正如我之前做过几次那样，每当诺贝尔奖授予与本课程相关的领域时，我都喜欢就该主题进行介绍性讲座。今天我们要谈谈黑洞。 2020年诺贝尔物理学奖授予以下三人：罗杰·彭罗斯得到了一半的诺贝尔奖，另一半由莱因哈德·根泽尔和安德里亚·盖兹分享。罗杰因对黑洞的理论发展而获得了诺贝尔奖。第一讲中，我想谈谈他的工作背景和他的实际工作。第二讲中，我想谈谈关于黑洞观察的方面，这是由 Reinhard Genzel 和 Andrea Ghez 完成的。我今天录了这两堂课，希望你们喜欢。
首先，黑洞一直是科幻电影之类的领域，但它们确实存在。我们从恒星的运动中注意到黑洞。如果你仔细观察恒星是如何移动的，可以知道是什么物体在引力作用下拉动它们，从而推断出物体的质量。这样你就可以看出一些物体非常重，它们唯一可能的是黑洞。这是判断黑洞存在的一种方式。你可能看过的另一件事是你在这张幻灯片上看到的黑洞图片。这么说其实有点误导，因为这实际上是一张黑洞阴影的照片。尽管如此，这是一张著名的照片，我想告诉你更多关于这张照片的真正含义。知道黑洞存在的第三种方法是，存在由两个黑洞组成的二元系统，当它们合并时，能检测到它辐射出相当多的引力波。我之前已经做过关于引力波的讲座，但是，我想重复其中的一些内容，以及为什么这是黑洞确实存在的真实证据。但是关于黑洞还有很多谜团。今天宇宙中有多少黑洞？它们是怎么诞生的？落入黑洞的东西会发生什么？这些仍然是谜。人们正在对此进行研究。尽管如此，2020 年的诺贝尔奖还是颁给了关于黑洞的成就，告诉我们基于观测证据，黑洞确实存在。
要开始谈论黑洞，首先，我需要提到引力。我在主讲课程中说过引力，但我今天还想提到其他方面，所以让我们开始吧。这是我女儿站在比萨斜塔前的照片。这其实是在家庭旅行，我家两个大一点的孩子其实可以爬到塔顶，但她因为太小了，不得不待在地上。显然安全协议规定，如果孩子太小，那么她或他不能到塔顶，所以她必须留在地上等待其他家人。你可以看到她看起来很伤心。我在这里给你看这张照片的原因是，这座比萨斜塔有一个著名的故事，伽利略到斜塔顶抛下了两个物体，一个重，一个轻的。他问比萨人哪一个会更早落地。大家都说，当然，重的比轻的更早落地。他做了这个实验，每个人都非常惊讶地发现，较重的物体和较轻的物体以完全相同的运动撞击地面。这就是这个著名故事。如果你真的到了比萨斜塔顶部，你会看到一块牌匾写着伽利略实际上并没有做过那个实验，这只是一个传说。但无论如何，这是一个著名的故事，它启示我们，不管物体有多重，重力的作用方式相同，使它们在同一时刻落到地面上。这实际上已经被阿波罗 15 号登上月球的宇航员所证明。在这段视频中，指挥官大卫斯科特实际上是在月球上做这个实验，他在月球上扔了一个锤子（这是一个重物）和一根羽毛（一个轻物）。如果你在地球上做这个实验，问题在于有空气，空气产生摩擦，所以羽毛不会直线掉落，而是走Z字形，需要一段时间才能落地，所以他们落地时刻不同。但是在月球上没有空气，所以没有摩擦。如果你相信这个伽利略实验，那么羽毛不会翻转，会直线掉落，它应该与锤子同时落地。这就是指挥官大卫斯科特在月球表面所做的实验，让我播放下视频。
（跳过一些不知道说啥的） 我的左手拿着一根羽毛，右手拿着一把锤子。 我们今天来到这里的原因之一是很久以前一位名叫伽利略的绅士对重力场中的坠落物体做出了相当重要的发现。我们认为在月球上能更好地证实他的发现，所以我们在这里为您尝试。 羽毛恰好是猎鹰的羽毛，对应“猎鹰”登月舱。我要丢下这两样物体，希望它们能同时落地。 怎么样？伽利略的发现是正确的。
好了。羽毛和锤子同时击中地面，这就是传说中的伽利略实验（实际上并没有发生），故事就是这样。但是问题来了，我们如何理解这一点？为什么他们会一起落下？如果你听了牛顿的理论，那你高兴不起来，它说不通。牛顿的说法是，较重的东西很难移动，这当然是我们通过日常经验所知道的。如果你推三轮车，你可以让它很快移动，但如果你推皮卡车，它就不会移动，所以更重的东西更难移动。这意味着较重的东西应该比较轻的东西移动得更慢。另一方面，根据牛顿的说法，万有引力与它的质量成正比，更重的东西会感受到更强的重力。如果你丢下一把锤子，那么月亮吸引锤子的重力比吸引羽毛的重力大，所以更重的东西移动得更快。第一个是较重的东西很难移动，因此预计移动缓慢。另一方面，更重的东西受更强的吸引，这应该使较重的东西移动得更快，最终它们完全抵消了，从而一起移动。正如我所说，这实际上不是一个非常令人满意的答案，因为必须有一些完全准确的东西才能让它们齐心协力。爱因斯坦不喜欢这样，他想理解这一点，因此他提出这个想法，即引力实际上不是一种力，它是时空本身的一种属性。例如，如果您将一个重球放在蹦床上，蹦床的表面当然会下沉。