黑洞裡的時間旅行者：穿越奇點、探索未來，物理學家的超時空冒險記！

愛因斯坦：「上帝是不擲骰子的。」
霍金：「上帝不僅擲骰子，而且有時還把骰子擲到人們看不見的地方去了。」
上帝：？？？那好吧，你們倆打一架算了！

科學界扛霸子大集合 × 熱門物理話題集錦
一次讀懂物理學界的美麗與哀愁！

►會行走的百科全書
人手一機的時代裡，大家都是萬事通。
但回到19世紀初，工業革命還未全面啟動以前，
誰才是「世界上最後一個什麼都知道的人」？

►「我最近在研究測不準原理。」
2020大選前夕，被問到是否角逐總統寶座的柯市長，
為什麼突然提起海森堡的測不準原理？
所謂的「測不準」原理，到底又有多「不準」呢？

►東西方偉人的時間大發現
孔子：「逝者如斯夫，不舍晝夜。」
牛頓：「絕對時間就像河流一樣流逝。」
他們彼此不知道，卻悄悄一拍即合的時間觀……
時間到底是什麼？讓科學家們解釋給你聽！

►聲明狼藉的彗星
《你的名字》，瀧和三葉因彗星分裂而結緣；
《千萬別抬頭》，核彈級彗星直接毀滅地球。
現代天文迷拚命想趕上的年度盛事，
卻是古人避之唯恐不及的可怕凶兆！
彗星是福是禍，還是一團髒兮兮的雪球？

►門捷列夫：「何不燒鈔票？」
1866年，「週期表之父」門捷列夫兩赴油田，
透過實地考察尋找更有效利用重油的新方法。
面對想燒石油來發電的蘇聯政府，門捷列夫說：
「與其燒石油，還不如往灶裡扔鈔票。」
即使放在今天也讓人覺得不可思議的言論，
說出這句話的他到底在想什麼呢？

►繼續胡鬧吧！費曼先生
打開放著原子彈機密文件的保險櫃；
跑去賭城跟職業賭徒研究輸贏機率……
被譽為「科學頑童」的理察．費曼，
讓你曉得物理學家並不全都是老古板！

►科學史上的人道之光
二戰期間，約里奧-居禮意外發現核連鎖反應。
面對這項可能被用於戰爭的重大研究成果，
科學家們是應該公諸於世，還是應該默默雪藏？
兩相權衡之下，他們做了這樣的決定――

本書特色：
本書總結歷次講座和公開課的核心，以演講集的方式呈現給讀者，內容主要包含：愛因斯坦與相對論、彎曲的時空、黑洞、宇宙的演化、量子力學的建立與爭論、原子彈與核能的和平利用、天文學的若干知識、對時間本質的探索等。
作者力圖把科學家們作為有血有肉的人展現在大家面前，使讀者看到真實的歷史和鮮活的人物形象，從而了解到科學家不一定是完人，但都是創造歷史的偉人。

趙崢，大學物理系教授。長期從事理論物理的教學與研究，在相對論、黑洞物理等領域發表多篇論文，並在黑洞熱性質、時空奇點、鐘速同步和熱力學的關係等方面有創新的研究。

修訂版前言

自本書第1版於2013年出版以來，相對論天體物理學的研究取得了突出的成就，受到科學界和廣大群眾越來越多的關注。

最近幾年，諾貝爾獎評委會連續把物理學獎頒給這一領域的理論研究和觀測進展：2017年把此獎授予重力波的首次直接探測；2019年授予物理宇宙學的建立和太陽系外行星的探索；2020年又授予了黑洞和時空理論的研究，以及黑洞的天文探測。這些發現和進展大都與愛因斯坦的廣義相對論有關。

隨著經濟和科學技術的快速發展，太空探索方面也取得了越來越多的成績，不僅建成了世界上最大的電波望遠鏡，而且加快了載人太空飛行及月球與行星探索的步伐。科學家們不僅成為了人類觀測宇宙的尖兵，而且加入了太陽系勘探、開發的行列。

鑑於本書主要介紹相對論天體物理的內容，所以此次做了相應的修訂和補充，特別是增加了重力波的理論與探測，潘洛斯對黑洞和時空奇點研究的貢獻，以及如何評價潘洛斯和霍金的成就。
趙崢

序言
第一講 愛因斯坦與物理學的革命
　第一講附錄 狹義相對論的創立
第二講 彎曲的時空―廣義相對論
　第二講附錄 愛因斯坦與廣義相對論
第三講 白矮星、中子星與黑洞
　第三講附錄 漫談黑洞（Ⅰ）
第四講 霍金與黑洞
　第四講附錄 漫談黑洞（Ⅱ）
第五講 膨脹的宇宙
第六講 時空隧道與時間機器
第七講 激動人心的量子物理
　第七講附錄 玻爾對愛因斯坦光子實驗箱的答覆
第八講 比一千個太陽還亮
　第八講附錄 湯川對介子質量的估計
第九講 漫步太陽系
第十講 時間之謎
插頁詩句的注釋與隨想
主要參考書目

