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除了所有与足球相关的日常用品，那年的圣诞树下还有一样不寻常的东西。那是一本 词典 ，一本经典的柯林斯词典，必要时能当路障的那种。我不明白爸妈为什么会觉得给他们10岁的儿子买一本字典是合适的，而且那时候的我对字词根本不感兴趣。那年头的我只有两个爱好：利物浦足球俱乐部和数学。如果我父母觉得这份礼物能拓宽我的视野，那他们就大错特错了。我研究了一会儿我的新玩具，觉得我至少可以用它来查找特别大的数。开始我查“十亿”（billion），然后是“万亿”（trillion），没过多久，我又发现了“千的五次幂”（quadrillion）。游戏继续，直到我偶然翻到真正了不起的大数字，“百万的一百次幂”（centillion）。600个零！当然，这些都是我们接受短标度数字系统之前的古英语词汇。如今的“centillion”只有303个零，正如“billion”也只有9个零，而不是12个。
但游戏到此为止。我的字典里没有“古戈尔普勒克斯”，没有葛立恒数，更没有TREE（3）。要是在当时，我肯定会爱上这些庞大的数。这些神奇的数字能带你去往理解力的边缘和物理学的极限，并揭露关于我们身处的现实本质的基本原理。但我们的旅程从另一个大数字开始，它也不在我的柯林斯词典里：1.000 000 000 000 000 858。
我想你应该很失望。我答应过你，要带你去看超级大数，但这个数看起来一点儿也不大。就连亚马孙雨林里的皮拉罕人都能说出比它更大的数，哪怕他们的数字系统里只有“
hoí
”（1）、“
hói
”（2）和“
báagiso
”（很多）。更糟糕的是，它甚至不是一个可爱或者优雅的数字，就像π或者
那样。从每一个可感知的角度来说，这个数看起来都寻常得异乎寻常。
这一切都是对的，直到我们开始思考空间和时间的特性，以及人类与时空互动的极限。我之所以选择这个数，是因为它从自己的尺度上来说是一个
世界纪录
，揭露了我们从物理上干涉时间特性的能力。2009年8月16日，牙买加短跑选手尤塞恩·博尔特将他的钟拨慢了1.000 000 000 000 000 858倍。在此之前，没有任何人曾把时间放慢到这种程度，至少是在不用机械辅助的情况下。你也许记得这个事件的另一个版本，博尔特在柏林田径世锦赛上打破了百米世界纪录。那天，韦尔斯利和詹妮弗·博尔特在运动场边观赛，他们的儿子在60～80米赛道标牌之间的最高速度达到了27.8英里
/小时（约12.42米/秒）。在那短暂的时间里，韦尔斯利和詹妮弗经历的每一秒都比他们儿子经历的更长一点。确切地说，尤塞恩经历的1秒相当于他父母经历的1.000 000 000 000 000 858秒。
要理解博尔特如何能让时间变慢，我们需要让他加速到光速。我们需要问，如果他能追上光，会发生什么。如果你愿意，你可以称之为“思想实验”，但别忘了，博尔特在北京奥运会上成功打破了3项世界纪录，虽然当时赛前他吃的是鸡块。想想吧，要是吃得更像样一点，他能达到什么样的高度。
要让人类有可能追上光，我们必须假设光行进的速度是有限的。这件事绝非显而易见。当我告诉我的女儿，光不是瞬间就能从书本抵达她的眼睛的，她立刻表示怀疑，并坚持要做实验来验证这是不是真的。如果不小心太接近实验物理，我通常会撞得鼻子流血，但我的女儿似乎学到了更多实践技巧。她设计的实验如下所述：关掉卧室灯，然后再次打开，计算出光需要多长时间才能照到你身上。这和400年前伽利略及其助手用有盖的灯笼做的实验完全相同。和我女儿一样，当时他得出结论，光速“即便不是瞬时抵达……也非常非常快”。快，但有限。
到了19世纪中期，物理学家开始深入研究一个相当精准但有限的光速值，如名字十分奇特的法国人伊波利特·斐索（Hippolyte Fizeau）。不过，要正确理解追上光意味着什么，我们首先得关注一下出生于苏格兰的英国物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（James Clerk Maxwell）那项了不起的研究。我们可以从中看到数学和物理之间美妙的协同作用。
当麦克斯韦思考电和磁的行为时，已经有迹象表明，它们可能是同一枚硬币不同的两面。例如，迈克尔·法拉第（Michael Faraday，尽管法拉第没有接受过正规的教育，但他仍是英国最有影响力的科学家之一）此前已经发现了感应定律，这表明一个不断变化的磁场会产生电流。法国物理学家安德烈-玛丽·安培（André-Marie Ampère）也在这两种现象之间建立了联系。麦克斯韦采纳了他们的想法和相应的公式，并试图从数学角度将它们严谨地整合起来。但他发现了一个矛盾之处，即在特定情况下，一旦电流出现波动，安培的定律就会违反微积分规则。麦克斯韦以水流遵循的方程为类比，改进了安培和法拉第的研究结果。通过数学推理，他发现了电磁拼图缺失的板块，并由此呈现了一幅前所未有的优雅而美妙的画面。正是麦克斯韦开创的这套策略拓宽了21世纪物理的疆界。
麦克斯韦建立了一套数学上一致的理论，将电和磁整合为一体，然后他发现了一些神奇的事情。他的新方程允许存在波形式的解，一道 电磁波 ，其中电场在一个方向上起伏，磁场在另一个方向上波动。要理解麦克斯韦的发现，我们不妨想象一下，有两条海蛇正扭动着向你游来。它们在水中沿同一条直线前进，“电”蛇上下扭动，“磁”蛇左右扭动，更糟糕的是，它们游向你的速度高达310 740 000米/秒。这个类比的最后一点可能最可怕，但这也是麦克斯韦的发现中最了不起的部分。你看，310 740 000米/秒，这的确是麦克斯韦算出的电磁波的速度，它就这样从他的方程中冒了出来，仿佛数学领域的弹簧玩偶盒子。奇怪的是，这个数字还很接近斐索等人测得的 光速 约略值。记住，根据当时人们的认知，电、磁和光毫不相关，可是现在它们看起来由行进速度相同的波组成。现代测得的真空光速值是299 792 458米/秒，但麦克斯韦方程中使用的参数也具有很高的准确性，所以这奇迹般的巧合依然维持了下来。正是因为这样的巧合，麦克斯韦意识到，光和电磁波必然是同一种东西：通过数学，我们在物理世界中看到的那些看似毫不相关的两种特性之间竟然建立了惊人的联系。
还有更棒的。麦克斯韦的波不仅包含光。根据它们的振荡频率，或者换句话说，根据“海蛇”从一边扭动到另一边的速率，这些波形式的解还描述了无线电波、X射线和伽马射线，尽管它们的频率各不相同，但速度全都一样。1887年，德国物理学家海因里希·赫兹（Heinrich Hertz）实际测量了无线电波。当被问到他的发现意味着什么的时候，赫兹谦逊地回答：“其实它没什么用处。只是通过实验证明了麦克斯韦大师是对的。”当然，每当我们把收音机调到想要的频率，这总会提醒我们赫兹的发现带来的真正影响。即便赫兹对自己的重要性轻描淡写，但他称麦克斯韦为大师的确实至名归。归根结底，物理学历史上最优雅的数学交响乐是在麦克斯韦的指挥下奏响的。
