黑洞是宇宙中最广为人知而又最不为人懂的物体。这个词在口语中被用来形容一个吸收其周围所有事物的实体。黑洞出现在银幕上和小说中，它们已经被流行文化吸纳了。黑洞是具有邪恶一面的神秘事物的代名词。作为一种隐喻，我把它们称为“爱因斯坦的怪物”。它们非常强大，任何人都无法控制。爱因斯坦并没有创造黑洞，但他建立了我们用于理解黑洞的最佳引力理论[1]。
大多数人对于黑洞的了解其实是错误的：它们不是会将附近的一切都吸进去的宇宙吸尘器，它们只会扭曲距离其视界非常近的时空。黑洞只占宇宙质量的一小部分，离我们最近的黑洞也在好几百万亿千米之外。它们不太可能用于时间旅行或访问其他宇宙。黑洞甚至不是黑的，它们会发出一种由粒子和辐射产生的咝咝声，并且大多数黑洞是双星系统的一部分，其中下落的气体会升温并发出强光。黑洞不一定是危险的。你可以掉进大多数星系中心的黑洞中去，却什么也感觉不到，尽管你永远也没有机会把你看到的告诉任何人。
本书是关于大大小小的黑洞的一个介绍。黑洞看似简单，却是具有欺骗性的，因为理解它们所需的数学知识极其复杂。我们将在本书中会见向人类揭示黑洞的科学家：从几百年前敢于梦想黑暗恒星的理论物理学家，到深思和斟酌着广义相对论以及超越了广义相对论的理论的科学家。
如果没有爱因斯坦在一个世纪前建立起来的广义相对论，人们是不可能理解黑洞的。广义相对论认为，空间和时间被物质扭曲。在质量高度集中的极端情况下，空间的某个区域从宇宙的其余部分中被“掐掉”，一切都无法从这个区域逃脱，甚至光也逃不掉。这就是一个黑洞。但即使爱因斯坦也对它们的真实存在持怀疑态度。并非只有他一个人有此见解，许多著名的物理学家也都曾怀疑过它们的存在。
它们确实存在着。40年来我们所积累的证据表明，当大质量恒星死亡时，自然界中没有任何力量能够抵抗其核心的引力坍缩。一个10倍于太阳大小的气态球体会被压缩成一个小镇大小的黑色物体。最近，人们发现每个星系的中央都有一个大质量黑洞，其质量大小可相差10亿倍。
通过测出黑洞所在的位置，我们可以了解双星系统，其中一个黑洞与一颗普通恒星在引力作用下共舞一曲华尔兹。我们将看到，黑洞是否存在的最佳证据就在我们自己的星系中心，许多恒星在那里像狂怒的蜜蜂一样，成群地围绕着一个质量为太阳400万倍的黑暗天体团团转。当隐藏在星系中的巨大黑洞从沉睡中醒来并开始进食时，人们从数十亿光年之外就能看见它们。这些引力引擎是宇宙中最强大的辐射源。
最近，物理学家们学会了通过探测引力波用“引力之眼”来观察黑洞。当两个黑洞相互碰撞时，它们会释放出时空涟漪，这些涟漪以光速向外传播，并包含着有关这次猛烈碰撞的信息。一扇新的窗户打开了，它通往黑洞以及所有存在着强大且不断变化的引力的情况。如果还需要什么证据的话，那么引力波提供了毫不含糊的证据，即自然界制造了黑洞。每5分钟就有一对黑洞在宇宙的某个地方并合，同时将引力波源源不断地向外送入太空。
关于黑洞的一切，目前我们的了解还远远不够。它们将继续给我们带来惊讶和喜悦。黑洞使我们能够以一些新的方式来检验广义相对论。没有人知道这些检验是会证实这一理论，还是会导致其衰亡。关于黑洞中的信息丢失以及信息是否在视界处以某种方式被编码，存在着激烈的争论。理论物理学家们希望黑洞是能够验证弦理论的地方，从而最终实现爱因斯坦将量子力学与广义相对论统一起来的诉求。
本书分为两篇。上篇介绍黑洞存在的证据。这些证据涵盖了一系列黑洞：从质量比太阳大不了多少的黑洞，到质量相当于一个小星系的庞然大物。下篇解释了黑洞是如何诞生和死亡的，还解释了黑洞是如何将我们关于自然界的那些理论推向其极限的。除了黑洞的故事之外，书中还有一些个人的故事，其中包括我自己的一些故事。讲这些故事是为了提醒大家，虽然科学是不带感情的，但科学家们都是血肉之躯，有着天生的缺陷和弱点。由于我所讨论的是一个瞬息万变的研究课题，因此这里引用的一些结果可能经不起时间的考验，其中的任何错误、遗漏或失实陈述所引发的后果仅由我个人承担。
我们可以想象宇宙中数万亿个宜居世界中的许多智慧生物都已经推断出黑洞的存在，也许有些智慧生物还学会了如何制造它们和利用它们的威力。人类是一个年轻的物种，但我们可以为身为知晓黑洞的这个特殊俱乐部的成员而感到自豪。
克里斯·伊姆佩
亚利桑那州图森市
2018年4月
[1]“黑洞”一词也令人联想到英国作家马丁·艾米斯的一本短篇小说集，其中的故事都围绕着核战争的威胁展开，影射了E=mc2（爱因斯坦在这个方程中指出了原子核的巨大能量）。参见马丁·艾米斯的《爱因斯坦的怪物》（Einstein’s Monsters, London: Jonathan Cape, 1987）。——原注