文学家一直关注地球面临的潜在威胁，特别是地球穿越小行星的轨道以及可能对地球造成危害的小行星。虽然地球没有与火星类似的小行星“伴星”，但存在一些穿越者。这些小行星轨道的倾斜使它们大部分时间都在地球轨道上方或下方通过。文章进一步讨论了潜在危害小行星（PHAs）的定义，即那些可能接近地球并造成撞击的小行星。其中，阿波菲斯小行星曾在2004年引起担忧，但观测表明它将安全通过。小行星撞击地球可能引发灾难性后果，如海啸、大规模灭绝事件等。

为了评估小行星撞击风险，托里诺尺度应运而生。此外，通过太空观测站网络，我们可以定位和分类PHAs。最后，小行星作为宝贵资源的重要性也不容忽视，它们不仅可作为原材料，还具备太空工业的潜在价值。

Chapter 5 Asteroids

太阳系外围的天体，海王星外天体，包括半人马座小行星、提洛斯和柯伊伯带天体。这些天体由于与木星、土星、天王星和海王星的相互作用，有些甚至演化为短周期彗星。冥王星和其卫星卡戎的研究较为深入，结果显示冥王星拥有富含氮气的大气，而卡戎可能存在液态水。此外，厄里斯、玛卡马克和豪厄亚等大型天体被认定为矮行星。然而，由于距离遥远，大部分TNOs的大小和性质仍是谜，有待进一步观测和研究。

关于太阳系外层天体的猜测，天文学家普遍认为已发现所有大型天体。但关于遥远行星“X”的两种可能性仍存在：一是存在一个地球质量的物体在80至170天文单位处，这或许能解释柯伊伯带中48天文单位以外的突然减少和极端散布的天体；二是这些长周期彗星可能是由一个木星质量的物体从奥尔特云中撞击而出，这个物体距离太阳约32000天文单位。尽管这种遥远行星难以观测，但它可能是星际空间中的偶然漫游者。

Chapter 6 Trans-Neptunian objects

宇宙的奥秘中，行星的存在已不再是秘密。截至2010年，已有超过400颗行星被证实环绕着各自的恒星运行。科学家们利用多种技术来探测这些外星行星，包括观测恒星径向速度的变化、行星凌星时对恒星光的遮挡，以及利用引力微透镜效应等。在这些方法中，径向速度法和凌星法是最为常用和有效的。

由于这些行星通常比其母星暗得多，观测它们具有极大的挑战性。外星行星的命名规则是将小写字母附加在恒星名称之后，这种命名方式虽然混乱，但已被广泛应用。

科学家们已经发现了一些不同类型的行星，包括位于恒星内部的“热木星”和位于恒星外部的岩石行星。这些发现对于理解宇宙行星的形成和演化具有重要意义。

众多恒星周围存在多个行星系统，其中特别值得注意的是距离地球20.5光年远的红矮星Gliese 581，其周围存在至少三颗行星，其中一颗可能是拥有大量海洋的类地行星。目前，我们对系外行星的了解有限，主要通过质量、大小、距离和表面温度来推测其特性。

科学家们正努力提高分析行星大气成分的能力，以寻找生命存在的证据。尽管目前发现的行星大多是气态巨行星，但已有迹象表明类地行星在系外行星系统中并不罕见。

关于外星生命，尤其是智慧生命是否存在，目前尚无定论。然而，科学家们正通过不断的研究，试图揭开这个宇宙之谜。

Chapter 7 Exoplanets

众多关于天文和行星科学的书籍和网站，内容覆盖了从太阳系的基础知识到外星生命的探索。书籍包括《新太阳系》、《行星生物学导论》、《太阳系导论》、《我们的世界：行星探索的魅力》等，它们以不同的角度和深度揭示了行星科学的奥秘。此外，还推荐了一些关于火星、水星、小行星带、木星、土星、天王星和海王星等特定天体的书籍。网站方面，介绍了NASA、欧洲航天局、日本宇宙航空研究开发机构、俄罗斯空间研究机构、哈勃太空望远镜等官方网站，以及美国地质调查局、国际天文学联合会等机构提供的相关资源。这些资料可以帮助读者更好地了解行星科学的发展历程和最新进展。