在阿尔伯特·爱因斯坦彻底改变我们对空间和时间的理解之前，人们普遍认为，光波需要一个介质来传播，就像海浪需要借助水体来传播一样。这种想象中的光的传播媒介被称为“ 光以太 ”。我们暂且假设，这种介质真的存在。要让尤塞恩·博尔特追上光，他必须得以299 792 458米/秒的速度在光以太中奔跑。如果他真的达到了这个速度，那么在他和光线并肩奔跑的那一刻， 他会看到什么 ？光将不再远离他，它会变成一道看起来上下左右振荡的电磁波，但实际上完全没有动（想象一下，那两条“海蛇”在来回滑行，但最终停留在海里的同一个地方）。但在麦克斯韦定律之下，没有明显的允许这种波存在的方式，这意味着物理定律必须彻底革新，才能容纳这位动力超强的牙买加短跑选手。
这令人不安。当爱因斯坦得出相同的结论时，他意识到，追上光的想法肯定有哪里不对。麦克斯韦的理论太优雅了，我们不可能仅仅因为某个人碰巧跑得很快就抛弃它。爱因斯坦还需要找到一种方法来解释1887年春天，人们在俄亥俄州克利夫兰做的一项实验的奇怪结果。当时，美国物理学家阿尔伯特·迈克尔逊（Albert Michelson）和爱德华·莫雷（Edward Morley）试图通过几面巧妙放置的镜子测量地球在光以太中运动的速度，但他们得到的答案总是零。如果这个答案是对的，就意味着地球和太阳系内外的几乎所有行星都不一样，它运动的速度和方向 恰好 和充斥整个空间的光以太一模一样。正如我们在本书后面即将讲到的那样，这种巧合没有合理的原因往往不太可能发生。最简单的真相就是，不存在光以太——麦克斯韦大师总是对的。
爱因斯坦指出，麦克斯韦定律，或者更确切地说，其他任何物理定律， 恒定不变 ，无论你跑得多快。如果你被锁在一个没有窗户的船舱里，无论你做什么实验，都不可能测出自己的绝对速度， 因为“绝对速度”这个概念根本就不存在 。加速度则是另一回事，这个我们稍后再聊，只要船长指挥船只相对于海面以恒定速度航行，无论是10节、20节，还是接近光速，你和船舱里的其他受试者完全察觉不到任何区别。而对尤塞恩·博尔特来说，现在我们知道，他的追逐是徒劳的。他永远不可能追上光，因为麦克斯韦定律恒定不变。无论跑多快，他都会看到光似乎正以299 792 458米/秒的速度远离自己。
这一切都很反直觉。如果一只猎豹以每小时70英里的速度在非洲平原上奔跑，博尔特以每小时30英里的速度紧随其后，那么按照日常的逻辑，这只猎豹和博尔特之间的距离每小时会增加40英里。原因很简单，我们可以算出二者之间的相对速度：70英里/小时-30英里/小时=40英里/小时。但如果我们说的是一道光线以299 792 458米/秒的速度穿过平原，那么无论博尔特跑得多快，这道光线相对于博尔特的速度永远都是299 792 458米/秒。光会一直以299 792 458米/秒的速度 [1] 前进，相对于这片非洲平原，相对于博尔特，相对于一群受惊的黑斑羚。这都不重要。我们可以用一句话来总结：
光速就是光速。
爱因斯坦肯定喜欢这个。他总是说，他的理念应该被命名为“不变性理论”（the Theory of Invariance），重点关注它们最重要的特征，即光速的不变性和物理定律的不变性。“相对论”一词由德国物理学家阿尔弗雷德·布赫雷尔（Alfred Bucherer）提出，讽刺的是，当时他是为了批判爱因斯坦的研究而提出这一理论的。我们称之为“ 狭义 相对论”就是为了强调这个事实：前面的所有描述都只适用于匀速运动，换句话说，没有任何加速度。要描述加速运动，比如猛踩油门的一级方程式赛车手或者点火升空的火箭，我们需要更普遍、更深刻的东西——爱因斯坦的 广义 相对论。我们将在下一节里详细讨论它——等我们潜入马里亚纳海沟底部的时候。
现在，我们先专注于爱因斯坦的狭义相对论。在我们的案例里，我们假设博尔特、猎豹、黑斑羚和光都以恒定速度相对于彼此运动。它们的速度可能不同，但都不会随着时间的变化而变化，最重要的是，尽管它们的速度各不相同，但每个人（或动物）都能看到光以299 792 458米/秒的速度远离自己。正如我们已经看到的那样，这种对光速的普遍感知肯定与我们对相对速度的日常理解相矛盾，即相对速度等于一个速度减去另一个。这只是因为你还不习惯以接近光速的速度行进。如果你习惯了，你看待相对速度的眼光会大不相同。
问题在于时间。
你看，在你的想象中，你一直觉得天空中有一面巨大的时钟，告诉我们所有人时间。你也许不会 意识 到自己有这个想法，但你就是这么想的，尤其是当你借助内心坚信的常识，用减法来计算相对速度的时候。抱歉我要让你失望了，这面绝对的时钟是个幻觉。它并不存在。真正有用的是你的手表，或者我的手表，或者一架飞过大西洋上空的波音747飞机上嘀嗒作响的钟表。我们每个人都有自己的时钟、自己的时间，这些钟不一定一致，尤其是有人在以接近光的速度狂奔的时候。
假设我跳上了一架波音747飞机。飞机从曼彻斯特起飞，在它到达利物浦的英国海岸之前，这架飞机一直以每小时数百英里的速度巡航。我决定朝几米外的机舱对面扔一个球，这让其他乘客非常恼火。我妹妹苏西（她正好住在利物浦）正好在飞机下方的海滩上，从她的角度来看，这个球移动了很远，差不多有200多米。乍一看，这和我们日常的时间概念似乎没什么明显冲突。毕竟，这个球正好被一架快速运动的飞行器驮着——她当然会看到它跑得更远。不过现在，我们用光来做一个类似的游戏。我打开机舱地板上的一盏灯，发出一道向上的光线，垂直于飞机的行进方向。在很短的时间内，我看到这道光抵达了机舱的天花板上。如果苏西能看到机舱里面，她会看见这道光沿着一条斜线从地板照到了天花板上，它不光向上运动，还随着飞机水平运动。
她看到的斜线距离比我测得的垂直距离要长。这意味着她看到的光线比我看到的行进得更远，但她看到的光行进的速度和我看到的一样。这只能说明一件事，即对苏西来说，这道光花了更长的时间来完成这段旅程。从她的角度来看，飞机内部的时间必然流逝得更慢。这种物理现象被称为“时间膨胀”。
海滩上的苏西看到的光线运动轨迹
时间变慢的程度取决于相对速度，我相对于我妹妹的速度，尤塞恩·博尔特相对于他在柏林的父母的速度。你越接近光速，时间就变得越慢。博尔特在柏林奔跑的时候，他的最高速度是12.42米/秒，因此时间变慢的因数是1.000 000 000 000 000 858。 [2] 这是人类相对性的纪录。
