掉進(jìn)黑洞是什么感覺？或許你會(huì)看到完全不一樣的世界！

• 從黑洞外面，所有的物質(zhì)都會(huì)發(fā)出光線并且始終可見，而事件視界后面的任何東西都無法發(fā)出。但如果你是那個(gè)陷入黑洞的人，那么你所看到的將是有趣且違反直覺的，我們知道它實(shí)際上會(huì)是什么樣子。

宇宙有許多可怕的方法可以摧毀某些東西。在太空中，如果你試著屏住呼吸，你的肺就會(huì)爆炸; 如果你呼出每一分子的空氣，你就會(huì)在幾秒鐘內(nèi)消失。在某些地方，當(dāng)你的身體被吸出時(shí)，你會(huì)凍結(jié)固體; 在其他地方，你的原子會(huì)變成等離子體。但是，在宇宙處理某人的所有方式中，我認(rèn)為沒有比將人送入黑洞更令人著迷的了。

這是一個(gè)非常有趣的問題，也是科學(xué)可以回答的問題。我們來看看。

• 大量彎曲的時(shí)空的例證，在黑洞的事件天際之外。隨著您越來越接近質(zhì)量的位置，空間變得更加嚴(yán)重彎曲，最終導(dǎo)致一個(gè)位置，即使光線也無法逃脫：事件視界。該位置的半徑由黑洞的質(zhì)量，光速和廣義相對(duì)論的規(guī)律來設(shè)定。從理論上講，應(yīng)該有一個(gè)特殊的點(diǎn)，一個(gè)奇點(diǎn)，其中所有的質(zhì)量都集中在靜止的，球?qū)ΨQ的黑洞上。

根據(jù)我們的引力理論，愛因斯坦的廣義相對(duì)論，只有三個(gè)因素決定了黑洞的性質(zhì)。它們?nèi)缦拢?/p>

1. 質(zhì)量，或物質(zhì)的總量和等效的能量（通過 E = mc2）進(jìn)入形成和生長(zhǎng)黑洞到其現(xiàn)狀。
2. 在歷史上落入黑洞的所有帶正電和負(fù)電的物體中，黑洞中存在的電荷或凈電荷。
3. 角動(dòng)量或旋轉(zhuǎn)，它是黑洞固有的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)總量的量度。

實(shí)際上，我們宇宙中物理存在的所有黑洞應(yīng)該具有大質(zhì)量，大量的角動(dòng)量和可忽略不計(jì)的電荷。這使事情變得非常復(fù)雜。

• 當(dāng)一顆足夠大的恒星結(jié)束它的生命，或者兩顆足夠巨大的恒星殘余物合并時(shí)，就會(huì)形成一個(gè)黑洞，其中一個(gè)事件視界與其質(zhì)量成正比，并且周圍有一個(gè)吸收物質(zhì)的吸積盤。當(dāng)黑洞旋轉(zhuǎn)時(shí)，事件視界外部和內(nèi)部的空間也會(huì)旋轉(zhuǎn)：這是框架拖動(dòng)的效果，這對(duì)于黑洞來說可能是巨大的。

當(dāng)我們通常想到一個(gè)黑洞時(shí)，我們想象的更為簡(jiǎn)單：只用它的質(zhì)量來描述。它具有圍繞單個(gè)點(diǎn)的事件視界，以及圍繞該點(diǎn)的區(qū)域，光不能從該區(qū)域逃逸。該區(qū)域是完美的球形，并且具有將光可以從其不能逃離的區(qū)域分開的區(qū)域的邊界：事件視界。事件視界位于特定距離（Schwarzschild半徑），在所有方向上均勻地遠(yuǎn)離奇點(diǎn)。

這是一個(gè)逼真的黑洞的簡(jiǎn)化版本，但是開始考慮在兩個(gè)不同的地方發(fā)生的物理學(xué)的好地方：事件視界之外和事件視界內(nèi)部。

• 一旦你越過門檻形成一個(gè)黑洞，事件視界內(nèi)的一切都會(huì)變成一個(gè)奇點(diǎn)，最多只是一維的。沒有3D結(jié)構(gòu)可以完整地存活。

