前段时间, 黑洞频频上热点, 又是第一张黑洞照片, 又是视觉中国掉黑洞。现热度降了, 就炒个冷饭。

本文介绍黑洞、黑洞视界、黑洞如何被观察到及让人火抓狂的的黑洞信息悖论

30s 总结

• 第一张黑洞照片主角为室女座星系 M87 中央黑洞, 由 EHT Collaboration 拍摄；（EHT 另一主角为银河系 Sgr A 中心黑洞）
• 黑洞来源于恒星塌陷, 但并不是所有的恒星塌陷都会成为黑洞；
• 恒星塌陷为黑洞后, 物质会继续塌陷, 直至普朗克长度 ( 10^(-35) 米 )；
• 黑洞不总是黑的, 从光线射入方向看去, 黑洞呈环状光晕；
• 黑洞周围是黑洞视界, 是光线能否逃逸的临界点；
• 物体掉入黑洞视界瞬间, 现实被一分为二 : 一是你向着黑洞中心做自由落体；一是黑洞视界外的观察者看到你定格在掉入瞬间, 并逐渐被霍金辐射的烈焰吞噬；（让人抓狂的是两个都不是幻觉, 至于到底哪个是事实, 就看量子力学与广义相对论的博弈了）
• 掉入黑洞, 空间与时间互换了角色, 时间牵引着物质向着黑洞中心运动, 不可逆；
• 在黑洞中心, 时间和空间已经没有意义。

悖论预警 1 : 因黑洞扭曲了时间与空间, 时空混乱。

悖论预警 2 : 因量子力学与广义相对论的博弈, 存在这「让人火冒三丈的黑洞信息悖论」, 思维易混乱。

黑洞照片

第一张黑洞照片 : M87 中央黑洞

黑洞的边界比他的阴影小 2.5 倍, 光环直径约 40 微角秒。要要分辨出其轮廓细节, 相当于月球表面策略一张信用卡的长度。¹

室女座星系 M87 中央黑洞照片 | ESO [1]

根据 ESO ( 欧洲南方天文台 ) 官网, 第一张黑洞照片来源于 EHT ( Event Horizon Telescope, 事件视界望远镜 ）Collaboration. 在 ESO 官网可免费下载包括全尺寸原件在内各种格式的照片, 其版权遵循知识共享署名 4.0 国际许可协议 ( CC-BY 4.0 International License )。只需注明出处即可免费使用。

可能的第二张黑洞照片 : 银河系中央黑洞

不久的将来, 或能看到银河系 Sgr A 黑洞照片。

M87 中央黑洞只是视界面望远镜的两位主角之一。现在我们更有理由期待，事件视界望远镜给银河系中央黑洞“拍摄”的图像。

那什么是黑洞？什么是事件视界？

黑洞

黑洞就是一个质量足够大的天体，其引力强到光子也无法逃逸。由于类似热力学上完全不反射光线的黑体，故名黑洞²。

理论上的黑洞是「有进无出」的天体, 实际上黑洞却有粒子的辐射²。

黑洞来源

黑洞来自恒星塌陷。

当一颗星的质量足够大时，它自身的引力能够引起塌缩，塌缩后其密度更大。塌缩可以是分阶段的。当最后其密度超过某个临界值时，周围的时空结构不允许光的逃逸，这里将成为黑洞⁵。

质量足够大的恒星塌陷，最后形成一个密度每立方公分约一亿吨的天体, 即为黑洞²。

不是所有的恒星塌陷都会成为黑洞。

直至当前为止，所发现质量最小的黑洞大约有 3.8 倍太阳质量²。（小于 1.4 个太阳质量的，会变成白矮星；介于两者之间的，形成中子星 ）

质量太小的天体不足以高密度的情形下产生的电子与中子简并压力³, 其临界质量为奥本海默极限, 约为 3 倍太阳质量。

[待查证] 黑洞不全来自恒星塌陷。

黑洞是如何被看到的

在与入射光线呈 90° 角的方向观察的结果如下 :⁸

在与入射光线呈90°角的方向观察 | 果壳网 [8]

四个小球：一个黑体、一个拥有理想漫反射表面、一个拥有理想镜面反射表面，和一个黑洞。

在与入射光线平行的方向观察则看到环状光晕⁸。

在与入射光线平行的方向观察 | 果壳网 [8]

• 所有落入约2.6倍的史瓦西半径范围内的光线，都会落入黑洞；
• 在2.67倍史瓦西半径处，从一侧入射的光线，可以在黑洞引力弯曲下，绕黑洞转半圈、从另一侧射出，被我们看到；
• 在2.67到2.6倍史瓦西半径之间，光线也可以绕1.5、2.5、3.5等圈，从另一侧射出，被我们看到。