让时间变慢还有另一个后果，即你老去的速度也会变慢。对尤塞恩·博尔特来说，他变老的时间比当时在柏林体育场里观赛的其他人慢了大约10飞秒。1飞秒看起来似乎不多——只相当于百万分之一的十亿分之一秒，
但他的确老得慢了一点
，所以当他停下来的时候，他已经跳进了未来，哪怕程度非常轻微。如果你不爱跑步，你可以借助一些机械辅助来让时间变慢，甚至有可能做得更好。俄罗斯宇航员根纳季·帕达尔卡（Gennady Padalka）在“和平号”空间站和国际空间站度过了878天11小时31分钟，其间，他一直以大约每小时17 500英里的速度绕地球运行。执行任务期间，相对于地球上的家人，他向前跳跃了创纪录的22毫秒。
你不必成为宇航员也能以这种方式完成时间旅行。如果一个出租车司机每周在城里开40个小时车，等到40年后，这名司机会比不开车的自己年轻零点几微秒。如果毫秒和微秒不足以让你动容，就想想搭着“突破摄星”计划的便车前往南门二的细菌吧。“突破摄星”计划是身家亿万的风险投资家尤里·米尔纳（Yuri Milner）的智慧结晶，他计划研发一艘能以1/5光速飞往距离我们最近的恒星系的光帆飞船。南门二大约在4.37光年外，所以我们得在地球上等待超过20年，它才能完成这段旅程。但对这艘光帆飞船和飞船上的“偷渡”细菌来说，旅程只持续了不到9年的时间。
说到这里，你或许已经发现一些可疑之处。以1/5光速航行9年，这些无畏细菌行进的路程只有不到2光年——还不到南门二和地球距离的一半。尤塞恩·博尔特的情况也一样。我告诉过你，他奔跑的时间比你可能以为的要少10飞秒，这意味着他实际上没跑那么远。这是对的，他的确没跑那么远。从博尔特的角度来说，跑道以12.42米/秒的速度相对于他运动，所以它必然缩短了大约86飞米，差不多相当于50个质子的宽度。你甚至可以争辩说，他实际上没有完成比赛。对飞船上的细菌来说，地球和南门二之间的空间正在高速运动，因此它的长度会缩短为不到原来的一半。这种空间的压缩，或者柏林体育场跑道的压缩，被称为“长度收缩效应”。所以你看，奔跑不仅会让你老得更慢，还能让你看起来更瘦。如果你奔跑的速度接近光速，那么观众眼中的你会变得像煎饼一样扁平，这是因为你占据的空间发生了收缩。
你应该担心的还有别的一些事情。我刚才说了，跑道以12.42米/秒的速度相对于尤塞恩·博尔特运动，这意味着他的父母也以完全相同的速度相对于自己的儿子运动。但基于我们目前已经阐明的事情，这意味着博尔特会看到父母的时钟变慢，这太奇怪了，因为我已经告诉过你，他们也会看到儿子的时钟变慢。事实上，这正是实际发生的事情：韦尔斯利和詹妮弗眼里的儿子是慢动作的（！），而博尔特眼里的他们也是慢动作的。但 真正 令人困扰的地方在这里：我说过，跑完这场比赛的博尔特比静止站着的他年轻了10飞秒。难道我们就不能把所有事翻转过来，从博尔特的角度来看吗？他看到父母的时间走得更慢，所以老得更慢的人是他的父母？看来我们遭遇了一个悖论。这被称为“ 双生子 佯谬”，因为人们常用一对双胞胎来解释这种现象，但不幸的是，尤塞恩·博尔特没有双胞胎兄弟。事实上，老得更慢的人是博尔特，他会年轻一点点。但为什么是他，而不是他的父母呢？
要回答这个问题，我们必须考虑加速度扮演的角色。记住，前面我们讨论的一切都适用于 没有 加速度的恒定运动。在那段时间里，博尔特以12.42米/秒的速度匀速奔跑，他和他的父母处于我们说的“惯性”状态。这只是表达他们没有加速度的一种高级说法——他们不会感觉到任何促使自己加速或减速的外力。只要符合这种情况，就满足狭义相对论定律的应用条件，所以博尔特会看到自己的父母是慢动作的，反之亦然。但是，博尔特不会在整场比赛中都保持恒定速度：他的速度会从零加速到最高，最后减缓。在加速或减速的时间段里，他相对于父母是 非惯性的 。加速运动是另一种怪兽，比如把你锁在一间船舱里，如果船只加速，你肯定知道，因为你会 感觉 到作用在自己身体上的力。过高的加速度甚至可能会要了你的命。博尔特倒是没有送命的风险，但他的加速和减速足以打破他和父母之间的对等。这样的不对称解决了悖论——只要将博尔特的加速运动仔细地纳入考量之中，进行更详细的分析，你就会发现，在场的所有人，老得慢一点的那个的确是博尔特。
认识到这一点很重要，这不仅仅是一串有趣的方程，还是已经 被测量出来 的真实效应。人们已经看到，快速运动的原子钟比静止的对照钟走得更慢，“老得更慢”，就像柏林的博尔特一样。进一步的证据来自一种名叫渺子的微观粒子，它消失的速度也明显变慢了。渺子很像原子内绕核运行的电子，但它的重量大约是电子的200倍，而且寿命比电子短得多。只要大约百万分之二秒，它就会衰变成一个电子和一些名叫中微子的中性小粒子。在纽约布鲁克黑文国家实验室进行的一项实验中，渺子在一个44米长的环里被加速到光速的99.94%。考虑到它们短暂的寿命，人们预计渺子只能转15圈，但不知为何，它们转了438圈。这并不是说它们活得更久了——如果你以相同的速度和它们一起行进，你仍然会看到渺子在百万分之二秒后衰变——与此同时，你还会看到，这个环的周长缩短为原来的1/29。渺子之所以能转438圈，是因为长度收缩让它们要走的路程变短了。
长度收缩和时间膨胀帮助我们理解了为什么没有东西（甚至包括尤塞恩·博尔特）能比光速更快。随着博尔特越来越接近光速，他的时间会越来越慢，以至于近乎停滞，而他前面的距离会缩短到近乎零。时间还能如何再继续变慢呢？距离又如何能继续缩短呢？这是一条死胡同。现在，光速成了一道藩篱，唯一合理的结论是，谁都没法跑得比它更快。
在博尔特加速接近光速的过程中，他需要用越来越多的能量来尝试进一步加速。光速就像一道高耸得不可逾越的藩篱，所以最终他的速度会趋于恒定，加速会减缓。越接近光速，加速就越难。他对加速的抵抗，或者换句话说，他的 惯性 ，会越来越大。这就是试图加速到光速时我们会面临的问题：惯性会膨胀到无限大。
这种惯性 来自哪里 呢？博尔特带到这个系统里的东西只有能量，所以博尔特多出来的惯性必然来自这些能量。能量永远不会消失，它只会变换自己的模样，从一种形式转换为另一种形式。因此，惯性必然是能量的一种形式， 就算是在博尔特静止不动的时候也一样 。真正酷的是，如果博尔特静止不动，我们可以确切地知道他的惯性有多大：惯性相当于他的质量，质量越大就越难移动。质量和能量实际上是一回事，正如爱因斯坦的公式所示 [3] ： E = mc 2 。这个方程的可怕之处在于，你可以从质量（ m ）中获得多少能量（ E ），取决于光速（ c ）这个巨大的值。静止的尤塞恩·博尔特体重约95千克，如果把这些质量全都转换成能量，它相当于20亿吨TNT（三硝基甲苯，一种炸药）。这比广岛原子弹爆炸时释放的能量还要大10万倍。
