第2章 宇宙里的陷阱——吞噬一切的黑洞(1)
在电影《星际穿越》中，主人公库伯掉进了一个宇宙黑洞，并进入了多维空间。在他的帮助下，女儿得以解决人类星际移民的技术难题，使濒临灭绝的人类得到了拯救。此后，库伯又从黑洞中逃了出来，出现在土星附近，并被已经移民到这里的人类拯救。只不过，黑洞中的短暂停留，人类的时间已经流逝了近百年。
爱因斯坦之前的人们
“世界从哪里来？”这是一个争论了千百年且永远没有答案的哲学问题，因为这个问题太过抽象，只要过于抽象，往往会有许多种不同的答案。尽管如此，人们依然想得到一个让所有人都接受的答案。在这个问题中，涉及了“起源”的概念，也可以说是人类的起源。提到人类的起源，就会联想到宇宙的起源。关于宇宙的起源与归宿，人们有许多种说法。但是，这些说法都被爱因斯坦的“广义相对论”改变了。
关于宇宙的起源，古人们很早以前就已经有了自己的解释，如中国古代的盘古开天辟地说以及西方的上帝创造万物说，等等。无论是盘古开天辟地说还是上帝创造万物说，其都有一个共同点，那就是地球是宇宙的中心，人类是宇宙的中心。在公元前340年，希腊哲学家亚里士多德认为，地球是不会动的，像月亮、太阳以及其他行星通通围绕着地球转动。渐渐地，人们接受了亚里士多德的说法。
但是，尼古拉·哥白尼并不认可亚里士多德的理论，他认为地心说是错误的，正确的理论应该是日心说，即太阳是宇宙的中心。哥白尼的日心说在今天看来，也是错误的。但是在那个年代，这已经是最接近当前宇宙学说的理论了，毕竟那个时候人们的观察工具有限。
【哥白尼的箭楼】
1512年，哥白尼迁居到濒临波罗的海的弗隆堡。他买下了城堡中的一座箭楼。箭楼本来是作战用的，最上面的一层是哥白尼工作的地方，下面的两层用作卧室。从上层的窗口和露台，哥白尼得以方便地观测天象。哥白尼的余生就是在这个地方度过的，并在这里写出了他的巨著——《天体运行论》。不过，在十字骑士团侵犯期间，他的手稿、仪器和藏书一度被烧毁。直到1525年的秋天，哥白尼才重新开始写作《天体运行论》。这时，一位名叫安娜的女士出现在哥白尼的身边。出身名门的安娜由衷地敬仰哥白尼，担任了他的管家。在她的帮助下，哥白尼得以全身心地投入到研究和写作中。
哥白尼的日心说理论虽然先进，但是却没有事实的支撑。后来，望远镜出现了，这意味着人们可以把视线放得更远。意大利人伽利略利用这个新发明，来观察星空。通过观察，伽利略证明了哥白尼理论的正确性。
后来，开普勒通过自己的研究纠正了哥白尼理论中的缺陷，即把行星沿着圆形轨道运转改成了沿着椭圆形轨道运转。这些研究告诉人们，我们所居住的地球，包括宇宙中的其他星球，并不是静止不动的，而是沿着特有的轨道不停地运转着。
尽管这些理论有研究支持，但是依然不被大多数人所接受。当然，人们接受一种新的理论毕竟需要时间，但这并不是最重要的原因。关键在于，这种理论本身就存在着无法解释的问题。例如，如果说我们的地球在不停地转动，而且是一个球体，那么居住在地球上的人们为什么不会掉下去呢？时间解决了这个问题。
1687年的时候，艾萨克·牛顿出版了《自然哲学的数学原理》。牛顿的这部著作在物理学界的地位十分重要，并被认为是物理科学界有史以来最重要的著作。在这部著作中，牛顿提出了一个十分重要的理论，即万有引力定律。这条定律解释了我们为什么不会从地球上掉下去。
万有引力定律认为，宇宙中的任何物体都会被另外一种物体所吸引，当物体的质量越大时，其本身所具有的引力也就越大。正是这种引力，决定了每颗星球的运转轨道，也决定了地球为什么围绕着太阳转而不是太阳围绕着地球转，这是因为太阳的质量和引力比地球大。
此外，牛顿还在《自然哲学的数学原理》中解释了时间和空间以及物体是如何在空间和时间中运转的问题。牛顿认为时间和空间是绝对的。所谓绝对时间就是指，时间不论在哪里、在哪种状态下，都会按照其自身的本质不变地、均匀地流动着，与任何外界现象都没有关系。而绝对空间就是指，空间就好像一个巨大的容器一样，为物体的运动提供了场所。不论是把物体放进这个容器，还是取出这个容器，都不会给这个空间本身带来什么改变。这个绝对空间理论的实质就是，空间是均匀且不动的。