在事件視界之外，引力的行為就像你通常所期望的那樣。空間由于質(zhì)量的存在而彎曲，這使得宇宙中的每個(gè)物體都經(jīng)歷向中心奇點(diǎn)的加速。如果你從這個(gè)黑洞開始離開很遠(yuǎn)的地方，在休息時(shí)，讓一個(gè)物體落入其中，你會(huì)看到什么？

假設(shè)你能夠保持靜止?fàn)顟B(tài)，你會(huì)看到這個(gè)無意義的物體慢慢加速離開你，朝著這個(gè)黑洞。它將加速到事件視界，保持相同的顏色，然后會(huì)發(fā)生奇怪的事情。它似乎會(huì)減速，逐漸消失，顏色變紅。但它不會(huì)完全消失; 不是很快，也不是永遠(yuǎn)。相反，它只會(huì)接近這種狀態(tài)：越來越暗，越來越難以察覺。事件視界就像物體光的漸近線; 如果你看起來足夠努力，你總能看到它。

• 這位藝術(shù)家的印象描繪了一個(gè)類似太陽的恒星因接近黑洞而被潮汐破壞所撕裂。之前落入的物體仍然是可見的，雖然它們的光線會(huì)顯得微弱和紅色（很容易移動(dòng)到人眼看不見的紅色），這與它們?cè)竭^事件視界時(shí)所經(jīng)過的時(shí)間量成比例。

現(xiàn)在，想象一下相同的情景，但這一次，不要想象你正在遠(yuǎn)遠(yuǎn)地觀察那些駭人聽聞的物體。相反，想象一下你自己就是一個(gè)令人信服的對(duì)象。你擁有的經(jīng)驗(yàn)會(huì)有很大的不同。

由于空間曲率變得嚴(yán)重，事件視界似乎變得比你預(yù)期的要大得多。在事件視界周圍，空間是如此扭曲，你開始看到外部宇宙的多個(gè)圖像，好像它們被反射和倒置。

一旦你越過事件視界，你不僅會(huì)看到外面的宇宙，還會(huì)看到事件視野內(nèi)的宇宙的一部分。你收到的光會(huì)藍(lán)移，但隨后會(huì)再次紅移，因?yàn)槟悴豢杀苊獾貢?huì)走向奇點(diǎn)。在最后時(shí)刻，空間奇怪地看起來完全平坦。

這樣做的物理是復(fù)雜的，但計(jì)算是簡(jiǎn)單的，并且最優(yōu)雅的科羅拉多大學(xué)的安德魯·漢密爾頓進(jìn)行了一系列 的論文 跨越 后期 2000年代到 早期的 2010年代。漢密爾頓還根據(jù)這些計(jì)算，在你陷入黑洞的過程中創(chuàng)造了一系列壯觀的可視化效果。

我們可以從檢查這些結(jié)果中學(xué)到許多經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，其中許多都是違反直覺的。嘗試?yán)斫馑姆椒ㄊ歉淖兡憧梢暬臻g的方式。通常情況下，我們認(rèn)為空間是一種固定的織物，我們認(rèn)為觀察者在某處被“淹沒”。但在事件視野中，你總是處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。空間從根本上處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài) - 就像一條移動(dòng)的走道 - 不斷地將空間中的一切都移向奇點(diǎn)。

• 在事件視界內(nèi)外，空間像移動(dòng)人行道或瀑布一樣流動(dòng)，具體取決于您想要如何顯示它。在事件視界，即使你以光速跑（或游），也不會(huì)克服時(shí)空的流動(dòng)，這會(huì)讓你陷入中心的奇點(diǎn)。

它會(huì)如此迅速地移動(dòng)所有東西，即使你用無限的力量直接從奇點(diǎn)加速，你仍然會(huì)朝著中心落下。事件視界之外的物體仍然可以從各個(gè)方向遇到你的光，但你只能從事件視界內(nèi)看到一部分物體。