现在我们来聊聊时空。
等等。你说什么？这话是从哪儿来的？事实上，我们刚才一直在聊时空。长度收缩，时间膨胀。在前面这些小插曲中，时间和空间被拉长、压缩，形成了完美的串联。所以，毫不意外的是，这二者之间有关系，它们应该是某个更宏大的东西的一部分。受爱因斯坦理念的启发，立陶宛-波兰科学家赫尔曼·闵可夫斯基（Hermann Minkowski）朝时空迈出了第一步。他宣称：“空间本身和时间本身消融成了微薄的影子，只有这二者的融合体幸存了下来。”相当精彩的是，闵可夫斯基曾在苏黎世联邦理工学院教过年少的爱因斯坦，但在他的记忆中，爱因斯坦是个“从不操心数学”的“懒骨头”。
闵可夫斯基说的时空到底指的是什么？要理解这一点，我们必须从空间的3个维度着手。之所以有3个维度，是因为你需要列出3个独立的坐标才能确定自己的空间方位。想想你的两个GPS坐标，再加上你的海拔高度。现在，看看你的表，记下时间。暂停30秒，再看一眼表。在你看表的这两个时刻，你在空间中的位置没变，但在时间中的位置变了。我们可以通过分配一个时间坐标来表示每个特定事件发生的时刻来区分它们。这样一来，我们就有了第四个独立的坐标——第四个维度。把它们放在一起，我们就得到了时空。
要正确领会时空的优雅，我们应该想想如何测量距离，首先是空间距离，然后是时空距离。空间中的距离可以通过勾股定理来测量。你可能还记得中学的关于三角形的勾股定理——斜边的平方等于另外两条边的平方和，但这条古老的定理所蕴藏的含义比你原本可能以为的多得多。要理解这是为什么，我们首先建立一对互相垂直的轴，如下图（左）所示。
相对于这两条轴，
P
点的坐标是（
x，y
），根据勾股定理，已知P和原点之间的距离
。如果我们将这两条轴绕原点
O
旋转，如上图（右）所示，然后定义一套新的坐标（
x′，y′
），
P
点和原点之间的距离显然不变，那么勾股定理依然有效：
这正是勾股定理的美妙之处：哪怕你旋转坐标系，它仍能保持不变。
现在轮到时空了。闵可夫斯基的理论让我们把空间和时间融为一体。当然，我们真正想要的是把空间的3个维度和时间的1个维度融为一体。但为了稍微简化一点，我们只取一个空间维度，将它的坐标记为x，并将它和标记为t的时间坐标放到一起。要测量时空中的距离d，闵可夫斯基认为，我们应该使用勾股定理的一种奇怪形式，它的方程如下：
d 2 =c 2 t 2 -x 2
我知道你想问什么：那个减号。这是怎么回事？我们会讲到的，不过首先我们需要理解c
2
t
2
这个项。我们想测量距离，但显而易见，时间不是一段距离。要把它转换为距离，我们需要用它乘以一个速度，还有什么比光速更合适的呢？这意味着c
2
t
2
可以被解读为距离平方的单位，这正是我们使用勾股定理时需要的东西。现在来说说减号。当我们旋转时空坐标轴的时候——观察者的参考系从相对运动的一个对象转换为另一个对象，如从尤塞恩·博尔特的父母转换为他本人——测得的时空距离也应该保持不变。这种“旋转”的正式名称是“
洛伦兹变换
”，它包含了让相对论物理如此精彩而疯狂的所有时间膨胀和空间压缩。要在相对运动的惯性观察者之间完成这种转换时保持时空距离不变，这个神秘的减号正是关键所在。也许光最容易看明白这件事，它正以
的速度在空间中行进。将这个式子代入闵可夫斯基的方程
[4]
，我们会看到光和时空原点的距离是
零
。无论我们怎么“旋转”时空坐标，它的原点都不会变，所以光在所有观察者眼中必然都一样。空间中任何事物都不可能跑得比光更快，而在时空中，光根本就不会移动。这正是它的特别之处。
那你呢？你在时空中是什么样的？呃，假设你正舒舒服服地坐在一把椅子上读这本书。无论你正在做什么，我们都知道你在相对于自己的空间中是静止的，但在时间中运动，所以你必然在时空中运动。你运动的速度有多快？用时空距离公式来计算，当x=0时，我们算出
所以显而易见，你在时空中以
的速度运动。换句话说，你在时空中以光速运动。其他人也一样。
闵可夫斯基将时空坐标和对时空距离的测量结合在一起，由此构建了一幅非常优雅的四维几何物理学图景。如果用这种新语言来书写麦克斯韦的那些方程，它们就会变成一种非常简单的形式。将空间和时间拆开，这就像透过浓雾观察世界。而将它们融为一体，一个极度美妙且简洁的世界就此呈现。这就是为什么学习理论物理学是一件如此精彩的事情，你了解得越多，它就变得越简单。这方面最明显的例子可能是，爱因斯坦用几何征服了引力，才看到引力是一种假象。后面我们将一如既往地借助时间膨胀来讲述这个故事。不过，我们既不会和尤塞恩·博尔特一起并肩奔跑，也不会和根纳季·帕达尔卡一起在空间中飞驰。我们将潜入地心，那里的时间走得比地面上稍微慢一点。
“正是那种与世隔绝的感觉，比任何事都让你更深刻地意识到，在这个庞大、广阔、漆黑、未知、无人探索过的地方深处，你是多么渺小。”这句话是加拿大电影导演詹姆斯·卡梅隆（James Cameron）说的。字里行间流露出一种显而易见的恐惧，一种失去控制，完全仰仗某种更宏大之物赐予怜悯的感受。这句话即便放在他那部著名的电影《泰坦尼克号》的剧本中也毫不突兀。事实上，这是他从马里亚纳海沟底部“挑战者深渊”（地球海床上已知最深的地方，距离海平面差不多有11千米）归来后的感受。2012年3月26日，卡梅隆乘坐深潜器“深海挑战者号”抵达了那里，并在那个陌生的世界里（地球上环境最恶劣的地方之一）孤身一人探索了3个小时。
卡梅隆是继50年前美国一支海军小队完成这一壮举之后下潜到这个深度的第一人，也是第一个独自抵达那里的人。不过，最惊人的事实或许是，从那里回来以后，他在时间纬度中向前跳跃了13纳秒。
卡梅隆之所以会跃入未来，不是因为他的速度很快，就像尤塞恩·博尔特或者根纳季·帕达尔卡那样，而是因为他下潜的 深度 。你看，当你潜入一个引力阱深处时，时间也会变慢。对卡梅隆来说，是下潜得离地心更近。这是一种广义相对论效应——这套考虑了引力的相对论是爱因斯坦天才智慧的佐证。由于卡梅隆花了很长时间探索那道深渊，所以他积累了引力造成的可观的时间膨胀。话说回来，有史以来最靠近地心的是那支参与了俄罗斯2007年“Arktika行动”的探险队。2007年8月2日，潜艇驾驶员阿纳托利·萨加列维奇（Anatoly Sagalevich）、极地探险家阿图尔·奇林加罗夫（Artur Chilingarov）和商人弗拉基米尔·格鲁兹杰夫（Vladimir Gruzdev）搭乘“和平1号”潜艇首次下潜到北极点海面下方约4 261米深的北冰洋海床上。这看起来似乎无法和马里亚纳海沟的深度相提并论，但地球并非是完美的球形。它是一个扁球体，在赤道处略微向外凸出。因此，这支探险队到达的地方距离地心比“深海挑战者号”近得多。在海床上度过了一个半小时后，“和平1号”上的3人在时间中向前跳跃了几纳秒。除了采集土壤和动物样本，他们还竖起一面由防锈钛金属制成的俄罗斯国旗。这个举动遭到了北极圈其他国家的强烈抗议，他们认为，这无异于宣称这片土地属于俄罗斯。俄罗斯人否认了这一点，他们宣称，他们的目的仅仅是证明俄罗斯大陆架一直延伸到北极，并以“阿波罗11号”上的宇航员将美国国旗插在月球上的那一刻来类比。