如果你让一个乒乓球在它周围移动，乒乓球想要直线运动，但是由于表面是弯曲的，它开始弯曲并围绕你放在蹦床上的重球运动。这个想法是，当空间弯曲时，一切都想直走，但是由于空间本身是弯曲的，最终路径发生弯曲并环绕。根据爱因斯坦的说法，这就是引力的真正含义。如果你对静止的乒乓球做同样的事情，它会开始向使蹦床弯曲的重球移动，这就是事物落向某个巨大物体的方式。这个想法是，因为重力是时空的属性，所以无论你在看什么物体，锤子和羽毛都以相同的方式下落，因为这是时空的属性。在太阳系中，木星主要由气体构成，而我们的地球主要由岩石构成，它们是由不同物质构成的，但它们又以同样的方式绕着太阳运动，因为那是时空的属性。所以物体是由什么组成的，它有多重并不重要，它们总是以相同的方式移动，因为这是时空的属性。根据爱因斯坦的说法，这就是引力的概念，这个理论称为广义相对论。

这是日食的照片，1919 年的照相底片。可以看到太阳周围的一些星星。爱丁顿非常仔细地观察了这些恒星的位置，发现这颗恒星在照相底片上的位置和这颗恒星应该在的位置不同（众所周知恒星是如何运动的）。因此可以看出视位置与恒星的实际位置不同，证明爱因斯坦关于引力的说法是对的。这是爱丁顿给爱因斯坦发电报的图片，电报宣布了这次探险的结果，证明了他的理论是正确的。这成为全世界的大新闻，因为现在人们知道牛顿对引力的看法并不完全正确。这就是爱因斯坦举世闻名的原因。
根据爱因斯坦的广义相对论，不仅认为引力是时间上的空间曲率，这一理论还有更重要的影响。一个重要影响是引力更强会延迟时间。这听起来很疯狂。通常我们认为每个人的时间都以完全相同的方式流逝，但事实并非如此。如果你处于更强的引力中，那么你的时钟会比远离引力的人慢，因为在引力弱的地方，那个人的时钟会比你的快。引力更强则时间延迟。这很重要，因为我们在日常生活中会用到。如果你在 iPhone 上使用 GPS，那么你看到的实际上是来自人造卫星 GPS 卫星的信号。 GPS 卫星会通过无线电发送信号，然后你会检测到这些无线电信号。通过查看这些无线电信号的时间，你可以测量距离，因为无线电以光速传播，这样就可以根据天空中至少四颗人造卫星的信号实际识别三维坐标和时间。问题是人造卫星在天上，它们比你远离地球，这意味着GPS人造卫星受到的引力比你弱，即你的时钟比该卫星上的时钟延迟更多。所以从你的角度来看，卫星上的时钟似乎比你的快。这是一个重要的影响。如果你不知道这种效应（感谢爱因斯坦，我们知道了这一点），如果你不知道，那么这个 GPS 系统需要每天手动校正 38 微秒。微秒听起来可能微不足道，但如果你将 38 微秒乘以光速，那么最终是 11 公里。如果GPS每天把位置说错11公里，那完全没用了。我们必须纠正这种效应，这就是 iPhone 所做的。

结果实际上取决于飞机是向东飞还是向西飞，我告诉你为什么。这个广义相对论的思想是关于重力的，东飞和西飞基本上是在一个相似的高度上飞行，所以重力的差异对东飞和西飞的影响是大致相同的。事实上，他们知道这架飞机实际绕地球飞行时的高度。他们可以计算出这个实验对于东飞航班和西飞航班应该产生多少时钟差异，可以看到预测的数字几乎相同，因为它们基本高度相同。这些数字以纳秒为单位，影响非常小。但除此之外，还有一种效应是由于所谓的狭义相对论。这个理论说，如果东西速度很快，时钟就会延迟。 如果你考虑东飞，因为地球正在向东旋转，且飞行是从该行星起飞的，因此它在途中加快了速度，东飞航班更快，因此其时钟延迟。 广义相对论效应说，如果你在天上，时钟比地面上的时钟走得更快，因为那里的重力较弱，所以这就是为什么这些预测是正数。 但是在狭义相对论效应中，与地面上的速度相比，飞机的速度更快，这意味着飞行中的时钟比我们的时钟延迟更多。 这就是为什么这里的预测是负数。
另一方面，西飞航班与地球的自转方向相反，所以通常对于典型的商用喷气式飞机，西飞航班几乎是静止的，所以地球自转，西飞航班从地球表面起飞，当地球自转时，航班实际上是静止的。 这就是西飞航班向西飞行的方式：不是飞机在飞，而是地球向相反的方向移动。 与此相比，我们在地面上的移动速度比飞机快，这就是为什么我们的时钟更晚，或者说航班上的时钟比地面的快，这就是为什么预测是正数。现在只要把它们加起来，就可以得出一个基于相对论的预测。 这些是西飞航班和东飞航班的预测数字。这是数据，在表格中可以看到理论和数据非常吻合，我们就是这样知道所说的两个效应都是正确的， 即物体速度更快，其时钟会延迟，如果某些东西变得像光速一样快，时钟就会停止。 同时，如果一个物体受到的引力更大，时钟也会延迟，如果时钟在黑洞表面，时钟会完全停止，这就是这个实验所展示的想法。