黑洞内部并非无穷小

恒星塌陷为黑洞为黑洞后, 物质会继续塌陷, 但不会塌陷到无穷小。

流传广泛但错误的说法 : 物质会继续坍缩，而引力则会继续增强。越来越小，越来越小，最终它们会坍缩成一个没有维度的几何点。⁶

物质坍缩到普朗克长度就无法测量它的确切大小。

坍缩的物质会小于一个原子、一个原子核、一个电子，最终抵达“普朗克长度”的大小。⁶

普朗克长度 : 10^-35 米。是一个尺度上的极限。对于一个小于这一极限的物体，我们将无法确知它的信息。⁶

黑洞并不总是黑的

虽然光无法逃逸黑洞, 但黑洞会通过吞噬物质成为最明亮的天体。

很少有物质会直接掉入黑洞进而消失。稍有偏差，它们就会绕着黑洞转动。随着物质的增多，它们就会在黑洞周围聚集起来。由于在转动，这些物质会形成一个围绕黑洞高速转动的盘，加之黑洞的引力随着距离会变化，因此靠近黑洞的物质其运动的速度要远远超出外围的。这一运动速度上的不一致就会产生剧烈的摩擦，从而使得物质被加热到数百万度的高温，于是黑洞附近的物质就会发出极为明亮的辐射。⁶

事件视界

事件视界 ( event horizon ) 又称为黑洞的视界，是一种时空的曲隔界线³。通常指的是逃逸速度为光速的位置, 视界内无法逃逸。

在黑洞的周围，是一个无法侦测的事件视界，标志着无法返回的临界点²。

事件视界以外的观察者无法利用任何物理方法获得事件视界以内的任何事件的信息，或者受到事件视界以内事件的影响³。

在事件视界中所有的路径都是朝向黑洞中心，没有粒子可以脱离。

黑洞与黑洞视界 | 搜狐网 [4]

物体不会感受自己跨越了事件视界。

事件视界的观念都是对于远离其的观测者来说的，接近事件视界的物体则自身从不会感受到自己跨越了事件视界³。

掉黑洞里是什么体验

在黑洞中, 只有鬼知道发生了什么。得多倒霉才会掉到黑洞里呀？

如果你真的不小心掉到黑洞里, 你的体验和看你掉黑洞的体验是不同的。

根据广义相对论，在远离视界的外部观察者眼中，任何从视界外部接近视界的物件，将须要用无限长的时间到达视界面，其影像会经历无止境逐渐增强的红移；但该物件本身却不会感到任何异常，并会在有限时间之内穿过视界。³

黑洞是「有进无出」, 但真的就湮灭于世了吗？

掉入黑洞或可全身而退, 但也不可能回到原点。

霍金认为 : 「黑洞有出口, 就算掉进去也出得来。黑洞无法吞噬和消灭物理消息」, 同时「掉入黑洞有可能全身而退，只是永远从本宇宙消失」。²

掉黑洞有啥感觉

掉入黑洞瞬间, 现实就被一分为二了。

如果你不小小掉进黑洞, 你变成两个人了，而且两个都是你。其中一个你会立刻烧成灰，而另一个你则会掉进黑洞深处，安然无恙。⁷

穿越视界, 不会有任何感觉。

此处假设黑洞足够大（大到身体各处收到的引力差异不大）, 此时应自由下落而感觉不到重力。⁷

若黑洞足够小（小到脚受到的引力远大于头部）, 你会被拉成面条。⁷

被拉成面条的你 | NPR [7]

随着深入, 空间变形得就越厉害。

重力会弯曲空间，使其变形。如果一个物体的密度足够大，时空就会变形卷起来。⁷

到达黑洞中心的奇点, 时间与空间不再有意义。（鬼知道这意味着啥）

黑洞的中心, 空间就会变得无限弯曲。在奇点上，时间和空间不再具有意义，而那些曾经依仗着时间与空间的物理法则也不再适用。⁷

视界外的观察者角度

虽然你已经掉到黑洞了, 但在别人看来, 你定格在掉入黑洞前的瞬间。

根据广义相对论, 在远离视界的外部观察者眼中，任何从视界外部接近视界的物件，将须要用无限长的时间到达视界面，其影像会经历无止境逐渐增强的红移；³

他人看到的你就此定格，就好像被按了暂定的游戏人物似的，永远地卡在了那一帧。你被拉伸的空间、静止的时间和霍金辐射的烈焰慢慢地吞噬了。⁷

值得一提的是, 这不是幻觉。

这不是幻觉，没准儿还能在宇宙里收拾收拾你的残骸。⁷

END

感谢阅读。

更多相关内容 :

• 忙碌的你多久未仰望星空？被光污染的夜空看到的应为最亮的几颗星

References

[1] First Image of a Black Hole.eso.2019.
[2] 黑洞.维基百科.
[3] 事件视界.维基百科.
[4] 湖北鄂之窗.黑洞的密度极限是多少？ .搜狐网.
[5] 告诉你一个真实的黑洞.中国科学院高能物理研究所网站.2017.
[6] Philip Plai.关于黑洞你不知道的9件事情.火流星.
[7] Amanda Gefter.如果你一不小心掉进了黑洞.物理所电子期刊.
[8] 刘博洋.黑洞你好：第一次拍到你前，我已经无数次描绘过你的样子.果壳网.2019.