宇宙破壞一樣?xùn)|西有很多令人恐怖的方法。如果你想在太空中屏住呼吸，那你的肺會(huì)爆炸；你呼出到空氣中的每一個(gè)分子在幾秒之內(nèi)就變黑了。在有的地方熱量從你身體跑出來(lái)的時(shí)候你就會(huì)覺(jué)得自己被凍住了；還有些地方太熱了以至于你的原子會(huì)變成等離子體。但是，在宇宙處理人的所有方式中，沒(méi)有什么能比把人送進(jìn)黑洞里更讓人著迷了。事件地平線望遠(yuǎn)鏡科學(xué)家海諾·法克爾也這么覺(jué)得，他問(wèn)：

掉進(jìn)一個(gè)正在旋轉(zhuǎn)的黑洞里會(huì)是什么樣呢？這不能被觀察出來(lái)，但是可以算出來(lái)…我和做過(guò)這些科學(xué)計(jì)算的人聊過(guò)，但是我老了，一直在忘事。

這是一個(gè)有趣的問(wèn)題，也是一個(gè)可以用科學(xué)回答的問(wèn)題。讓我們來(lái)看看。

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黑洞事件視界外的嚴(yán)重彎曲時(shí)空的插圖。當(dāng)你越來(lái)越接近質(zhì)量的位置時(shí)，空間也變得更加彎曲，最終導(dǎo)致光無(wú)法從一個(gè)位置逃脫：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)論定律單獨(dú)設(shè)定。理論上來(lái)說(shuō)，應(yīng)該有一個(gè)特殊點(diǎn)，一個(gè)奇點(diǎn)，所有質(zhì)量都集中在靜止的球形對(duì)稱(chēng)黑洞上。（皮薩貝·約翰遜馬丁）

根據(jù)我們的引力理論，愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論，只有三樣?xùn)|西決定黑洞的特性。它們?nèi)缦拢?/p>

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質(zhì)量，或物質(zhì)總量和同等能量（通過(guò)E = mc2）進(jìn)入到正在形成或增長(zhǎng)的黑洞中以形成當(dāng)前狀態(tài)

電荷，或存在于黑洞中的凈電荷，來(lái)自其歷史上所有落入黑洞中的正電荷和負(fù)電荷。

角動(dòng)量，或旋轉(zhuǎn)，這是黑洞固有的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)總量的度量。

現(xiàn)實(shí)地講，我們宇宙中所有物理存在的黑洞都應(yīng)該有大質(zhì)量、大量的角動(dòng)量和可以忽略不計(jì)的電荷。這使事情變得極其復(fù)雜。

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當(dāng)一顆足夠大的行星結(jié)束它的生命，或兩個(gè)足夠大的行星殘余物合并時(shí)，一個(gè)黑洞就形成了，其事件視界與其質(zhì)量成正比，并形成圍繞其墜落物質(zhì)的吸積盤(pán)。當(dāng)黑洞旋轉(zhuǎn)時(shí)，事件視界內(nèi)外的空間也會(huì)旋轉(zhuǎn)：這是拖架的效果，對(duì)黑洞來(lái)說(shuō)可能是巨大的。（歐空局/哈勃、埃索、M. KORNMESSER）

當(dāng)我們通常想到一個(gè)黑洞時(shí)，我們想象出一種更簡(jiǎn)單的黑洞：一個(gè)僅由其質(zhì)量來(lái)描述的黑洞。它有一個(gè)圍繞單個(gè)點(diǎn)的事件視界，以及圍繞該點(diǎn)的區(qū)域，光線無(wú)法逃離。該區(qū)域是完全球形的，并且有一個(gè)邊界分隔光可以從它不能從無(wú)法逃離的區(qū)域：事件視界中分離。事件視界位于距離所有方向奇點(diǎn)相等的特定距離（施瓦茨柴爾德半徑）。

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這是一個(gè)真實(shí)黑洞的簡(jiǎn)化版本，但是一個(gè)開(kāi)始思考發(fā)生在兩個(gè)不同位置的物理現(xiàn)象的好地方：在事件視界之外和事件視界內(nèi)。

