引言

我第一次接触到黑洞这个概念，是在1958年前后。当时我在北京一中上初中，这所古老的中学有一个历史悠久的图书馆。我的同班好友裴申是一位天文爱好者，他从学校图书馆借到一本叫做《每月之星》的科普读物，听他谈论后我觉得非常有趣，于是也去图书馆借了一本。

这本书把中国古代的星座与希腊的星座对照介绍，不仅有美丽的神话，而且有当时最先进的科学知识。书中介绍了白矮星，那里有令人咋舌的地球人无法想象的高密度物质，体积像小酒杯大小的一块就重达1吨左右。书中还介绍了尚未发现的中子星，而且谈到爱因斯坦的广义相对论预言存在一种“看不见的星”。由于引力太大，这种星的光跑不出来，我们看不见。这种“看不见的星”就是今天所说的黑洞。这是我第一次在书中看到有关黑洞的知识。我是一个喜欢读科普书的人，但此后十多年，再也没有从其他科普书和科普文章中看到有关黑洞的介绍。

《每月之星》是我读过的最好的科普书，作者叫陶宏。书中序言的最后写道：“一九四九年一月二十二日，北平停战之日，陶宏写于北大红楼。”

1978年我到北师大天文系读研究生时，在一次谈话中提到《每月之星》这本书和作者陶宏，我的导师之一、时任天文系主任的冯克嘉先生告诉我，陶宏是陶行知先生的儿子。

1996年，我在北师大研究生院工作，有幸与顾明远教授同在一个办公室。中午休息时，我去翻看顾先生书架上的《陶行知文集》。在书中发现许多与《每月之星》相近的内容。

于是我又去翻看《每月之星》这本书的复印件，这才注意到一些我少年时代未曾注意的内容。陶宏在序言中说，这本书采用的是他在给父亲做“小助教”时用过的资料。陶行知先生过世后，他觉得有必要把父亲积累的素材编写成书，并终于编纂出版了《每月之星》这本科普读物。

我当时感到十分震惊，原以为陶行知先生只是一个文科知识和社会知识丰富的教育家，没想到他除去“中晓人和”之外，居然还“上知天文，下知地理”。我看到了一位真正伟大的教育家的形象，他为当代的教育工作者树立了光辉的榜样。细想起来，孔夫子不也是一位百科全书式的人物吗？

我上大学期间，虽然在大三结束的暑假（1965年）自学过广义相对论，但所看的那三本书中均未谈到黑洞。我再次注意到黑洞是在大学毕业之后，分配到哈尔滨东北石油化学所工作期间。1974年的一天，我在所资料室中翻阅杂志，注意到当时的《科学通报》上有王允然先生写的一篇介绍黑洞的高级科普文章，我看得津津有味。

我在中国科技大学上学期间，王先生是物理系的老师，但未教过我，不认识他，只是听说过他的名字。他和科大的一些老师和同学，通过自学攻读钻进了广义相对论的研究领域，并在宇宙学和黑洞领域开展了研究。他们组的成员有的是我上学时的年轻老师，有的是我的同学，这些熟识的名字给我巨大的鼓舞，也进一步加深了我对广义相对论和黑洞的兴趣。

真正开始钻研黑洞，是在我进入北京师范大学，做了刘辽先生的研究生之后。刘辽先生是一位正直的知识分子。抗战期间，他曾就读过空军幼年学校，准备为保卫祖国而战。抗战结束后，他又参加过共产党的外围组织，散发过《挺进报》。解放后，青年刘辽从北大毕业，打算走科学报国的道路，但却不幸被打成右派。在那些艰难的岁月里，他没有选择放弃，而是一心苦钻理论物理，让自己的思想在爱因斯坦与相对论的天空中翱翔。

当改革开放的春天降临之际，已经掌握了相对论基本理论的刘辽，终于获得了施展抱负的机会，他开始在北师大建立研究相对论的基地，并在国内各地到处宣讲、传播爱因斯坦的理论。我有幸在这个时候考取了刘先生的研究生，在他的带领下逐渐深入到广义相对论和黑洞研究的前沿，从一个黑洞的旁观者，变成了黑洞的探索者。