天体物理学中的一些基本概念和现象。从行星、卫星、小行星到彗星，从地球到其他星体，内容涵盖了天体的大小、组成、结构、运动和相互作用。书中还介绍了人类对宇宙的认识历程，从哥白尼的日心说到开普勒的行星运动定律，再到牛顿的万有引力定律，以及后来的望远镜和探测器。此外，书中还探讨了生命存在的可能性，以及人类对宇宙的探索活动。通过这些内容，读者可以了解到宇宙的奥秘和人类在其中的地位。



引力这一神秘力量从牛顿时代到爱因斯坦时代的演变。从太阳系内外的引力测验，到引力波的发现，再到宇宙学和引力物理前沿的研究，这些内容为我们揭示了引力在宇宙中的重要作用和神秘面纱。



牛津通识课：引力

引力的历史与发展。从古至今，人们一直在探索引力的本质。亚里士多德认为物体落向地面是因为它们趋向于宇宙中的“正确位置”，而伽利略通过实验验证了所有物体在引力作用下加速度相等。牛顿提出了万有引力定律，揭示了引力的普遍性。然而，牛顿的理论与麦克斯韦的光速不变理论存在矛盾，爱因斯坦通过狭义相对论解决了这一矛盾，并提出时空的概念。随后，爱因斯坦的广义相对论进一步解释了引力的本质，即时空弯曲导致物体相互靠近。这些理论的发展，让我们对引力有了更深入的理解。



01 从牛顿到爱因斯坦

太阳系内引力的研究历程源远流长，始于古代天文学家对行星运动的观测。随着20世纪后半叶实验和观测技术的进步，科学家们对引力性质的认识不断深化。实验证明了质量与位置、运动方向无关，确立了光速在所有方向上均等的原则，以及所有物体在相同加速度下落等基本假设。这些实验成果不仅验证了牛顿引力定律和爱因斯坦引力定律的正确性，还揭示了引力在微小尺度上的新效应，例如水星轨道逆行和星光偏折等现象。

爱因斯坦的引力理论通过一系列实验得到了验证。1915年，爱因斯坦成功解释了水星轨道偏移的问题，这是牛顿引力理论无法解释的现象。随后，在1919年，英国天文学家爱丁顿通过观测日全食，验证了星光在经过太阳附近时发生偏折，这一现象与爱因斯坦的广义相对论预测相符。这一观测结果极大地提升了广义相对论的科学地位。

进一步地，科学家们利用类星体和行星等现代观测手段，对爱因斯坦的引力理论进行了更深入的验证。射电时间延迟效应和陀螺仪实验等成果，进一步证实了理论中关于物质和时空弯曲关系的预测，为理解引力提供了新的视角。

这些研究不仅加深了我们对引力的理解，还为天体物理学和宇宙学的发展奠定了坚实基础。通过对引力性质的深入研究，科学家们揭示了宇宙的更多奥秘，推动了科学技术的发展。

02 太阳系内的引力

太阳系外引力测验的重要性，以及通过观测恒星、中子星和黑洞等极端天体，我们可以探索爱因斯坦理论的效应。文章重点介绍了赫尔斯-泰勒脉冲双星系统，这个由相互绕转的中子星组成的双星系统，通过观测其脉冲星信号的频率变化，我们可以提炼出关于引力相互作用的信息。此外，文章还提到了其他脉冲双星系统，如PSR J0737-3039A/B，它们为我们提供了更多验证引力理论的机会。最后，文章展望了平方千米阵等新一代望远镜的潜力，它们将帮助我们更精确地观测引力效应，并探索宇宙中的更多奥秘。



03 太阳系外的引力测验

引力波这一宇宙中的神秘现象，它是由时空弯曲产生的波动，类似于水波或声音波。当大质量天体如恒星或黑洞发生剧烈变化时，它们周围的时空弯曲也会发生变化，从而产生引力波。这些波动以光速传播，不受观察者和波源运动状态的影响。引力波能让我们以全新的方式观测宇宙，了解黑洞相撞等极端事件。为了探测引力波，科学家们开发了各种探测器，如LIGO和eLISA，它们能捕捉到极其微弱的引力波信号。2015年，LIGO首次成功探测到引力波，标志着人类对宇宙的认知迈出了重要一步。