虽然国际政治不是本书的主题，但在这部分故事里，此类事情绝不遥远。要理解这些深海探索者为何能让时间变慢，以及他们是怎么做到的，我们需要回到20世纪初，那时整个世界战火蔓延，壕沟里流淌着在极端环境下奋战的普通人的鲜血。在那个年代，科学界的战火也在肆虐。英国物理学界一直拒绝接受爱因斯坦关于时间和空间的新观点。英国人比其他任何社群更坚决地固守着以太的概念，毫无疑问，他们以不屈不挠的开尔文勋爵（Lord Kelvin）——威廉·汤姆森为首。他们还拥护着英国科学界的传奇人物艾萨克·牛顿，他的万有引力定律在首次提出近300年后仍屹立不倒。牛顿的万有引力定律能解释许多事情，从行星的运动到索姆河战役中如雨点般坠落的子弹的轨迹。但牛顿的理论也有一些问题，爱因斯坦的工作让它们暴露在了聚光灯下，如远距离的瞬时作用。
要理解这是为什么，请想象一下，如果太阳在一瞬间自发地消失了，会发生什么。当然，我们都会死，但我们要花多长时间才会意识到自己的命运？在一个由牛顿理论主宰的世界里，引力在远距离上的作用是瞬时发生的，所以我们在太阳消失的那一刻就会发现这件事。问题在于，阳光需要8分钟才能抵达地球。从爱因斯坦的角度来说，这意味着我们至少需要8分钟才能收到 任何 来自太阳的信号，包括表明它消失的信号。显然，牛顿和爱因斯坦的理论产生了直接的冲突。虽然爱因斯坦远非传统意义上的爱国者，但一个德国人对牛顿的宝座发起了挑战。鉴于当时正处于第一次世界大战期间，他的这一举动在英国绝不可能受欢迎。
牛顿本人对这种远距离作用也深感不安。他在1692年2月写给学者理查德·本特利的信中写道：“这件事……一个物体可能通过
木有
任何
媒解
的真空对远处的另一个物体产生作用……对我来说，这太荒谬了，我
想信
任何在哲学问题上有思考能力的人都绝不会接受它。”
爱因斯坦最终将解决这些担忧，但要完成这个任务，他要先否定牛顿，并驳斥后者最伟大的发现。他将彻底否定引力的存在。
“引力是假象。”
我喜欢用这个短句作为我高级引力课程的开场白，哪怕它会激怒一部分学生。但这句话是真的，引力的确是一种假象。哪怕在地球上，你也可以进入失重状态，你可以完全抹除引力。如果想亲眼见证，你可以去一趟豪奢的沙漠城市迪拜，爬上哈利法塔的塔顶，这幢全世界最高的建筑直冲云霄，差不多有1 000米高。在那里，你可以钻进一个大盒子，就像老式的英国电话亭那样，但是要遮住所有窗户，然后让人把你从楼顶扔下去。当你随着盒子坠向地面的时候，会发生什么？你将以1g的加速度坠向地面，但 盒子的底部也将得到同样的加速度 。好吧，盒子会受到一点点空气阻力的拖累，但如果空气足够稀薄，你多多少少会进入失重状态，引力就此消失。现在，我承认以这种方式来验证引力十分极端。实际上，你不需要真的从哈利法塔顶部跳下去就能感受到失重效应——开着你自己的车从陡坡上向下冲就足够了。当你的胃里开始翻腾，你很可能已经体会到了这种感觉。在你朝坡底加速的过程中，引力开始消失。每当出现这种情况，我总会提醒自己（以及和我坐在同一辆车里的任何人），你的肚子感受到的正是爱因斯坦凭借他的天才描述的那种效应。
当爱因斯坦发现他随时可以抹除引力的效应时，他说这是他一生中最快乐的想法。引力之死可以一直追溯到伽利略·伽利雷（Galileo Galilei），这位文艺复兴时期的天才是现代科学的奠基人。根据他的学生温琴佐·维维亚尼（Vincenzo Viviani）的描述，伽利略把不同质量的球体从比萨斜塔顶上扔下去，向各位教授和学生展示，它们如何以相同的速率坠落。这与亚里士多德的古老宣言相矛盾：更重的物体坠落得更快。虽然伽利略到底有没有真正做过这样的演示仍有争议，
但这种效应是真的。“阿波罗15号”上的宇航员大卫·斯科特（David Scott）甚至在月球上做过类似的实验。他一只手握着锤子，另一只手拿着羽毛，然后同时松手，让它们坠向月面。没有了空气阻力，这两样东西坠落的速率完全相同，正如伽利略曾经预测的那样。正是这种普适的效应保证了你和“电话亭”一起从哈利法塔顶坠落时完全同步。
如果我们能彻底抹除引力，那凭什么说它真实存在呢？我们能在外太空模拟它吗？在太空中模拟引力很简单——你只需要加速就行。如果国际空间站打开推进器，开始以1g的加速度向上加速，空间站里的宇航员会立即脱离失重状态。飞船将向上冲，但宇航员会感觉自己像在下坠，仿佛他们受到了引力的作用。如果把窗户遮住，他们很可能会误以为国际空间站正向地球坠落。
这里的重点在于，我们无法区分引力和加速度。在一艘遮住了窗户的飞船里，你无从得知自己的感觉是受引力的影响，还是飞船正在空间中加速。这被称为爱因斯坦的“等效原理”——引力和加速度在物理上等效。你无法区分这二者。如果你还不相信，请想一想，你开车转弯稍微快了一点的时候，会发生什么。如果是左转，你会觉得有一股力正朝着右车门的方向拉扯你。这正是作用于水平方向的模拟引力。事实上，车转弯时有加速度，而你的身体想保持和之前同样的运动方向，结果你就被甩向了对侧车门。
我们暂且回过头来看看那些深海探险家。要完全理解他们的时间如何变慢，我们需要再思考一下光。引力如何影响光？由于引力和加速度不分彼此，我们或许只需要问：加速度如何影响光？想象一下，你正乘坐一艘飞船以恒定速度在空旷的恒星际空间中巡航，你的手臂上托着一盘果冻， [5] 而你的朋友拿着一把激光枪。如果这是一场决斗，你输定了，但这不是决斗，而是一个实验。你让朋友朝果冻开枪。他按照你说的做了，激光沿直线将果冻切开了。你决定再试一次，只是这次你打开引擎，开始让火箭加速。你和朋友立即感觉到了假引力的效应，现在你们可以正常地站在飞船地面上，让它推动你们在太空中加速前进。你让朋友再次开枪，他听从了，果冻再次被切开。你仔细观察了一下激光切开的裂缝。第一次激光直线切开了果冻，但第二次它有了一点弧度，如下图所示。
当你在太空中朝一盘果冻发射激光，这是飞船匀速行进（左图）和加速行进（右图）时的情况