3. 科學中心向美國遷移

約里奧首提原子彈接著講原子能的利用。首先是用在軍事上。1939年，德國進攻波蘭，歐洲戰場全面爆發，法國對德宣戰以後，約里奧找了法國軍備部部長，建議法國製造原子彈對付希特勒。但是，法國沒能挺住，馬奇諾防線很快被突破了。

第一次世界大戰的時候，德國和法國打塹壕戰，死的人很多。德國人總結出一套理論，說不用管對方的防禦工事有多厚，有多結實，只要我們的大炮造得夠大，就能把它轟開。法國人發展了一套相反的理論，說不用管對方的炮有多大，只要我們的防禦工事修得夠厚的話，它就轟不開。

所以第一次世界大戰結束以後，法國把它的軍費都用在修馬奇諾防線，一個固定的很牢固的防線上，以為這樣就可以在未來的戰爭中擋住德國人。結果希特勒的軍隊繞過了馬奇諾防線，法國軍隊一下子就垮了。這樣法國就無法造原子彈了。

約里奧在緊急情況之下，把他的實驗室中的重水押運到法國南部的一個港口，裝上了一艘去英國的船。然後他就返回巴黎，回到巴黎的時候，巴黎已經被德國占領了。德國占領軍傳訊約里奧，問他重水哪兒去了？約里奧在回巴黎的路上，就聽說從那個港口開出的另外一條去挪威的船被炸沉了，他就說放在那條去挪威的船上了。那些重水是挪威的，他打算還給挪威，就在那條被炸沉的船上。德國人也就沒有再問。因為德國當時已經教育普及化了，德軍官兵都知道居禮這個偉大的名字，誰也不想沒事找麻煩。德國人沒有再找他碴，但他也無法造原子彈了，只能搞些普通的科學研究。他後來參加了地下的法國共產黨，在實驗室中幫游擊隊製作炸藥。第二次世界大戰快結束時，約里奧還拿著手榴彈參加了解放巴黎的最後的巷戰。

這個時候，在美國的科學家開始建議美國造原子彈了。他們很擔心希特勒能造出來。因為德國有海森堡，有哈恩，專精實驗和理論的人都有，而且海森堡非常支持納粹，極力吹捧希特勒。大家覺得他們一定會幫助希特勒造原子彈。希特勒如果造出來，大家都毫不懷疑他肯定敢用，他絕對不會有什麼顧慮的。

費米――物理的全才

此時，已有一大批歐洲的物理學家逃到了美國，其中一個是費米。費米是義大利的物理學家。他是在相對論、統計物理、核子物理這些方面，都做出了重大貢獻的物理學家，而且理論和實驗都行，後來設計了世界上第一座核子反應爐。他還培養了六個得諾貝爾獎的學生。所以費米是非常了不起的科學家。

在義大利，費米剛開始冒出來的時候，自己並沒有太多的信心，他覺得義大利的科學不行。他說，在一個全是聾子的國家裡面，有一個人有一隻耳朵好用，大家就覺得這個人聽力好得不得了，但是別的國家的人可能都有兩隻耳朵呀，你去比就覺得不行了。後來他有一次到德國去訪問了幾個月，訪問後他覺得自己還是屬於有兩隻耳朵的人，並不比德國人差。

費米後來有很多不俗的成績，並獲得了諾貝爾物理學獎。他去領獎的時候，準備趁此機會逃離義大利。他本人並不是猶太人，但他的夫人是猶太人，費米夫人跟他從小青梅竹馬一起長大。費米帶著全家到瑞典去領諾貝爾獎。那時為了安撫義大利的使館，不要讓他們懷疑自己準備走。費米還特地跑到義大利的使館去問一問，回國的時候要辦什麼手續。結果當別人都不在場的時候，義大利使館那位跟他談話的工作人員就悄悄跟他說：「費米教授，您全家不是都出來了嗎？您夫人不是猶太人嗎？你還回去幹嘛？」於是他就放心了。其實，離開義大利之前，他就去過美國大使館，要求移居美國。美國大使館的人不認識他，說：「我們美國，歡迎歐洲移民。前提是，我們不要弱智的人，所以明天您和您全家必須來檢測一下智力。」做過智力檢測後，美方突然發現這位是諾貝爾獎得主，趕緊就說不用再等什麼了，馬上就給他們簽證，來美國吧。