定義任何觀察者可以看到的邊界之間的邊界線在數(shù)學(xué)上由心形描述，其中心形的最大半徑分量接觸事件視界，而最小半徑分量終止于奇點(diǎn)。這意味著奇點(diǎn)，即使它是一個(gè)點(diǎn)，也不會(huì)不可避免地連接掉其他所有東西。如果你和我同時(shí)落入事件視界的兩側(cè)，我們將永遠(yuǎn)無法在地平線穿越之后看到彼此的光。

• 當(dāng)你陷入黑洞或者只是非常接近事件視界時(shí)，它的大小和比例看起來比實(shí)際大小要大得多。對(duì)于一個(gè)看著你陷入其中的外部觀察者，你的信息將在事件視野中被編碼。隨著黑洞蒸發(fā)，這些信息會(huì)發(fā)生什么變化仍然沒有答案。

其原因在于宇宙本身的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)。在事件視界內(nèi)，空間移動(dòng)得比光快，這就是為什么沒有任何東西可以逃離黑洞。這也是為什么，一旦進(jìn)入黑洞，你就會(huì)開始看到奇怪的東西，比如同一個(gè)物體的多個(gè)圖像。

你可以通過問一個(gè)類似“奇點(diǎn)在哪里？”之類的問題來理解這一點(diǎn)。

從黑洞的事件視界內(nèi)部，如果你朝任何方向移動(dòng)，你最終都會(huì)遇到奇點(diǎn)。因此，令人驚訝的是，奇點(diǎn)出現(xiàn)在各個(gè)方向！如果你的腳直接指向你正在加速的方向，你會(huì)看到它們?cè)谀阆路剑阋矔?huì)看到它們?cè)谀愕纳戏健Ｋ羞@一切都是直接計(jì)算的，即使它非常違反直覺。這僅僅是為了簡(jiǎn)化案例：非旋轉(zhuǎn)黑洞。

• 2017年4月，與Event Horizon望遠(yuǎn)鏡相關(guān)的所有8個(gè)望遠(yuǎn)鏡/望遠(yuǎn)鏡陣列都指向Messier 87.這就是超大質(zhì)量黑洞的樣子，事件視界清晰可見。只有通過VLBI我們才能達(dá)到構(gòu)建這樣一個(gè)圖像所需的分辨率，但是有一天可能會(huì)將它提高幾百倍。陰影與旋轉(zhuǎn)（克爾）黑洞一致。

現(xiàn)在，讓我們來看一個(gè)有趣的案例：黑洞旋轉(zhuǎn)的地方。黑洞的起源歸功于物質(zhì)系統(tǒng)，如恒星，它總是在某種程度上旋轉(zhuǎn)。在我們的宇宙中（和廣義相對(duì)論），角動(dòng)量是任何近距離系統(tǒng)的絕對(duì)保守量; 沒有辦法擺脫它。當(dāng)物質(zhì)集合向下折疊到小于事件視界半徑的半徑時(shí)，角動(dòng)量會(huì)被捕獲到那里，就像質(zhì)量一樣。

我們得到的解決方案現(xiàn)在要復(fù)雜得多。愛因斯坦在1915年提出了廣義相對(duì)論，而卡爾施瓦茲希爾德在幾個(gè)月后，即1916年初推出了非旋轉(zhuǎn)黑洞解決方案。但是，下一步是以更現(xiàn)實(shí)的方式對(duì)這個(gè)問題進(jìn)行建模 - 考慮如果黑色洞也有角動(dòng)量，而不是單獨(dú)的質(zhì)量 - 直到 羅伊克爾在1963年找到確切的解決方案才解決。

• 具有質(zhì)量和角動(dòng)量的黑洞的精確解是由Roy Kerr在1963年發(fā)現(xiàn)的，并且揭示了，而不是具有點(diǎn)狀奇點(diǎn)的單個(gè)事件視界，內(nèi)部和外部事件視界，以及內(nèi)部和外部的ergosphere，加上一個(gè)相當(dāng)大的半徑的環(huán)狀奇點(diǎn)。

更天真，更簡(jiǎn)單的Schwarzschild解決方案與更現(xiàn)實(shí)，更復(fù)雜的Kerr解決方案之間存在一些基本和重要的差異。沒有特別的順序，這里有一些迷人的對(duì)比：

