你好，我是贾红翔。2016年2月11日，前两天，也就是在咱们的大年初四，美国科研人员宣布，他们利用激光干涉引力波天文台，英文简称LIGO，于去年9月首次探测到引力波。在发布会上，不少物理学家为此激动落泪。相信很多很多人的朋友圈也是一阵沸腾，被这个引力波给震撼了，很多媒体也在奔走相告这个让全人类振奋的消息。那么，到底什么是引力波呢？它的发现意味着什么呢？为了让跟多朋友把这问题搞明白，我们路上读书在新年上班第一天，就为大家带来了宇宙科学三部曲：《黑洞与时间弯曲》，可能有的朋友已经知道，这本书的作者正是电影《星际穿越》的科学顾问；另外一本，《宇宙的琴弦》，稍后您接着听，还有一本《时间简史》，咱们节目之前播出过，您在搜索框检索即可收听。
好了，在开始聊这本《黑洞与时间弯曲》之前，咱们先来说个科幻故事：故事的主角就是你和你的团队。你有艘大飞船，自己做船长，带着计算机、机器人和几百名为你马首是瞻的船员，到遥远星际空间去探索黑洞，并把航行的经历用电波发回地球。远航6年了，你的船正在减速接近织女星附近的一个黑洞，它叫“地狱”，离地球最近。
你拿起望远镜更仔细地审视那个黑洞，它有绝对分明的边缘，也就是黑洞的表面，一个“逃不脱”的地方。在它的表面以上的物体，如果有足够的力量，就可以逃脱引力的魔掌：火箭将不再受引力作用而飞离；向上发射得足够快的粒子能逃走；光当然也能逃走。但如果刚好在表面以下，那么不论是火箭、粒子、光、辐射或者其他任何东西，不论费多大力气，都不可能逃脱引力那无情的魔掌，永远不能到达你旋转的飞船。于是，黑洞的表面就像我们的地平线，你看不到它下面的东西，这也就是为什么把这表面称为“黑洞的地平线”。咱且称它为“视界”，视线的视，界限的界。各位，接下来的话题会很烧脑，您大可这会儿在脑海里画个“圆圈”标示这会儿我们提到的“视界”。
至于视界的大小，广义相对论描述的物理学定律认为，黑洞质量越大，它的视界也一定越大。实际上，视界周长必然是以太阳质量为单位的黑洞质量乘以18 .5公里，例如从飞船轨道周长测量，你得知黑洞有10个太阳那么重，因此视界周长肯定是185公里，和洛杉矶差不多大。
和你的100万公里的飞船轨道相比，视界的周长真是太小了，被挤进这样一个小空间里的质量却有10个太阳那么大！假如黑洞是固体的，那么挤在这么小的空间里，它的平均密度将是每立方厘米2亿吨，但黑洞不是固体，广义相对论认为，10个太阳的星体物质在很久以前通过坍缩形成黑洞，就好比气球破了后，坍缩成一块的状态，现在聚集在黑洞的中心——聚集在一个叫做奇点的小空间里。约10-33厘米大小的奇点周围，除了正在向它落下的稀薄气体和气体发出的辐射以外，什么也没有。从奇点到视界几乎是空虚的，从视界到你的飞船，也差不多是空的。
“视界距奇点多远呢？”你问自己，由于奇点很小，正好在黑洞中心，所以从奇点到视界的距离，应等于视界的半径。但是黑洞的巨大引力，彻底扭曲了黑洞内部和附近的空间时间的几何，视界的半径不等于它的周长除以2π，大家还记得圆周长的计算公式是半径乘以2乘以圆周率π吧？广义相对论认为，在奇点附近，黑洞的内部应该是混沌的，空间在奇点附近可以极端卷曲，这样，混沌区域可能在不足1厘米的周长下有几百万公里的半径，想象一下，一个周长只有1厘米的圆，小的就如人的指甲大小的，半径却长达几百万千米，这时空够凌乱的吧？