第二道激光是怎么回事？没什么稀奇的。它在空间中依然沿直线前进，就像它应该做的那样，但此时果冻正随着火箭“向上”加速。从你和果冻的角度来看，这就像光线被弯曲了。这显然是果冻的加速带来的后果，根据等效原理，引力也会让光线弯曲。
事实的确如此。
“一战”结束后不久，证据就来了。虽然在那个艰难的年月里，英国没几个人能接受爱因斯坦的新理念，但他的确有一位支持者。善于思考、野心勃勃的天文学家亚瑟·爱丁顿（Arthur Eddington），作为一个和平主义者，他鼓励英国科学家保持战前对德国同行工作的兴趣。虽然当时英国很难接触到德国的科学期刊，但他通过荷兰物理学家威廉·德西特（Willem de Sitter）了解到了爱因斯坦的工作，并决定验证太阳的引力会扭曲星光的预测。要观察近距离经过太阳的星光，问题在于，阳光会遮盖星光，让它变得几乎不可见。爱丁顿意识到，他需要借助日食才能完成这项实验，根据他的计算，1919年5月29日，在美丽的葡萄牙属岛屿圣多美和普林西比上能观看到日食，这座小岛远离非洲西海岸，从那里穿过大西洋就能抵达巴西北部。爱丁顿和皇家天文学家弗兰克·沃生·戴森一起去了非洲的这座岛上，还有一支队伍被派往巴西塞阿拉州的索布拉尔观测这次日食。尽管云和雨威胁着实验的成功，但他们仍拍下了日食期间毕宿星团几颗恒星的照片。将这些照片和夜晚拍下的同一个星团的照片进行对比，他们发现二者并不吻合。这意味着日食照片中近距离经过太阳的星光的确弯曲得更厉害，与夜间拍摄的照片不一致。爱因斯坦的预测得到了确认，这上了全世界的新闻头条。就在这一刻，他成了大明星。
光的这种弯曲对时间来说意义重大。远离引力场的时候，光沿直线行进，国际空间站一面墙上的台灯发出的光只需要几纳秒就能照射到另一面墙上。但如果我们把国际空间站放到绕黑洞运行的轨道上，这束光就会被强引力场弯曲。弧线路径比直线的长，所以这道光需要多花一点儿时间才能从一面墙传递到另一面墙上。这意味着在引力更大的情况下，做同一件事需要花费更长的时间才能完成，所以引力必然会延缓时间。
引力场越强，光线就会被弯曲得越厉害，时间被延缓得也越明显。正因为此，潜入马里亚纳海沟沟底的詹姆斯·卡梅隆才能跃入未来。那里的地球引力场更强，所以时钟走得更慢，哪怕只慢了一点点。反之亦然。如果你爬到高处，引力场就会变弱一点点，导致钟表走得更快。在珠穆朗玛峰顶部度过的1秒比在海平面上度过的1秒大约要长万亿分之一秒。完成了12天半的任务之后（包括在月球上度过的3天），“阿波罗17号”上的宇航员体验到了创纪录的时间负膨胀，他们在时间中倒退了大约1毫秒。
1959年，人们在哈佛大学杰弗逊塔上做的一个著名实验 直接 测量了引力对时间的这种影响。罗伯特·庞德（Robert Pound）和他的学生小格伦·雷布卡（Glen Rebka Jr）从这座22.6米高的塔顶部向塔底的接收器发射了一束伽马射线——一种高能电磁波。他们巧妙的想法是，借助伽马射线的频率来测量时间，电磁波每一次新的振荡都相当于钟表的一声“嘀嗒”。结果发现， 同样 的电磁波在塔底测得的频率比塔顶更高。这意味着塔底1秒内电磁波振荡的次数比塔顶多。结论只有一个，即“1秒”在这座塔两端的含义必然不同。塔底的1秒包含的电磁波振荡次数更多，这1秒必然 更长 。正如爱因斯坦曾预测的那样，塔底的时间走得比塔顶慢。
引力弯曲光线、减缓时间的能力意味着地核比地表年轻大约2.5岁。 [6] 但如果引力真是一种假象，它是如何做到的呢？它以何种方式弯曲光线？其实它根本没有弯曲光线。光在空间中永远沿直线行进——发生弯曲的是空间本身。为了形象地说明这是怎么回事，请从水果碗里拿一个橘子。在橘子表面标出两个相隔足够远的点，然后画出这两点间的最短路径。如果你不太确定哪条路径最短，就把这两个点都标在橘子表面水平高度相同的“赤道”上，然后沿着赤道画出路径。现在请小心地剥开橘子，确保橘皮完整，然后把橘皮展开，放在桌子上。现在你画的这条线看起来什么样？它是弯曲的，对吧？这太奇怪了，因为两点间的最短距离本应是一条直线，但事实上，这条定理只在平面上成立。曲面上的最短距离是一条曲线，正如你在橘皮上画的这段路径。光的行进轨迹也一样。它总是沿着最短路径在空间中行进，但因为空间是弯曲的，所以它的行进路径也是弯的。如果你坐过伦敦到纽约的长途航班，并看过它的飞行图，你会注意到，飞机是沿着一条奇怪的曲线轨迹从加拿大北极地区上空穿过的。这是因为航空公司算过最短路径，它是弯曲的，就像地球表面一样。
当然，实际上弯曲的是时空的几何结构。闵可夫斯基告诉了我们在平面的时空几何结构中如何测量距离，但如果时空的几何结构是弯的，我们要测量的距离也会被拉伸、压缩、抻长、挤短。是什么造成了这样的拉伸和压缩？物质、你、太阳、地球……任何有质量、能量或动量的东西都会弯曲时空。请想象一张被拉平的橡胶膜。把一块沉重的石头扔到这张橡胶膜上，它就会发生弯曲。这很好地类比了物质对时空的影响。
光会在这个弯曲的时空中沿最短路径行进。它遵循的是一条非常特殊的最短路径，事实上，这条路径是如此短，以至于它的时空长度彻底消失了。可是别忘了，这正是光的特别之处，当时空变弯曲的时候，它的行为模式依然不变。光偏爱的这种路径被称为“零测地线”（null geodesics）。那更重的东西呢，比如行星或者恒星？它们在时空中会怎样？呃，它们也会遵循可用的最短路径，也就是弯曲时空中等效于直线的路径。它们不会和光走一样的路径，因为它们跑得没有那么快，但它们的确会在时空中选择“最经济”的路径。这些路径被称为“类时测地线”（timelike geodesics）。在弯曲的时空中，它们是弯曲的。事实上，它们看起来可能弯得非常厉害。地球的行进路径弯曲得如此厉害，以至于闭合成了一个圈，地球每年绕太阳运行一圈，画出一个椭圆。在现实中，它沿着一条类时测地线运行，这在因太阳引力而高度弯曲的时空中实际上是一条直线。
你可能觉得我用了太多诗意的语言来将这些弯曲的路径描摹成直线，但它们显然不是直的。事实上，我说的可能比你以为的真实得多。结果我们发现，当你近距离观察的时候，我们感兴趣的这种时空几何结构看起来似乎永远是平的。这有点儿像在太空中看到的地球表面是弯曲的，但在地面上近距离观察，你可能误以为它是平的。当然，只要你保持足够近的距离，地表的确近似于平坦，时空也一样。只要靠得足够近，哪怕弯曲得最厉害的几何结构看起来也会像闵可夫斯基描述的时空那样平坦。正是这种凑近观察并发现闵可夫斯基时空的能力，让我们至少在一个足够小的环境内能够摆脱引力的影响。这正是你从哈利法塔上跳下去时发生的事情。当然，地球构建了一个弯曲的时空，但只要钻进一个电话亭，从全世界最高的楼顶跳下去，你就会发现自己凑到了足够近的距离上，由此彻底摆脱了引力，至少做出了非常近似的模拟。