1. 旋轉(zhuǎn)黑洞不是單一的事件視界解決方案，而是有兩個(gè)數(shù)學(xué)解決方案：內(nèi)部和外部事件視界。
2. 在外部事件視界之外，有一個(gè)稱為ergosphere的地方，其中空間本身以等于光速的旋轉(zhuǎn)速度被拖動(dòng)，并且落在那里的粒子經(jīng)歷巨大的加速度。
3. 允許的角動(dòng)量與質(zhì)量的最大比率; 如果角動(dòng)量太大，黑洞會(huì)將能量輻射（通過引力輻射）直到它低于該極限。
4. 并且，也許最令人著迷的是，黑洞中心的奇點(diǎn)不再是一個(gè)點(diǎn)，而是一維環(huán)，其中環(huán)的半徑由黑洞的質(zhì)量和角動(dòng)量決定。

• 陰影（黑色）＆旋轉(zhuǎn)黑洞的視野和ergospheres（白色）。在圖像中顯示的a的數(shù)量與黑洞的角動(dòng)量與其質(zhì)量的關(guān)系有關(guān)。請(qǐng)注意，黑洞的事件地平線望遠(yuǎn)鏡所看到的陰影遠(yuǎn)大于黑洞本身的事件視界或能量圈。

考慮到這一切，當(dāng)你落入一個(gè)旋轉(zhuǎn)的黑洞時(shí)會(huì)發(fā)生什么？當(dāng)你陷入一個(gè)非旋轉(zhuǎn)的黑洞時(shí)會(huì)發(fā)生同樣的事情，除了所有空間的表現(xiàn)都不像它正在向一個(gè)中心奇點(diǎn)下降。相反，空間也表現(xiàn)得好像沿著旋轉(zhuǎn)方向被拖動(dòng)，就像旋轉(zhuǎn)的漩渦一樣。角動(dòng)量與質(zhì)量的比率越大，旋轉(zhuǎn)的速度越快。

• 雖然時(shí)空如何在旋轉(zhuǎn)黑洞的（外部）事件視界之外和之內(nèi)流動(dòng)的概念類似于非旋轉(zhuǎn)黑洞的概念，但是當(dāng)你考慮什么時(shí)，有一些基本的差異會(huì)導(dǎo)致一些令人難以置信的不同細(xì)節(jié)。經(jīng)歷那個(gè)地平線的觀察者將看到外部（和內(nèi)部）世界。當(dāng)您遇到外部事件視界時(shí)，模擬會(huì)中斷。

這意味著如果你看到有東西落入，你會(huì)看到它變得越來越暗，但也會(huì)沿著旋轉(zhuǎn)方向被涂抹成環(huán)狀或圓盤狀。如果你陷入其中，你就會(huì)被鞭打，就像你正在用一些令人抓狂的旋轉(zhuǎn)木馬來吸引你走向中心。當(dāng)你達(dá)到奇點(diǎn)時(shí)，它就會(huì)成為一個(gè)環(huán); 你身體的不同部位會(huì)遇到奇點(diǎn) -在克爾黑洞的內(nèi)部表面 - 在不同的空間坐標(biāo)。當(dāng)你從事件視界內(nèi)部接近奇點(diǎn)時(shí)，你將逐漸無法看到自己身體的其他部分。

你應(yīng)該從這一切中獲取的最深刻的信息是空間結(jié)構(gòu)本身就在運(yùn)動(dòng)中，而事件視界被定義為即使你能夠以最終的宇宙速度極限移動(dòng)的位置 - 光速 - 無論你選擇什么方向，你總會(huì)遇到奇點(diǎn)。

安德魯·漢密爾頓的可視化是最好的，最科學(xué)準(zhǔn)確的模擬真實(shí)看起來像什么，并且是如此違反我所能真正推薦的是你一遍又一遍地看著它們直到你欺騙自己認(rèn)為你明白它。這是令人毛骨悚然，美麗的，如果你冒險(xiǎn)到足以讓自己飛到一個(gè)黑洞并穿過事件視界，這將是你見過的最后一件事！