总的来说，牛顿的绝对时间和空间理论把时间和空间与物质和物质运动隔离开来。正因为这样，这个理论本身才存在着许多矛盾。牛顿本人也意识到了。正如爱因斯坦所说：“牛顿自己比他以后的许多博学的科学家都更加清楚他思想结构中的固有缺点。”
在19世纪后半叶，马赫出版了《力学史》，在这部著作中马赫尖锐地批评了牛顿的绝对时间和绝对空间。马赫认为，牛顿所提出的绝对时空观脱离了经验事实，是站不住脚的。马赫的这种观念对爱因斯坦产生了深刻的影响。
1865年，麦克斯韦发表了《电磁场的动力学理论》，从波动方程中得出了电磁波的传播速度，并且证明电磁波的传播速度只取决于传播的介质。
后来，赫兹把麦克斯韦的波动方程进行了改造，使这个方程变得更加简洁。此外，赫兹还提出，电磁波的波速与波源的运动速度完全没有关系。赫兹的这个观点与伽利略的变换观点存在着一定的矛盾。伽利略为了解决有关时间和空间的问题，花费了大量的精力进行研究。最终伽利略提出了相对性原理，即一个相对于惯性系统做匀速直线运动的系统，其内部所发生的一切力学过程都不会受到此系统作为整体的匀速直线运动的影响。
洛伦兹为了解决这个矛盾提出了新的观点，即长度收缩假说。后来，洛伦兹又投入了大量的精力进行研究，洛伦兹所研究的理论甚至已经接近爱因斯坦的狭义相对论，但是由于其理论的逻辑太过混乱，最终与狭义相对论失之交臂。
后来，法国一位科学家彭加勒开始质疑洛伦兹的长度收缩假说理论和批判牛顿的绝对时空理论。最终这位科学家的思想开始靠近相对性原理，他的研究也越来越接近狭义相对论的内容。但是，彭加勒还没有正式发表论文的时候，爱因斯坦的论文《论动体的电动力学》就已经抢先一步横空出世了。
爱因斯坦的狭义与广义相对论
1879年3月14日，阿尔伯特·爱因斯坦出生在德国的西南一隅乌尔姆市。在中世纪的时候，德国对乌尔姆市的印象是：“乌尔姆人都是数学家。”这种评价与后来成为物理学家的爱因斯坦倒是非常相配。但是，爱因斯坦早期并不喜爱数学，甚至认为数学对物理研究并没有那么重要。但是，这种看法随着爱因斯坦对物理深入的研究而改变了。
爱因斯坦早年曾在瑞士的苏黎世大学担任编制外物理讲师的职位，当时爱因斯坦被分派的课时是星期二和星期六早上的七点至八点。苏黎世大学规定，大学生们有权利选择是否去听编制外讲师的课。所以，默默无闻的爱因斯坦在第一次讲课时，只迎来了三位学生，而这三位学生还都是爱因斯坦的朋友。
那个时候的爱因斯坦作为一名讲师，经常不能很好地备课，所以在讲课的时候频频出错。因此，爱因斯坦在每次讲完课之后，都会惯性地问道：“谁来告诉我，我在什么地方出错了没有？”当有学生指出爱因斯坦有关数学上的错误时，爱因斯坦往往会说：“我经常告诉你们，我的数学从来就不怎么样。”
在爱因斯坦还只是一名中学生的时候，突然想到了一个问题：如果以光速追随另外一条光线运动，那么我们将会看到，这条光线就好像是一个在空间中震荡而停滞不前的电磁场。可是这种现象，是以往的物理知识所无法解决的。爱因斯坦开始尝试着解决这个问题，但是都失败了。因为那个时候的爱因斯坦比较偏重于前人的经验，而不是自己创新一些理论。
后来爱因斯坦打破了传统的物理观念，创造出了属于自己的理论，即狭义相对论。在这个理论中，爱因斯坦重新创造了有关时间和空间的概念。
如今，人们都已经接受了爱因斯坦的相对论理论。但是，当爱因斯坦刚刚提出相对论的理论时，受到了不少人的抨击。因为在那个时候，经典物理学理论已经相当完善且深入人心，当时的物理学界大多数人都认为，有关物理的理论已经大功告成，后人们的工作就是不断地提高计算的能力和精准度。但就在这时，爱因斯坦提出了与经典物理学相悖的狭义相对论。
爱因斯坦的狭义相对论认为，物质的运动、时间与空间并不是孤立存在的，而是相互联系在一起的。物体在运动的时候，速度在不断增加的同时，其质量也在增加，而空间和时间也会随着物体的运动而出现变化。