04 引力波

20世纪初，宇宙学作为一门科学开始崛起。爱因斯坦和哈勃的研究对宇宙学的科学化进程起到了关键作用，揭示了宇宙膨胀的现象。弗里德曼的宇宙模型、哈勃的观测以及现代宇宙学对宇宙微波背景辐射的探索，都使得科学家们逐步揭开了宇宙膨胀的历史和引力效应。

宇宙经历了冷却后的黑暗时代，恒星和星系开始形成。哈勃通过观测星系的红移，揭示了宇宙膨胀的事实，并提出了哈勃定律。天文学家们利用造父变星和超新星等工具来测量天体距离，进一步推断出宇宙膨胀的历史。同时，宇宙的大尺度结构，如星系团和超星系团，也揭示了宇宙中引力的奥秘。

然而，观测表明宇宙膨胀速度在加速，这一现象引起了科学界的广泛关注。为了解释这一现象，科学家们提出了暗物质和暗能量的概念，并建立了宇宙的协和模型。这些发现不仅丰富了我们对宇宙的认识，也为未来的宇宙学研究指明了方向。

从弗里德曼的宇宙模型到哈勃的观测，再到现代宇宙学对宇宙微波背景辐射的探索，科学家们逐步揭示了宇宙的膨胀历史和引力效应。这些研究不仅加深了我们对宇宙的理解，也为我们提供了检验引力理论的平台。同时，宇宙学的发展也揭示了宇宙的早期历史，包括宇宙微波背景辐射的发现和宇宙的加速膨胀等现象。

宇宙的膨胀历史和其背后的原理揭示了宇宙的复杂性和多样性。从星系的红移到暗物质和暗能量的概念，科学家们通过不懈的努力，不断深入地了解宇宙的奥秘。这些发现不仅加深了我们对宇宙的认识，也为我们提供了更多的研究课题和方向。

总的来说，宇宙学作为一门科学，其发展历程充满了挑战和突破。从爱因斯坦和哈勃的研究到现代宇宙学的探索，科学家们逐步揭开了宇宙的膨胀历史和引力效应，揭示了宇宙的早期历史和加速膨胀等现象。这些发现不仅丰富了我们对宇宙的认识，也为未来的宇宙学研究指明了方向。

05 宇宙学

引力物理的前沿研究，特别是从毫米到整个可观测宇宙尺度下的引力理论。文章指出，虽然爱因斯坦的引力理论取得了巨大成功，但量子力学和引力之间的不兼容性仍然是物理学上最大的未解之谜。探讨了量子力学在引力场中的应用，以及黑洞辐射和宇宙膨胀等概念。此外，文章还介绍了弦论和圈量子引力论这两种尝试建立引力的量子理论的方法。最后，文章讨论了宇宙学常数和多重宇宙假说，以及它们对宇宙加速膨胀和生命起源的解释。



06 引力物理前沿

在近一个世纪中，我们对引力的理解经历了飞速的发展。这一进程始于爱因斯坦的革命性理论，我们不断探索和验证其数学和观测手段。书中揭示了爱因斯坦引力理论在太阳系内外及整个宇宙中的预言和验证，尽管是简短介绍，但也展示了其优美和深刻。爱因斯坦的成就让我们对时间和空间有了全新认识，能够想象从未存在的宇宙，颠覆我们对现实的日常理解。然而，引力理论仍存在不完备之处，期待未来更深入的探索。



后记

这本书主要讲述了引力的本质和它在宇宙中的作用。它从引力如何导致物体相互吸引说起，再到它如何与空间和时间的本质紧密相连。书中回顾了引力理论的历史发展，并探讨了科学家们对引力的现代理解。它还讨论了引力对地球、太阳系以及整个宇宙的影响，并揭示了当前理论引力物理学的研究前沿。通过阅读，读者不仅能够了解引力是什么，还能深入理解空间、时间和我们所在宇宙的本质。