后来，你离开了这个“地狱”，远离了黑洞，在星际间航行数十年，你终于想找个地方安居下来，于是来到了一个新的黑洞附近，这个黑洞位于猎户星座。
经过几个星期的实验、望远镜观测，还有痛苦挣扎，你们现在开始建设未来了。从遥远的行星取来材料，在黑洞周围建起环状的“大梁工程”，周长50O万公里，厚3.4公里，宽4 000公里。它旋转的速度恰到好处，这样，离心力正好能抵消大梁环中心受到的黑洞引力。环的大小也是仔细考虑过的，喜欢1个地球重力的人可以在环的里面和外面建设家园，喜欢重力轻一点的人可以住在中心附近。引力的差别，部分来自旋转环的离心力，部分来自黑洞的潮汐力——用爱因斯坦的话说即“时空曲率”。
为这个环状世界提供光和热的电源来自黑洞：这个黑洞有45个太阳质量，质量的20%以能量形式，贮藏在视界附近的空间的龙卷风式的旋涡里。那是太阳一生所辐射的光和热的10000倍！因为在视界外面，那是能够提取的。即使环状世界只能利用50%的能量，也仍然比太阳的能量供应大5000倍。
但是，你不喜欢这儿，你怀念地球和地球上的朋友，他们一定已经死去很多亿年了，根据爱因斯坦的狭义相对论定律，高速的飞船会使飞船测量的时间膨胀；这种时间膨胀在效果上就使飞船成了一台时间机器，让你在短暂的时间里走到地球遥远的未来。你真想在你生命的最后回到如诗如画的青年时代，虽然这很冒险，也许不会有结果，但你还是想试试。
走向未来是很容易的，如你们经历的黑洞航行；回到过去却没那么简单。不过，物理学家曾猜想，通过叫虫洞的一种假想的空间卷曲，也许可以实现回到过去的时间旅行。这种空间卷曲由两个入口构成，也就是虫洞口，像两个没有视界的黑洞，在宇宙中可以分离很远，从一个洞门进去的东西会发现一个很短的通道，好比虫洞的喉，通向另一个洞口。这条通道在超空间延伸，不穿过正常空间，所以从我们的宇宙看不到它。这样的虫洞不仅是空间卷曲，也是时间卷曲的结果。物理学家相信，应该存在这种类型的非常微小的虫洞。这些量子虫洞的大小只有10-33厘米，它们的存在也只是瞬间的事情——短短的10-43秒。当然不能用来作时间旅行：它们出人意料地闪现，又出人意料地消失——忽来忽去，又似乎无处不在。假如碰巧，能有个虫洞，一个洞在今天的环状世界附近，另一个洞在数亿年前你们启程远航时的地球附近，在虫洞闪现时抓住它，然后像小时候吹气球那样让它膨胀，保持洞打开，让你穿过它回到年轻时的故乡，但那是很危险的：物理学家猜想，尽管还没有证明，在膨胀的虫洞成为时间机器前的那一瞬间，它可能就在剧烈的爆炸中自我毁灭，宇宙可能通过这样的办法来阻它自己出现时间旅行的怪圈，例如，一个人可以回到过去，在母亲怀他之前将母亲杀死，从而不让他出生来杀害母亲。
如果物理学家猜错了，你就可以让虫洞打开几秒钟并张开足够你穿过的喉管。你在旁边等着，然后钻进去，经过几分之一秒，这个时间是按你自己的时间计算的，你就回到了数亿年前你年轻时在地球的家乡。但是，假如时间机器自我毁灭了，你也会随它而去。那么，你会怎样选择呢？冒着毁灭的危险做一次回到地球的时空穿越，还是继续流浪在茫茫的宇宙之中？
好了，太空旅行到此结束，让我们的话题回到今天的书籍《黑洞与时间弯曲》上来，一起聊一聊刚才太空旅行中遇到的宇宙物理学问题。