无论沿着这些最短路径（类时测地线）行进的是什么人，或者是什么物品，都不会影响路径本身。锤头还是羽毛，都没有区别，二者都会沿同一条类时测地线以光速在时空中行进。两样东西都会以完全相同的方式坠落，正如伽利略所预测的那样。但要解释它们 为什么 会这样，我们需要爱因斯坦。
爱因斯坦的理论经受住了时间的考验，而且他做出的奇怪预测再次得到了甚至更奇怪的实验验证：从光的弯曲与战后爱丁顿野心勃勃地前往圣多美和普林西比的探险，到引力减缓时间与庞德和雷布卡跳动的伽马射线。行星的轨迹又一次为爱因斯坦的理论提供了关键的验证，最值得一提的是，行星水星的轨道。尽管这条轨道是椭圆形的，但轨道本身会动，它每年都会略微调整自己的位置，出现“
进动
”。即便使用牛顿引力理论也能根据其他行星引力的影响推算出水星的这种摇摆，但具体的数据相去甚远。法国数学家于尔班·勒威耶（Urbain Le Verrier）也注意到了这一点，他预测到太阳和水星之间存在一颗看不见的暗行星，并将之命名为“火神星”（Vulcan）。根据勒威耶的理论，火神星的引力足以扰动水星轨道，使之产生我们观察到的摇摆。勒威耶凭借这类预测构建了自己的职业生涯。1846年8月，他通过研究天王星轨道的摇摆预测了行星海王星的存在。
1个月后，德国天文学家加勒和阿雷克特发现了海王星，它的实际位置和勒威耶预测的位置偏差不到1度。反过来说，尽管经历了好几次空欢喜，人们始终没有找到火神星。其实火神星并不存在，水星的摇摆可以通过爱因斯坦理论的校正来解释。比起其他行星，水星对这种校正的感受更明显，因为它离太阳最近。
这个警世故事——海王星和火神星截然相反的命运，直到21世纪仍留有余韵。今天，我们仍在争论是否需要引入 暗物质 和 暗能量 来修正我们的理论，使之吻合宇宙学观测结果。有人提出，这两种东西和火神星一样虚无缥缈，我们需要的是一套更新的引力理论所带来的校正，需要在天体物理学和宇宙学领域对爱因斯坦提出的理论做出改进。虽然这种说法在千年之交时颇有声势，但近年来，随着爱因斯坦的最初理论再次扳下一城，它已被束之高阁：2015年，人们发现了引力波。爱因斯坦曾预测，时空是一头桀骜不驯的野兽，它应该会有涟漪，引力的波浪在时空中荡漾，以一种非常具体的方式扭曲时间和空间的形状。至于引力波到底如何扭曲时空，不同的理论做出的预测往往各不相同，但我们最终测量到的引力波完美符合爱因斯坦最初的预测。如果太阳真的奇迹般地消失了，那么向我们发出警报的应该是一道引力波，或者更准确地说，是一场时空海啸。这道波会以光速穿过太阳系，撕裂太阳的引力场，以末日天灾的形式最后一次证明爱因斯坦战胜了牛顿。
如果说尤塞恩·博尔特是人类相对性的极限，是我们从物理层面影响时间的巅峰，那么引力影响时间的边界在哪里呢？引力在什么地方将时间扭曲得面目全非？答案藏在“一个流光溢彩、黑暗深邃的无尽创造之源”里。
它藏在“泼威赫”（Pōwehi）
里。
“泼威赫”这个词是夏威夷语，出自古老的歌谣《库姆利波》（ Kumilipo ），描述了宇宙的诞生，那个“流光溢彩、黑暗深邃的无尽创造之源”。在毛利语里，它的意思是“恐怖”。泼威赫是一头怪兽，一个可怕的庞然大物，藏身在梅西耶87星系中央，这个超巨型星系位于室女座。2019年4月，地球上的人首次一睹它的尊容。
用“事件视界”望远镜捕捉到的泼威赫的壮丽瞬间
泼威赫的壮丽照片是由“事件视界”望远镜拍摄到的，这组基于地面的阵列由8台有计划地布置在全球各地的射电望远镜组成。考虑到发射源的尺寸和距离，这是个了不起的成就。这就像你坐在巴黎的一家咖啡馆里，透过望远镜读纽约的一张报纸。要以如此了不起的精细程度拍下这张惊人的照片，难度就是这么大。
但这个“恐惧”，这个“黑暗之源”到底是什么呢？泼威赫是一个庞大的黑洞，比太阳大几十亿倍。它的引力达到了可怕的极限。我们已经看到引力会如何弯曲光线。如果你逐渐增大引力场，让时空弯曲得越来越厉害，会发生什么？你会创造一座监牢。光线被弯曲到这等程度，它会被困在里面，无法逃脱。要是光都逃不出去，其他任何东西都不行。泼威赫是宇宙中的地牢，绝不宽恕的地狱，被遗忘者的牢笼。
首先想到这等恐怖存在的是英国牧师约翰·米歇尔（Revd John Michell）。1783年11月，米歇尔提出了
暗星
的存在，这种巨型天体比太阳大500倍，它们的引力阱如此强，连光本身都无法逃脱。
在那个年代，这是个激动人心的观点，看不见的庞然大物就藏在我们的眼皮子底下，但没过多久它就会被抛诸脑后。因为它的基础是光的微粒说，也就是光由微粒组成的。18、19世纪之交，英国物理学家托马斯·杨（Thomas Young）的实验使微粒说最终被光以波动的形式存在的模型取代。虽然米歇尔对黑洞的研究被忽略了近两个世纪，但他在科学领域被尊为“地震学之父”。他研究了1755年发生在里斯本的那场毁灭性的地震和海啸，并得出结论：这场灾难实际上源自地壳，而不是大气扰动。
今天，大部分科学家认为，黑洞的确真实存在。一般来说，它们形成于足够大的恒星——至少比太阳重20倍——燃料耗尽时。恒星的能量来自核聚变，原子核在恒星核里被不断挤压，热核炸弹在这座“熔炉”里一刻不停地爆炸。由此产生的能量避免了恒星被自身的重量压垮，它向外释放热压来对抗引力的影响。但这样的局面无法永远维系下去。一旦恒星核里生成过多铁，聚变过程的效率就会降低，让它无法继续支撑自身的重量。恒星就此死去。引力开始迅速击垮这颗恒星，将它向内挤压，绞索勒得越来越紧。接下来，砰！恒星开始奋力反击，对抗引力无休止地攻击。中子是战斗的主力，恒星核里的这些亚原子粒子一旦被挤压得太紧就会通过一种强大的核力狂暴地互相排斥。外层的材料向内塌陷，砸向不可动摇的中子核，又被反弹回来。刹那间，一道强大的压力波冲向恒星表面，发生爆炸。这种灾难性的事件被称为“超新星爆发”，它会短暂地照亮整个星系。
剩下的是什么？很可能是颗中子星，一种密度非常大的天体，它的密度如此大，仅仅一茶匙中子星物质的重量就相当于地球上的一座山。如果它的总质量能停留在太阳质量的3倍以下，这颗中子星就有机会幸存下来。要是更重一些，引力的绞索会开始再次勒紧。现在中子只能束手无策，坍缩变得势不可当。最后，这颗恒星的密度变大，连光都无法逃脱。曾属于这颗恒星的一切都将被掩藏在事件视界背后，它是这间“宇宙地牢”的活动盖板，一层球状的表面，任何穿过事件视界的东西都无法再回来。