一旦你越過(guò)門(mén)檻形成一個(gè)黑洞，事件視界里的所有內(nèi)容都會(huì)咬緊一個(gè)奇點(diǎn)，這個(gè)奇點(diǎn)最多是一維的。沒(méi)有3D結(jié)構(gòu)可以完整的存活下來(lái)。

事件視界之外，重力作用就像你平常期許的那樣?？臻g是由這個(gè)質(zhì)量的存在彎曲的，它使宇宙中的每一個(gè)物體都經(jīng)歷向中心奇點(diǎn)的加速。如果你開(kāi)始遠(yuǎn)離這個(gè)黑洞，休息時(shí)，允許一個(gè)物體掉進(jìn)黑洞，你會(huì)看到什么？

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假設(shè)你能保持靜止，那你就可以看到這個(gè)墜落物慢慢的加速遠(yuǎn)離你，朝著黑洞前進(jìn)。它會(huì)加速向事件視界，保持一樣的顏色，然后后會(huì)發(fā)生一些奇怪的事情。它會(huì)慢慢減速、褪色，并慢慢變成紅色。盡管它不會(huì)完全消失；不快、也永遠(yuǎn)不會(huì)。相反，它只會(huì)接近這種狀態(tài)：變近，變紅，更難檢測(cè)。事件視界就像物體光的化毒劑;如果你足夠努力，你總是能看到它。

這位藝術(shù)家描繪了一顆類(lèi)似太陽(yáng)的恒星在靠近黑洞時(shí)被潮汐破壞撕裂。以前墜落的仍然可見(jiàn)，盡管它們的光線會(huì)顯得微弱和紅色（很容易轉(zhuǎn)移到紅的，它們對(duì)人眼是不可見(jiàn)的），與它們穿過(guò)事件視界以來(lái)所經(jīng)過(guò)的時(shí)間成比例。（ESO、歐空局/哈勃、M. KORNMESSER）

現(xiàn)在，想象一下同樣的場(chǎng)景，但這次，不要想象你正在從遠(yuǎn)處觀察墜落的物體。相反，想象你自己是墜落的對(duì)象。你的經(jīng)歷會(huì)非常不同。

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隨著空間的曲率變嚴(yán)重，事件視界似乎比你預(yù)期的要快得多。在事件視界周?chē)?，空間是如此的扭曲，以至于你開(kāi)始看到外部宇宙的多個(gè)圖像，就像它們被反射和反轉(zhuǎn)一樣。

一旦你越過(guò)了事件視界，你不僅還能看到宇宙的外在，還能看到宇宙在事件視界中的一部分。你收到的光會(huì)變藍(lán)，但隨后又會(huì)變紅，因?yàn)槟悴豢杀苊獾爻纥c(diǎn)而落下。在最后時(shí)刻，空間會(huì)顯得異常平坦。

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其物理原理很復(fù)雜，但計(jì)算簡(jiǎn)單明了，科羅拉多大學(xué)的安德魯·漢密爾頓在2000年代末至2010年代初的一系列論文中表現(xiàn)最為優(yōu)雅。漢密爾頓還根據(jù)這些計(jì)算，創(chuàng)建了一系列壯觀的可視化效果，這些可視化效果是當(dāng)你掉進(jìn)黑洞時(shí)所看到的。

從檢查這些結(jié)果中我們可以學(xué)到許多教訓(xùn)，其中許多都是違反直覺(jué)的。嘗試和理解它的方法是改變你可視化空間的方式。通常，我們認(rèn)為空間是一種靜止的織物，我們認(rèn)為觀察者被"推倒"在某處。但是在事件視界中，你總是在運(yùn)動(dòng)。空間從根本上是運(yùn)動(dòng)——就像移動(dòng)的走道——不斷地移動(dòng)著其中的一切，向奇點(diǎn)移動(dòng)。

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在事件視界內(nèi)外，空間像移動(dòng)的走道或瀑布一樣流動(dòng)，這取決于你要如何可視化它。在活動(dòng)視界，即使你以光速奔跑（或游泳），也不會(huì)克服時(shí)空的流動(dòng)，時(shí)空的流動(dòng)會(huì)把你拖入中心的奇點(diǎn)。（安德魯·漢密爾頓 / 吉拉 / 科羅拉多大學(xué)）