爱因斯坦的相对论理论是现代物理学的理论基础之一，主要解决有关物质运动与时间、空间的关系问题。在狭义相对论中，爱因斯坦认为光速永远保持不变，就任何参考系统而言，在真空中光的传播速度都是c=300000km/s。目前为止，光速是最快的。这是因为光是一种电磁波。
狭义相对论还认为：在任何惯性系统中，物理规律也是保持不变的。只要承认了上述两个观念，那么就已经接受了狭义相对论，从而也放弃了牛顿的绝对时间和绝对空间理论。
在爱因斯坦的相对论中，爱因斯坦本人希望人们能放弃所有通过时钟测量得到的普遍时间概念。因为每个人都应该有他自己的时间值，即两个人如果是相对静止的，那么他们的时间值就是一致的；如果他们之间存在着相互运动，那么他们所观察到的时间将会不同。也就是说，你所置身其中的速度将会决定你的时间。
爱因斯坦的上述理论在当时的许多人看来都是不可理解且荒唐的。但是大量的实验已经证明了爱因斯坦上述理论的正确性。一个围绕着地球旋转的精确时钟与放在实验室内相对静止的精确时钟相比，两者在时间上确实存在着差异。
爱因斯坦的相对论认为，当速度与光速相同时，时间就会静止；而速度超过了光速，时间就会倒流。如果你想延长自己的寿命，那么你可以试着乘坐飞机向东飞行。这样一来，飞机的速度叠加上地球旋转的速度，你就可以获得零点几秒的生命延长。
此外，爱因斯坦还提出了一个质量能量方程，即E=mc2。起初人们都不相信爱因斯坦的这个公式，直到原子弹爆炸的时候，人们才彻底相信爱因斯坦的公式和相对论，并认为爱因斯坦就是“原子弹之父”。但是爱因斯坦本人并未承认过，因为他认为自己的理论是造福人类，而不是制造出杀伤性这么巨大的核武器。而且，爱因斯坦本人并未参加原子弹的制造过程，只是一些美国科学家利用了爱因斯坦的公式。
爱因斯坦的这个公式认为，任何物质在通常情况下都包含着巨大的能量，只是没有找到向外释放的途径而已。
爱因斯坦是在1905年提出狭义相对论的，那一年被称为“物理年”。但是狭义相对论本身也存在着一定的问题，后来爱因斯坦在1907年的时候提出了广义相对论的基本原理。经过不断地丰富和充实，他在1915年发表了关于广义相对论的论文《广义相对论基础》。广义相对论主要针对引力问题进行探讨，在狭义相对论的基础上，进一步讨论关于时空结构与物质分布之间的关系，并且提出时空“弯曲”。
爱因斯坦的广义相对论认为，引力场可以造成空间的扭曲。引力场的极致会使时间和空间变得扭曲起来，从而使光都无法逃逸出去。而黑洞就是这样一个引力十分巨大的天体，不论什么都会被其吞噬。但是，爱因斯坦本人并不相信宇宙中存在黑洞这样引力巨大的天体，而以史蒂芬·霍金为首的大多数物理学家都相信宇宙中存在着能够吞噬一切的黑洞。
【伽利略的相对性原理】
有关相对性的原理是伽利略首先提出来的，伽利略本人对这个理论的解释是这样的：假设你和几位朋友被关在一条大船的甲板下面，这条船在物理学中被称为“萨尔维柯蒂之船”。这里的空间很充足，跟你一起来到这里的除了朋友外，还有一些苍蝇、蝴蝶和其他小飞虫。这个时候，你找到了一个大木桶，并往木桶中蓄满了水，木桶里面还放了几条鱼。然后，你需要找一个装满水的瓶子挂起来，让这个瓶子中的水一滴一滴地滴到下面的一个细颈瓶子中。在船静止不动的时候，你会看到小飞虫、苍蝇和蝴蝶在这个封闭的空间中以相同的速度飞向不同的方向；木桶中的鱼以相同的速度游往不同的方向；瓶子中的水永远滴到下面的细颈瓶子中。你可以试着把任何东西扔给你的朋友，只要距离是相同的，尽管方向不同，但是所用的力量是相同的。就好像你立定跳远一样，无论你跳往哪个方向，距离都是一样的。
那么，你所观察到的上述现象会不会受到船速的影响呢？伽利略认为，只要你能保证船只的运动是匀速的，不会忽左忽右地摆动，不论船只的速度是多少，你所看到的现象都不会因此而改变。同样，你也不能通过对上述几种现象的观察，来确定船只是否正在运动，或许你所乘坐的船正在全速前行，或许是静止不动。而这种现象就是伽利略所说的相对性原理。