費米的夫人回憶跟費米的相識。他們的父親是好朋友，所以他們從小就認識。費米的夫人說：「我小時候第一次參加舞會時，只有十五歲，我打扮了很長時間，覺得非常高興，不過當時我還是一隻醜小鴨，我一直在那裡坐著，都沒有一位男士來請我跳舞，真是非常尷尬。後來終於有個年輕人走到我跟前，邀請我跳舞，這個人就是費米。」她說她非常感激，讓她從這種尷尬的局面下解脫出來。

彈藥庫裡的波耳

有猶太血統的波耳也移居到了美國。第二次世界大戰時，丹麥對德國是有條件投降。因為開戰以後，德國的軍艦一下就把丹麥唯一的軍艦打沉了。丹麥海軍根本沒多少裝備，但是哥本哈根衛司令不想屈服，準備把武器發給老百姓進行巷戰。國王說算了，我們根本打不過德國，和德國簽訂停戰協定吧。投降，但是要有條件，其中一個條件就是猶太人你們不能帶走。丹麥人說，你們強迫把猶太人聚集到一起可以，但是要允許他們的鄰居（編按：此應指丹麥人自己。）去探望他們，因為他們的鄰居很關心他們是否安全。所以在丹麥的猶太人大多都活下來了。

當時希特勒在德國大量屠殺猶太人，所以波耳心裡很擔憂。這時候海森堡跑到哥本哈根去了。在波耳的研究所附近，一些擁護納粹的丹麥人建立了另外一個由純種雅利安人組成的物理研究所，就是沒有屬於猶太人的研究所。

海森堡到那裡報告研究成果，報告時他還故意問了一句，說波耳教授怎麼沒來，還提醒大家波耳沒有來，波耳不是純種人。接著海森堡又去拜訪波耳，兩個人在實驗室裡談話，又在外頭談話；至於談了些什麼，後來兩個人說的完全不一樣。第二次世界大戰結束以後，海森堡被捕，海森堡說他當時一直勸告波耳，說波耳是安全的，絕對沒有任何問題等。波耳卻說根本不是這麼一回事，他認為海森堡是堅定的希特勒擁護者。

波耳覺得自己非常不安全，他最後選擇了偷渡，坐一艘小船冒險逃往挪威，海水把他全身都打溼了。逃到挪威以後，他又坐上一架英國的轟炸機，飛往了英國，然後坐船去了美國。坐轟炸機的時候，轟炸機上每個人都有位置，當然也不能讓機槍手讓出位置，為什麼呢？因為中途可能碰上德國飛機，機槍手還有任務。波耳由於沒地方坐，只好到彈藥庫裡了。結果因為高空缺氧的緣故，他沒有戴好氧氣面罩，休克了。幸好還是到了倫敦。

第二次世界大戰以後有些記者就質問英國政府說，聽說你們命令駕駛員：飛機如果要迫降的話，不能把波耳交給德國人，要把他扔到海裡。是不是有這件事？一直質問，一直到1970、1980年代還有人繼續質問英國當局，英國當局斷然否認。後來波耳終於順利逃到了美國。

4. 原子彈的研製

美國啟動曼哈頓計畫

這些逃到美國的科學家都覺得希特勒可能會製造原子彈，所以他們就希望美國趕緊搶在希特勒之前製造出來。於是，幾個物理學家，西拉德、泰勒、維格納，打算寫信給美國總統，勸美國趕緊造原子彈。他們覺得自己的影響力不夠，就去拜訪愛因斯坦，請愛因斯坦寫封信；愛因斯坦同意了，在信上簽了名。當時有一個羅斯福的朋友薩克斯，拿著這封信去見羅斯福，想跟羅斯福談談，但羅斯福沒怎麼聽懂，羅斯福那時忙得不得了。
當時美國正在備戰，因為覺得德國可能馬上就會進攻美國，所以羅斯福當時緊張得不得了。美國總統是三軍統帥，各種外交活動也非常多。美國當時已經在把大量軍火賣給英國，還派艦隊給運輸船護航，以防德國潛艇攻擊。同時允許他們的空軍人員退役以後參加陳納德的志願空軍到中國作戰，不過現役人員必須選擇退伍才能去。美國和德國、日本的矛盾日益加深。

這時候，科學家們談製造原子彈的事，羅斯福根本聽不進去，因為他非常忙碌，這件事到底有什麼用也搞不清楚，態度自然很冷淡。後來羅斯福看這個朋友不太高興，就說：「這樣吧，明天早上，我請你吃早餐，你還可以利用時間再談談你那個東西。」薩克斯一晚上沒睡好，第二天吃早餐，見了羅斯福就問：「你知道拿破崙為什麼會失敗嗎？」羅斯福問為什麼，他說就是因為拿破崙當時沒有相信先進的科學技術。