Preface

人类对重力的认识经历了漫长而深刻的演变。最初，亚里士多德认为重力是物体趋向其自然位置的运动。随后，伽利略通过实验发现，在没有空气阻力的情况下，所有物体下落的速度相同，揭示了重力的普遍性。在此基础上，牛顿提出了万有引力定律，将地面上的物体运动与天体运动统一，为经典力学奠定了基础。

牛顿的万有引力定律准确描述了地球及天体的运动。他解释了物体在重力作用下的加速度，并指出即使质量不同，加速度也是固定的。牛顿将这一理论应用于天体运动，推导出开普勒定律，解释了行星运动规律。然而，200年后，爱因斯坦的广义相对论颠覆了牛顿的理论。

爱因斯坦的相对论提出了时空弯曲的概念，揭示了光速不变原理和引力效应，为现代物理学奠定了基础。相对论解释了空间和时间的弯曲如何产生引力现象。在平直空间和弯曲空间中，物体的运动路径存在差异，这可以用来解释为什么所有物体都以相同的速度下落。此外，相对论指出地球表面的重力并非外力产生，而是因为地球位于弯曲的空间中，自由下落的物体实际上并没有加速度。

实验验证了爱因斯坦的理论，并强调了空间时间弯曲在解释各种物理现象中的重要性。这一理论为人类探索宇宙奥秘提供了新的视角，推动了物理学的发展。

Chapter 1 From Newton to Einstein

太阳系中，太阳的引力主导着行星和其他天体的运动，科学家通过观察这些天体的运动来研究重力行为。20世纪后期，新技术的应用使得科学家们得以深入探究重力的基础假设、牛顿定律以及爱因斯坦理论中的微妙效应，逐渐揭示重力的奥秘。

现代引力理论的基础假设包括物体质量的不变性、光速的均匀性以及物体在无其他力作用下的自由落体运动规律。文章详细探讨了质量是否随位置和运动而变化的实验，通过光的红移效应和原子钟进行的时间膨胀实验，证明了质量与位置无关。同时，通过迈克耳孙-莫雷实验，验证了光速在不同方向上没有差异，这为爱因斯坦的理论奠定了基础。Vernon Hughes 和 Ronald Drever 的实验证实了电子质量的不变性，进一步支持了这一观点。

通过实验室实验和空间观测，科学家验证了所有物体在重力作用下以相同速率下落的普遍性原理，这一原理对于牛顿和爱因斯坦的理论至关重要。从18世纪的亨利·卡文迪许的实验到现代的精密测量，科学家们通过不同的方法，如使用扭秤、测量不同高度的重力变化、分析卫星轨道等，验证了牛顿定律在从毫米级到数百万米级距离尺度上都是有效的。

爱因斯坦的引力理论通过解释水星轨道的异常弯曲，展示了其强大的解释力。理论预测，靠近太阳的物体将受到比牛顿引力更强的引力作用，这一预测在1915年得到验证。此外，爱因斯坦还预测了光线在太阳引力场中弯曲的现象，这一预测也在1919年的日食观测中得到证实。

爱因斯坦广义相对论中的两个重要预测：引力时间延迟和地球轨道上的陀螺仪行为。科学家通过观察行星和探测器发出的无线电信号，成功测量了引力时间延迟效应，这一效应在2003年由卡西尼探测器以高达百万分之一精度的结果得到验证。同时，重力探测B号任务在2011年通过测量地球轨道上陀螺仪的偏转，首次观察到了地球自转引起的空间扭曲效应——框架拖曳。这些实验结果与爱因斯坦的理论预测高度一致，进一步验证了广义相对论的正确性。这一理论不仅解释了引力，还揭示了物质与时空弯曲之间的深层关系，为人类理解宇宙提供了全新的视角。

Chapter 2 Gravity in the Solar System

在太阳系内，通过观测行星和卫星，我们得以研究引力效应。然而，这些天体的引力场相对较弱。随着我们向外探索，我们遇到了更极端的天体，如恒星。恒星的生命周期神秘莫测，小恒星会演变成白矮星，而大恒星可能成为中子星或黑洞。黑洞是一种极端的天体，其强大的引力连光都无法逃脱。对这些极端天体的观测，使我们能更深入地理解引力，特别是在太阳系无法达到的条件下。