当我于三十多年前初次跨入黑洞领域的时候，只有少数研究广义相对论的人对黑洞感兴趣，在那里仔细计算、反复推敲、热烈争论。天文学家一般都对此漠然视之，对宇宙中是否存在黑洞不置可否。

三十多年后的今天，情况倒过来了。天文学家大都对黑洞的存在感到乐观，认为宇宙中存在着黑洞，而且不少人认为可能存在大量的黑洞，不断有人发表论文，说这里有黑洞，那里是黑洞，似乎宇宙中处处都有黑洞。

与此相反，原来研究黑洞的理论物理学家，却有许多人感到情况不太妙，在那里争论、反思。包括霍金在内的一些专家认为，原先可能把黑洞想象得太理想化了，真实的黑洞即使存在，也与理论计算出的可能有很大的差别，甚至也可能根本就不存在黑洞。

天文学家对黑洞的乐观看法，产生自天文观测。我们知道，根据计算，一颗太阳质量的恒星，半径70万千米，密度约为每立方厘米1.4克，形成白矮星后，半径缩到1万千米，密度达到每立方厘米1吨左右。如果形成中子星，其半径将缩到10千米，密度达到每立方厘米1亿～10亿吨。如果形成黑洞，其半径将只有3千米，“平均密度”达每立方厘米100亿吨。

现在，白矮星早已在天文观测中大量发现，约占恒星总数的十分之一。原来认为不可思议的中子星也已发现很多。而从天文学角度来看，黑洞与中子星的半径和密度其实相差不大。因此，黑洞的存在似乎是顺理成章的事了。

另外，类星体巨大能量的来源，星系中心看不见的超大质量，以及引力透镜等，这些观测结论都能用黑洞给出较为合理的解释。

而物理学家对黑洞的反思则来源于黑洞理论造成的信息疑难、奇点疑难等带有根本性的理论困难，以及以往对黑洞的过于理想化的认识。

黑洞究竟是一种什么样的天体，它到底存在不存在？本书将从天文学、物理学和数学的不同角度，来阐释黑洞的来龙去脉，它的几何结构和物理结构，它可能有哪些有趣的效应。本书还将介绍，对黑洞的研究，给物理学带来了哪些收获和重要启示。

黑洞这种从广义相对论和微分几何推演出来的天体，在没有引入任何统计假设的条件下，居然自动导出了温度和熵。也就是说，当时空弯曲到一定程度的时候，物体将自然出现热效应。这种不可思议的结果显示，万有引力与热之间，存在着目前尚不清楚的深刻的本质联系。

对黑洞和弯曲时空的深入思考，进一步把我们的注意力引向了“时间之河”。于是，我们在广义相对论和黑洞理论的基础上，深入探讨了热力学定律与时间性质之间的关系。

我们的“大胆猜测”和“小心求证”也许会勾起不少读者的兴趣，给他们带来愉悦的思考，并把他们引向持续千年的难题：时间究竟是什么？

作者在写作本书的过程中，谨记一个原则：一本好书，不只要让人相信其内容，更重要的是让人有兴趣去进一步思考、探索和发现。

具有高中以上学历的读者不仅可以从本书中学到许多关于广义相对论、黑洞和时间本性的有趣知识，而且能够在不知不觉中提高自己的怀疑能力、创新能力和探究能力。

本书是在清华大学出版社和邹开颜编辑的大力协助下完成的，还得到石磊、朱红莲等编辑的支持；北京师范大学物理系研究生祁景钊、梁桂荣协助打印了书稿，作者在此深表感谢。

作者的科研、教学和写作工作，长期得到国家自然科学基金（如10373003, 10773002等）和教育部“精品视频公开课”经费，以及北京师范大学教学经费的支持，在此一并表示深切谢意。

赵 峥

2014年夏于北京