薩克斯說，當時有兩個美國工程師向拿破崙建議過，把蒸汽機裝到船上，造機器船，這樣一來，即使在逆風的時候，也可以在英國登陸。拿破崙就笑了，說他不相信沒有了帆這船還能航行。於是沒採納這兩個美國工程師的意見，結果法國就是因為海軍打不過英國，最後失敗了。

羅斯福說：「那照你的意思，我要是不造這個大炸彈的話，我最後也會跟拿破崙一樣失敗？」薩克斯說是。「好，」羅斯福就把他的副官找來，對他說：「現在有個重要的任務，這位先生會跟你說，這件事情要馬上行動。」

這件美國政府稱為「曼哈頓計畫」的事情剛安排下去，第二天珍珠港事件就爆發了。日本海軍航空兵襲擊了珍珠港，把美國炸個措手不及。為什麼呢？美國當時沒想到日本敢這麼做，雖然也想過將來日本必會來犯，但是覺得那還是以後的事情，因此毫無防範。當時美國最擔心的主要是德國，所以美國把大的戰艦，都從大西洋挪到太平洋來了，因為離德國遠點，以為移到珍珠港會更安全。沒想到日本人先動手了，在珍珠港把美國的大戰艦炸了個正著，幸虧航空母艦當時不在港裡，還趕得上還擊，否則後果不可想像。

歐本海默臨危受命

太平洋戰爭爆發了，美國馬上宣布對日本、德國開戰。後來，羅斯福任命熟悉工程建設的格羅夫斯將軍負責曼哈頓計畫，對格羅夫斯說這件事情只對他一個人負責，缺錢直接找他，不要跟國會、跟政府的任何人員談起，只對他負責。格羅夫斯將軍接受了這個使命，開始物色人選。有的人主張找一些德高望重的老教授來做，但是老教授一般都比較保守，而且精力也有限。將軍發現有一個40歲左右的中年人比較合適，此人叫歐本海默，是在德國哥廷根大學畢業的。

第二次世界大戰前，很多美國人跑到英國和德國去留學，因為美國那個時候科學還不太發達，最先進的還是歐洲。歐本海默就跑到德國去，在哥廷根大學上學。歐本海默在德國表現得很出色。他是波恩的學生。他經常打斷別人的報告，別人在臺上報告，正講到一半，他就上臺，把對方粉筆搶過來，說這個問題其實根本不用這麼解釋，要是照自己的方式解釋就簡單多了。歐本海默常常做這種事。有一次波恩寫了一篇論文，給他看，說過兩天討論討論。過兩天他來了，波恩問他那篇文章看了嗎？覺得怎麼樣？他說這篇文章寫得很好，真的是波恩自己寫的嗎？大概是因為波恩的論文平時出錯的可能性比較高，歐本海默有點懷疑他的老師是不是能寫出這樣的文章來。總之，歐本海默因為這種性格，得罪了不少人。

有些人向將軍提議，歐本海默這個人可以勝任原子彈的研究。這時候他已經預測過暗星了，也就是後來說的黑洞。但聯邦調查局說歐本海默不行，將軍問為什麼，聯邦調查局說歐本海默這個人傾向共產黨，他弟弟和弟媳都是美共黨員，他的女朋友也是美共黨員，他常看共產黨的宣傳品，說他這個人不可信。可是將軍覺得又沒有其他合適的人。

格羅夫斯將軍就跟聯邦調查局的人說，先把資料拿過來看一看。他一看，也不覺得有什麼關係。因為職業軍人和一般科學家在政治上並不那麼敏感，即使負責情報工作的人說得非常嚴重，其實在外人看來，也沒有什麼太多的證據說明他有什麼問題。於是將軍就說還是用歐本海默；他向聯邦調查局的人表示，這件事情他直接對總統負責。

歐本海默受命擔任了原子彈的總設計師。歐本海默開始找人到他那裡工作。其中很重要的一個任務，是測鈾的臨界質量。大家知道，原子彈爆炸，原則上來講，只要這個鈾的大小，超過了一定的臨界質量，它就會爆炸。原因是這樣的，鈾裡面一定會（有一定的機率）有一些鈾核自發裂變，放出中子。放出的中子，會刺激別的鈾核發生裂變，但是如果這個鈾不夠大，那麼很多中子就飛出去了，碰不到別的鈾核，也就沒有用了。再來，鈾裡有雜質，這些雜質會吸收掉一些中子，使它們不再反映。因為造原子彈的鈾是工業品，它一定有雜質，而且每一次造出來的鈾，雜質的成分和含量都會有差別，所以，就要經常測定鈾的臨界質量，以便確定多大的鈾塊會爆炸。當時要找一個人來測臨界質量，這項工作需要一個實驗非常精細，又非常勇敢的人來做，必須是具有犧牲精神的人。