它移動(dòng)一切的速度如此之快，即使你以無(wú)限力直接加速遠(yuǎn)離奇點(diǎn)，你仍然會(huì)朝中心墜落。來(lái)自事件視界之外的對(duì)象仍將有其光從四面八方與您相遇，但您只能從事件視界內(nèi)看到部分對(duì)象。

當(dāng)你落入黑洞或只是非常接近事件視界時(shí)，其大小和比例看起來(lái)比實(shí)際大小大得多。對(duì)一個(gè)外部觀察者來(lái)說(shuō)，看著你掉進(jìn)去，您的信息就會(huì)在事件視界上被編碼。當(dāng)黑洞蒸發(fā)時(shí)，這些信息會(huì)發(fā)生什么事情仍然沒(méi)有答案。（安德魯·漢密爾頓 / 吉拉 / 科羅拉多大學(xué)）

其原因是宇宙本身始終處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的結(jié)構(gòu)。在事件視界內(nèi)，空間比光移動(dòng)得快，這就是為什么沒(méi)有什么能從黑洞中逃脫。這也是為什么，一旦進(jìn)入黑洞，你開(kāi)始看到奇怪的事情，如同一物體的多個(gè)圖像。

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你可以通過(guò)問(wèn)一個(gè)問(wèn)題來(lái)理解這個(gè)問(wèn)題，比如“奇點(diǎn)在哪里？”

從黑洞的事件視界中，如果你向任何方向移動(dòng)，你最終會(huì)遇到奇點(diǎn)本身。因此，令人驚訝的是，奇點(diǎn)出現(xiàn)在所有方向如果你的腳直接指向你加速的方向，你會(huì)看到他們下面你，但你也會(huì)看到他們上面你。所有這一切都是直接計(jì)算，即使它非常違反直覺(jué)。這只是為簡(jiǎn)化的情況：非旋轉(zhuǎn)黑洞。

2017年4月，與事件地平線望遠(yuǎn)鏡相關(guān)的8個(gè)望遠(yuǎn)鏡/望遠(yuǎn)鏡陣列都指向了Messier 87。這就是一個(gè)超大質(zhì)量黑洞的樣子，在那里事件視界清晰可見(jiàn)。只有通過(guò)VLBI，我們才能達(dá)到構(gòu)建這樣的圖像所需的分辨率，但有朝一日的潛力可以將其提高數(shù)百倍。陰影與旋轉(zhuǎn)（克爾）黑洞一致。（事件地平線望遠(yuǎn)鏡協(xié)作等）

現(xiàn)在，讓我們來(lái)來(lái)一個(gè)物理上有趣的例子：黑洞在哪里旋轉(zhuǎn)。黑洞的起源是物質(zhì)系統(tǒng)，如恒星，它們總是在一定程度上旋轉(zhuǎn)。在我們的宇宙中（和廣義相對(duì)論中），角動(dòng)量對(duì)于任何接近系統(tǒng)來(lái)說(shuō)都是絕對(duì)保守的;沒(méi)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)被困在其中，就像質(zhì)量一樣。

我們現(xiàn)在得到的解決方案要復(fù)雜得多。愛(ài)因斯坦在1915年提出了廣義相對(duì)論，卡爾·施瓦茨柴爾德在幾個(gè)月后，即1916年初，得出了非旋轉(zhuǎn)黑洞溶液。但是，在以更現(xiàn)實(shí)的方式建模這個(gè)問(wèn)題的下一步——考慮黑洞也有角動(dòng)量，而不是質(zhì)量——直到1963年羅伊·克爾找到確切的解決方案后，才得到解決。

1963年，Roy Kerr發(fā)現(xiàn)了質(zhì)量和角動(dòng)量黑洞的精確解，并揭示了一個(gè)點(diǎn)狀奇點(diǎn)、內(nèi)外部事件視界以及內(nèi)層和外層的異常事件視界，而不是單個(gè)事件視界。，加上圓環(huán)狀的奇點(diǎn)半徑。（馬特·維塞爾，ARXIV：0706.0622）