Hulse-Taylor双星系统，由两个中子星组成，其中一个为脉冲星，是研究引力的重要星系。这个系统首次让我们意识到中子星的存在，并因其精确的脉冲信号为研究引力提供了宝贵数据。科学家们通过分析脉冲信号的到达时间变化，发现这两个中子星以极高的速度相互绕转，从而证明了广义相对论中的引力波效应。通过对这些信号的测量，科学家们确定了中子星的质量，并验证了爱因斯坦的理论。此外，这个系统还提供了对引力时间延迟和轨道进动等效应的精确测量，进一步巩固了广义相对论在描述宇宙引力现象中的准确性。

其他一些重要的双星脉冲星系统，如PSR B1534+12和PSR J1738+0333，在研究引力方面具有特殊意义。PSR B1534+12系统由于观测角度接近边缘，其信号时间延迟现象明显，虽然距离测量不准确，但仍为引力研究提供了重要数据。PSR J1738+0333系统则因其包含不同类型的恒星而成为测试引力理论的新工具。而PSR J0737-3039A/B系统，其中的双脉冲星特性使得我们可以更精确地测量引力效应，为验证爱因斯坦引力理论提供了强有力的证据。

天文观测领域的一项重大进步是建设中的SKA（平方公里阵列）望远镜。这个庞大的望远镜系统将覆盖数千公里的范围，由数千个天线和碟形天线组成，旨在接收来自遥远天体的无线电波。SKA的灵敏度将是现有任何无线电望远镜的五十倍，能够直接测量宇宙中的引力波，为研究引力提供前所未有的机会。此外，SKA还有望发现新的脉冲星系统，甚至可能观测到脉冲星围绕黑洞的轨道，这将帮助我们测试极端引力环境下的物理规律。近期还发现了含有三个天体的脉冲星系统，为研究强引力物理提供了新的实验平台。随着SKA的建成和运行，我们将迎来天体物理学和引力研究的黄金时代。

Chapter 3 Extrasolar tests of gravity

引力波是一种由宇宙中质量物体的运动引起的时空曲率变化产生的波动。这种波动以光速传播，不受观察者或光源运动的影响。文中通过类比，将引力波与石子落入池塘引起的水波、噪音引起的空气压力波相比，形象地说明了引力波的产生和传播过程。引力波能改变空间中的距离，使物体间的距离发生变化，而不是直接移动物体。文中还讨论了引力波对云层和粒子环的影响，展示了引力波如何通过改变空间结构来产生效果。

爱因斯坦最初预测了引力波的存在，并在2015年通过LIGO实验首次直接探测到。这一发现为通过引力场直接观察宇宙开辟了新的窗口，为研究黑洞碰撞等宇宙现象提供了新的途径。引力波的探测技术从早期的简单金属棒探测器发展到复杂的激光干涉仪，其中LIGO探测器以其极高的精度和灵敏度，成功捕捉到了来自黑洞碰撞的引力波信号，标志着现代物理学的一项重大突破。

2015年，LIGO成功探测到引力波，这一发现不仅标志着人类首次直接探测到引力波，也开启了新的天文学领域。科学家通过分析引力波信号，推断出这是一对黑洞合并产生的，它们释放了巨大的能量，相当于整个可见宇宙中所有恒星的总能量。这一发现对理论物理学家意义重大，也为未来更深入地探索宇宙提供了新的途径。目前，LIGO计划扩展其探测范围，而eLISA等空间探测器也正在筹划中，有望带来更多关于宇宙的奥秘。

Chapter 4 Gravitational waves

宇宙学作为一门科学学科，在20世纪初因爱因斯坦和哈勃的研究而兴起。爱因斯坦提出了全面考虑整个宇宙的理论框架，而哈勃通过观测证实了宇宙正在膨胀。在20世纪之前，宇宙学主要属于宗教和哲学范畴。现代宇宙学的发展离不开引力理论，尤其是爱因斯坦的广义相对论，它解决了牛顿引力理论的局限性，为宇宙学提供了更精确的模型。