每1 000颗恒星中大约就有1颗的重量足以让它在死亡时被引力吞噬。这些恒星质量黑洞无处不在，遍布星系，它们是那些有史以来存在过的最大、最强有力的恒星残留在阴影中的骸骨。但泼威赫还远不止于此。脱胎于死亡恒星的黑洞重量一般介于太阳的5～10倍，但泼威赫的质量相当于65亿个太阳。这个质量超大的庞然巨物是5 000多万光年外一个巨型星系核心处的锚。银河系核心处的黑洞人马座A*的质量是太阳的400万倍，和泼威赫相比，它是如此渺小。人们认为，大部分星系核心都有一个充当锚的超大质量黑洞。0402+379星系里有两个这样的庞然巨物，这很可能是两个子星系碰撞的结果。0402+379星系的核心必然充斥着引力海啸的狂暴波涛，这两个庞然巨物争夺霸权的战斗将时空撕扯得七零八落。事实上，我们尚未完全理解泼威赫或者其他任何一个与它类似的怪兽是如何形成的。它们可能是巨型恒星饕餮的产物，恒星质量黑洞会吞噬一切敢于和它走得太近的材料，经过数百万年的饱餐，它们可能会膨胀成为这样的巨无霸。
事件视界的存在 定义 了黑洞。要停留在它的表面，你需要达到光速。对恒星质量黑洞来说，离这道视界太近可能会致命。从某个角度来说，这很奇怪。你还记得吧，引力是假象，我们随时可以爬进一个黑暗的电话亭里并一起向下坠落，以这种方式来抵消它，无论是从哈利法塔顶坠落，还是朝着黑洞的事件视界坠落，都没什么两样。问题在于，随着引力场越来越强，时空被弯曲得越来越厉害，我们能抵消引力的范围——电话亭的大小——会不断缩小。电话亭外是危险、巨大的引力梯度，引力的潮汐大得无法被忽略。恒星质量黑洞的视界离引力阱底太近，一旦你靠得太近，引力的潮汐会立即将你撕裂。从另一方面来说，对泼威赫这样的超巨型黑洞来说，引力阱底隔得太远，所以穿过事件视界显得平平无奇。但是，一旦你跨过这道屏障，你所剩的日子就屈指可数了。毫不夸张地说，时间会终结。黑洞的核心是奇点，在那里，时空会遭遇无限，引力场会无限制地增强。奇点不是空间的尽头，而是时间的尽头。一旦跨越事件视界，你在时空中的轨迹就会引领你走向 奇点 ，走向那个真正没有明天的地方，那里不存在未来——甚至在理论上都不存在。只要你走到末日那里，狂暴的引力潮汐就会把你撕碎，就像扯断一根意大利面一样简单，你身体里的原子会被撕碎，原子核被撕裂成质子和中子，质子和中子又被撕裂成组成它们的夸克和胶子。任何有意识的残骸都会寻求了结，了结会在奇点到来，这样的在劫难逃是一种慈悲。
不过，要是有人在远处目睹你坠入黑洞，他们会看到一幅很不一样的画面。刚开始时，他们会看到你加速坠向遗忘之境，如果他们能以某种方式看到你的主观时钟——你手腕上的表，那么他们会看到，随着你在黑洞的引力阱里越陷越深，那块表会走得越来越慢。等你抵达那道屏障，它（和你）看起来会减慢到彻底静止的程度。就像你被冻结在了时间和空间中，成为事件视界上的一件装饰品，永远提醒着人们离黑洞太近会有什么后果。这并不是说你没有穿过视界进入黑洞。你的确穿过去了，只是外面的人永远看不到你穿过去，因为你在视界上经历的每一秒对他们来说都是 永恒的 。
对远离视界的物体来说，时间不会停止，但要是靠得太近，时间就会极大地减缓。如果这个黑洞有足够的自转，就可能存在离事件视界非常近的 稳定 行星轨道，从理论上说，你可以在那里待一段时间，让时间慢下来，然后回家，一下子跳到多年后的未来。电影《星际穿越》中“永恒号”的船员就在造访米勒的行星时完整地体会到了引力造成的时间膨胀，这颗行星绕着一个名叫卡冈图雅（Gargantua）的超巨型黑洞运行。卡冈图雅的自转速度应该非常快——和理论最大值相差不到万亿分之一，所以米勒的行星公转轨道只比事件视界的半径大几十万分之一。 [7] 考察队造访这颗行星的时间只有3个小时多一点，但他们回去时却发现，留在“永恒号”上的同事比他们衰老了惊人的23年。话虽如此，自转速度如此快的黑洞即便存在，也极度罕见，因为自然的机制会预防黑洞的自转速度增长到最大值的99.8%以上。这意味着行星轨道无法 如此靠近 事件视界，时间膨胀效应也不会有这么强。现实中，在离这种庞然巨物最近的行星上停留3小时左右，只相当于母舰上的32小时24分钟。虽然这不够好莱坞，但我们应该记住，泼威赫 真实存在 ，我们已经看到了它，也许它的某颗行星上真有生命，他们的生命时钟大约比我们慢11倍，相比之下，我们在地球上的生活节奏简直快得发疯。
泼威赫的照片有力地证明了自然界中黑洞的存在——确凿无疑，但还不算一锤定音。毕竟，我们没有看到事件视界本身，而是一道比它大2.5倍的影子。尽管“事件视界”望远镜拍下的照片如此震撼而富有启迪性，但关于黑洞的最有力的证据来自引力波。2015年9月14日，激光干涉引力波天文台（Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory，简称LIGO）首次探测到这种存在于时空经纬中的微小涟漪。该机构有两处观测点，其中一处位于华盛顿州汉福德——一座退役的核生产基地，另一处藏在路易斯安那州利文斯顿盛产鳄鱼的沼泽之中。这些宽度还不及一个质子的细小涟漪一伸一缩，撞上了探测器4 000米长的“手臂”，暴露了它们始于两个黑洞融合的狂暴源头，这两个黑洞的质量分别是太阳的36倍和29倍，位于可观测宇宙最遥远的彼端。这道引力波在源头处携带的巨大能量相当于3个太阳的质量，或者说10 34 颗广岛原子弹的威力，爆炸式的时空海啸拉伸和挤压着空间。但这道波会不会有其他的来源，比如来自除黑洞外的、别的什么外太空天体的融合？当它们融合的时候，这两个天体之间的距离只有350千米，相当于65个太阳挤在一个窘迫的区域里，其大小还不到后来形成的事件视界的2倍。除了一对黑洞打着旋儿完成最终的拥抱，很难想象还有别的什么事情可能造成这样的结果。
乍看之下，1.000 000 000 000 000 858似乎不像一个大数字，但它大得足以打开一扇通往陌生世界的门。当尤塞恩·博尔特冲向这道创造世界纪录的时间膨胀之门时，他触摸到了相对性的边缘。在他的激励下，我们得以一瞥一个违背日常直觉的物理世界，在那里，跑道会缩短，时间会变慢。这个世界最遥远的彼端是黑洞物理学，在那里，对那些坠入事件视界的可怜受害者来说，时间被拖慢到了停滞的程度。我们幸运地生活在一个前所未有的黑洞发现的年代：我们能看到庞大的泼威赫在一个巨型星系的核心处投下的黑暗影子；我们可以听到那些庞然巨物的碰撞发出的呼啸通过引力波在时空中咆哮，就像一声相对性的雷鸣，宣告着天神之间的联姻。关于这些神祇的物理学揭示了我们所处的物理现实的模糊真相——一种全息真相，一个被困在全息投影中的宇宙。我们将在下面的章节中继续讲述这个故事，我们将探索关于熵的理念，它像卫兵一样守护着秘密，还有量子力学，亚原子世界的统治者。我们将通过那些庞大的数字来讲述这个故事，它们甚至比1.000 000 000 000 000 858更大，更令人瞩目。