更天真、更簡(jiǎn)單的施瓦茨柴爾德解決方案和更現(xiàn)實(shí)、更復(fù)雜的克爾解決方案之間存在一些基本和重要的區(qū)別。沒(méi)有特定的順序，下面是一些迷人的對(duì)比：

旋轉(zhuǎn)黑洞具有兩種數(shù)學(xué)解：內(nèi)部和外部事件視界，而不是事件視界的單一解決方案。

甚至在外部事件視界之外，還有一個(gè)稱(chēng)為"球圈"的地方，空間本身以相當(dāng)于光速的旋轉(zhuǎn)速度被拖曳，而落在那里的粒子會(huì)經(jīng)歷巨大的加速。

允許的最大角動(dòng)量與質(zhì)量比率;如果有太多的角動(dòng)量，黑洞會(huì)（通過(guò)引力輻射）將能量輻射出去，直到它低于這個(gè)極限。

也許最迷人的是，黑洞中心的奇點(diǎn)不再是一個(gè)點(diǎn)，而是一個(gè)一維環(huán)，環(huán)的半徑由黑洞的質(zhì)量和角動(dòng)量決定。

旋轉(zhuǎn)黑洞的陰影（黑色）地平線和球?qū)樱ò咨Ｔ趫D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，黑洞事件地平線望遠(yuǎn)鏡看到的陰影遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于黑洞本身的事件視界或球體。（尤克特雷斯（維也納西蒙·蒂蘭）/維基媒體共享資源）

考慮到這一切，當(dāng)你掉進(jìn)一個(gè)旋轉(zhuǎn)的黑洞里時(shí)會(huì)發(fā)生什么？當(dāng)你掉進(jìn)一個(gè)非旋轉(zhuǎn)的黑洞時(shí)，也會(huì)發(fā)生同樣的事情，只不過(guò)所有空間都不像正在向中心奇點(diǎn)而落下。相反，空間也像沿旋轉(zhuǎn)方向被拖動(dòng)一樣，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)速度越快。

雖然旋轉(zhuǎn)黑洞的時(shí)空在（外部）事件視界外和內(nèi)部流動(dòng)的概念與非旋轉(zhuǎn)黑洞的概念相似，但當(dāng)你考慮從該視界墜落的觀察者將看到外部（和內(nèi)部）世界時(shí)，有一些根本的差異會(huì)導(dǎo)致一些令人難以置信的不同細(xì)節(jié)。當(dāng)您遇到外部事件視界時(shí)，模擬會(huì)中斷。（安德魯·漢密爾頓 / 吉拉 / 科羅拉多大學(xué)）

這意味著，如果你看到的東西下降，你會(huì)看到它變白，但也涂抹成一個(gè)環(huán)或磁盤(pán)沿旋轉(zhuǎn)的方向。如果你掉進(jìn)去，你會(huì)像在一些令人發(fā)狂的旋轉(zhuǎn)木馬上一樣被鞭打，把你吸向中心。當(dāng)你到達(dá)奇點(diǎn)時(shí)，它將是一個(gè)環(huán);身體的不同部分將在不同的空間坐標(biāo)處遇到克克爾黑洞內(nèi)表面的奇點(diǎn)。當(dāng)你從事件視界中接近奇點(diǎn)時(shí)，你將逐漸無(wú)法看到自己身體的其他部分。

你應(yīng)該從這一切中帶走的最深刻的信息是，空間的結(jié)構(gòu)本身在運(yùn)動(dòng)，并且事件視界被定義為即使你能以最終的宇宙速度極限——光速——在什么位置移動(dòng)的位置。你選擇的方向，你總是會(huì)遇到奇點(diǎn)。

安德魯·漢密爾頓的可視化效果是最好的，最科學(xué)準(zhǔn)確的模擬落入黑洞真正的樣子，是如此違反直覺(jué)，我真正可以推薦的是，你看著他們一遍又一遍，直到你愚弄自己認(rèn)為你明白它。這是怪異的，美麗的，如果你有足夠的冒險(xiǎn)精神，永遠(yuǎn)飛到一個(gè)黑洞，并在事件地平線內(nèi)交叉，這將是你最后看到的東西

作者: starts-with-a-bang

FY: 川上司賢

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