俄国物理学家弗里德曼运用广义相对论预测了宇宙可能扩张或收缩，并发现了宇宙空间几何的多样性，为理解宇宙的形状和结构提供了新视角。宇宙的起源和演化揭示了宇宙膨胀的事实，宇宙膨胀与重力紧密相连。宇宙可能继续膨胀，也可能因速度不够而开始塌缩。宇宙的观测使我们能够研究重力，如光是否具有引力场等问题。

宇宙的早期阶段，如大爆炸理论，通过观测宇宙微波背景辐射得到了证实。这些发现揭示了宇宙的奥秘，为理解宇宙的过去、现在和未来提供了重要线索。宇宙经历了辐射主导和物质主导两个阶段，在这个时期，宇宙中的物质密度和辐射密度不断变化，而引力成为宇宙膨胀的主要驱动力。同时，宇宙中发生了轻元素的合成，并形成了最初的天体结构。

宇宙的膨胀历史从宇宙冷却到观测到第一颗星和星系的形成，再到天文学家通过观测天体来探测宇宙的膨胀历史。哈勃通过研究星系的红移，揭示了宇宙的膨胀，这一发现被后人不断发展和完善。通过观测星体的光频变化，可以了解其运动速度，而通过测量星体的距离，可以了解宇宙的膨胀速度。

宇宙的巨大结构从单个星系到庞大的超星系团。通过哈勃望远镜的观测，我们知道宇宙并非由我们所在的银河系孤零零存在，而是充满了无数星系。随着观测技术的进步，天文学家发现了更广泛的星系结构，如巨大的星系墙，这些结构甚至比可见宇宙还要广阔。通过对这些结构的观测，科学家们对宇宙的起源和演化有了更深的理解，特别是关于引力作用的研究。

通过观测星系如何弯曲光线来研究宇宙重力。这种方法称为引力透镜效应，可以揭示空间中存在的更多重力。同时，观察星系旋转速度发现，星系内部存在看不见的暗物质，这些暗物质对星系的引力场有贡献。这些发现表明，宇宙中存在比我们直观所见更多的物质，它们以引力形式影响着星系和星系团。

宇宙中的暗物质和暗能量概念在宇宙的组成中占据重要地位。暗物质虽然不能直接观测到，但其引力效应却是宇宙观测结果的关键解释。与此同时，暗能量被认为是一种反引力，使得宇宙加速膨胀。这些发现构成了现代宇宙学的“康德模型”，其中暗物质和暗能量占据了宇宙总能量的大部分。然而，这个模型仍存在一些未解之谜，科学家们正在努力寻找解决这些问题的方法。

21世纪在宇宙学领域的重大进展，特别是在宇宙膨胀和结构形成方面的知识。通过观测宇宙微波背景辐射（CMB），科学家们可以了解早期宇宙的形态，并通过其偏振度研究宇宙早期引力场。此外，大型望远镜如LSST、SKA和Euclid卫星的建造，将使我们能以前所未有的规模绘制宇宙图景，深入了解暗物质和暗能量，并可能对引力进行新的测试。

Chapter 5 Cosmology

本书第六章深入探讨了理论物理学中关于重力的问题。自1915年爱因斯坦的广义相对论提出后，我们对重力的理解发生了翻天覆地的变化。然而，科学家们普遍认为这并非终极理论。随着量子力学的发展，人们期待着能找到一个更为根本的理论来描述重力。

20世纪初，物理学界在爱因斯坦引力理论之后经历了一场革命。从牛顿时代的确定性物理走向了以概率为基础的量子力学。量子力学不仅解释了光和物质的本质，还衍生出了标准模型，为现代化学和材料科学奠定了基础。然而，将量子力学应用于引力却遭遇了难题，因为两者在概念和数学上都存在不兼容之处。尽管有诸如弦理论和环量子引力等尝试，但量子引力的研究仍处于探索阶段，特别是在黑洞中心等极端条件下，这一理论显得尤为重要。

关于宇宙理论的新探索，我们日常生活中的额外维度虽然看不见，但它们的存在对理论的自洽性至关重要。Loop Quantum Gravity理论则认为，在极小尺度上，时空具有颗粒状结构，它应用量子理论到这些结构中的环上。然而，这一理论仍处于发展阶段，人们还在探索它是否正确，或者String Theory或其他未知的理论是否是描述自然的更好方式。

