探索宇宙最神秘天体：黑洞物理与现代宇宙学导论

你是否曾好奇黑洞究竟是什么？它如何扭曲时空、吞噬光线，甚至影响整个星系的演化？本课程深入探讨黑洞这一宇宙中最极端的天体，系统讲解其背后的物理机制，并以此为切入点，全面介绍广义相对论、天体物理学与现代宇宙学的核心理论与前沿进展。

从爱因斯坦到事件视界：理论与观测的双重突破

课程以阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论为基础，逐步引导学习者理解引力并非传统意义上的“力”，而是时空弯曲的表现。通过分析史瓦西解和克尔解，我们将揭示非旋转与旋转黑洞周围的时空结构，包括事件视界、奇点、能层和参考系拖曳等奇特现象。

近年来，事件视界望远镜（EHT）成功拍摄到M87*和银河系中心人马座A*的“黑洞阴影”图像（2019年与2022年发布），为黑洞的存在提供了直接视觉证据。本课程将结合这些里程碑式的观测成果，帮助学员理解理论预测如何被现实验证。

核心内容体系：从基础到前沿

课程涵盖以下关键主题：

• 平直时空中的能量与动量：回顾狭义相对论框架下的守恒律，为进入弯曲时空做准备；
• 度规与时空几何：学习如何用数学语言描述时空结构，理解度规张量的核心作用；
• 黑洞周围的时空曲率：分析史瓦西与克尔度规，探讨时间膨胀、引力红移与测地线行为；
• 粒子与光的运动轨迹：研究测试粒子和光子在强引力场中的轨道，包括稳定圆轨、光子球与坠入奇点的过程；
• 宇宙学基本模型：延伸至大尺度宇宙结构，介绍弗里德曼-勒梅特-罗伯逊-沃尔克（FLRW）模型、暗能量与宇宙加速膨胀。

连接前沿科研：引力波与黑洞热力学

自2015年LIGO首次探测到双黑洞并合产生的引力波以来，引力波天文学已开启“多信使天文学”新时代。课程将介绍黑洞并合过程中的波形特征、质量-自旋分布以及对宿主星系演化的启示。

此外，还将拓展讲解霍金辐射、黑洞熵与信息悖论等量子引力相关议题，展现黑洞作为连接广义相对论与量子力学“桥梁”的独特地位。

适合人群与学习收获

本课程适合具有基础大学物理和微积分知识的学生、科研爱好者及跨领域学者。完成课程后，学员将能够：

• 掌握描述黑洞的基本数学工具与物理概念；
• 理解现代天体物理中关于黑洞的主要观测手段与成果；
• 具备进一步研读高级相对论、宇宙学或引力波物理的能力；
• 形成对宇宙终极问题——如时空起源、黑洞命运、宇宙终局——的科学认知框架。

拓展视野：黑洞在人类文明中的意义

黑洞不仅是物理对象，也深刻影响着哲学与文化。从《星际穿越》中的“Gargantua”黑洞可视化，到“时间能否倒流”的思辨，黑洞激发了无数科学幻想。本课程将在科学严谨的基础上，引导思考黑洞对人类宇宙观的深远影响。

加入我们，一起揭开黑洞的神秘面纱，踏上通往宇宙最深处的智力旅程。