量子力学在引力场中的表现，通过半经典物理方法，即用经典理论描述引力，用量子理论描述物质，我们发现量子粒子在引力场中会表现出不同寻常的性质。比如，黑洞会通过辐射能量而缩小，甚至消失。这一发现揭示了引力与量子力学之间的深刻联系。此外，科学家还发现，粒子的存在取决于观察者的运动状态，加速时观测到的粒子数量会比静止时多。这种“粒子视差”现象在引力场中表现得尤为明显，甚至在地表附近也会受到引力影响。这些发现不仅为黑洞的研究提供了新的视角，也对宇宙学等领域的理解产生了重要影响。

宇宙早期，为了解释宇宙微波背景辐射中的巨大涟漪，科学家们提出了宇宙膨胀理论。这一理论通过预测空间几何接近平坦、宇宙微波背景辐射中的量子涨落等后果，得到了观测的证实。通过分析宇宙微波背景辐射中的涟漪，科学家们发现了宇宙膨胀的痕迹，这不仅是宇宙膨胀理论的重要验证，也意味着我们首次在宇宙微波背景辐射中观测到了霍金1974年预言的辐射后果。

宇宙加速膨胀的现象，科学家们将其归因于一种名为暗能量的神秘力量。为了解释这一现象，他们提出了一个候选者——宇宙常数。宇宙常数被爱因斯坦在1917年首次提出，用以构建一个静态的宇宙模型。然而，随着宇宙膨胀的证据被发现，爱因斯坦撤销了这一常数。但后来，当宇宙加速膨胀的现象被观察到时，宇宙常数又成为了解释这一现象的一个简单且自然的选项。

宇宙常数被认为是一种普遍的引力，它以相同的速率拉动或推动宇宙中的所有粒子。为了使宇宙加速膨胀，只需要调整宇宙常数的强度。目前，宇宙常数与观测数据相符，但其存在带来了一系列问题，其中最显著的是所谓的“精细调节”问题。宇宙常数需要非常精确的值，而这种精确性在物理上非常罕见。此外，量子力学效应也使得宇宙常数的值难以预测，进一步加剧了这一问题的复杂性。

为了解决宇宙常数的问题，一些物理学家开始考虑多重宇宙的概念，即存在多个宇宙，每个宇宙的宇宙常数可能不同。这个想法引发了广泛的讨论，有人认为这是一种可能的解决方案，而有人则认为这是将未观察到的区域引入科学讨论，属于形而上学的范畴。未来，天文学和理论物理学的发展可能会为我们提供更多关于宇宙常数和宇宙膨胀加速的线索。

Chapter 6 Frontiers of gravitational physics

我们对重力理解的发展历程，从爱因斯坦的革命性理论到数学和观测的深入探究。书中揭示了重力在太阳系、神秘天体和宇宙中的预测和观测结果，展现了物理理论的魅力。然而，这只是一个简短的介绍，要全面理解爱因斯坦的成就和理论之美，还需深入研究数学和物理学。重力理论让我们理解真实的空间和时间，构想出从未存在过的宇宙，甚至计算那些颠覆日常现实的异域环境。但这一切似乎还远未完备，关于重力的最终答案仍在等待被书写。



Epilogue

从牛顿到爱因斯坦的物理学发展历程，以及引力在太阳系和宇宙中的种种表现。书中提到了多个专家的研究成果，如Misner、Thorne和Wheeler的《引力》一书，对引力进行了全面深入的解释。同时，也探讨了引力在黑洞、脉冲星和引力波等领域的应用。最后，书中还提到了现代宇宙学和引力物理学的最新进展，展示了这个领域的无限魅力。



宇宙的奥秘，从宇宙微波背景到暗物质、暗能量，再到广义相对论和量子引力，这些内容涵盖了现代宇宙学的关键理论和实验。文章中还探讨了引力、黑洞、星系旋转等宇宙现象，以及如何通过实验和观测来验证理论。这些内容不仅展示了宇宙学的深度和广度，也揭示了人类对宇宙认知的不断进步。

