当我们掉进黑洞时，会有什么神奇的事情发生

故事 06-27 来源：天文在线

当一个质量足够大的恒星结束生命，或者两个足够大的恒星残骸合并时，黑洞就诞生了！它的事件视界与其质量成正比，周围有一个不断膨胀的物质吸积盘。（欧洲航天局/哈勃，欧洲南方天文台，M. 科恩梅塞尔）重力和时间跟我们想象的很不一样，让我们看看这一切会如何结束。

如果只能知道一个关于宇宙的问题的答案，我们会问什么？我们最想知道什么？随着年龄的增长，大多数人都忽略了我们儿时想知道问题的答案的心情，这就是为什么我很高兴收到埃里克·厄布的消息的原因，信中提到了他二年级的儿子特里斯坦从班里带回家的十个问题。激起特里斯坦的好奇心的是其中两个最大的谜团——重力和时间。我刚才问了他，把他想知道答案的两个问题归结为：

当我们掉进黑洞时会发生什么？
为什么我们会受到重力的作用？重力是如何作用于我们的？

让我们重头开始，确保能够得到所有问题的答案。

图解：普通物质会被地球阻挡，但暗物质会直接穿过地球，形成一个近乎完美的椭圆。这是任何系统都会经历的结果，如果唯一作用在暗物质上的力是引力，那么其他作用力都可以被忽略。（来自DAVE GOLDBER- ASK A MATHEMATICIAN/ASK A PHYSICIST）

我们首先要意识到的是，只要我们还在这个宇宙中，而且没有受到外力的作用，我们就“自由”了。我指的不是在某些法律或人权意义上的自由，而是不受任何外力推动或拉动的自由。我们可以想象自己是一个在太空中自由漂浮的航天员：没有地面的支撑，遭受不到空气分子的撞碰，没有椅子可以坐，也没有其他人的触碰，我们在宇宙中是自由的。尽管我们并不会经常这么想，但这也意味着我们被地心引力随意地推来推去。

图解：美国宇航局宇航员布鲁斯·麦克坎德利斯（Bruce Mcccandless）在 STS-41-B 号上进行了有史以来最长的不受束缚的太空行走。在不受外力的作用下，他就可以做自由落体运动; 他体验了纯粹的“自由”，除了重力以外没有受其他力的影响。（图源：美国航天局）

当然，虽然我们可能感觉不到，但重力总是在拉扯着我们。你会认为重力是我们在地球表面感受到的力吗？不，那些是已经与重力平衡的力，比如椅子，地面或其他支撑我们的平面带来的力。不考虑这些力，重力就像在做自由落体时，瞬间失重的感觉。或者可以描述为，此刻我们只受重力的作用。

不过，宇宙中到处都是有质量的物体（质量体）；地球、太阳是，宇宙中的所有世界，恒星和星系都是有质量的。发挥我们的想象力，空间不会是一个平面的网格，由于各种有质量的物体存在，空间会被扭曲。我们在重力的影响下穿梭宇宙时，扭曲的部分将决定我们如何移动。

原本是空无一物的三维网格，由于质量的下放使原本是 "直线" 的东西变得弯曲。在广义相对论中，我们将空间和时间视为是连续的，包括不限于质量的所有形式的能量都会导致时空弯曲。（图源：Christopher Vitale-Networkologie克里斯托弗·维泰）

重力就是空间因为质量（和能量）的存在而产生的弯曲，以及对存在于该空间中的其他物体（比如我们）产生的影响。当然，这个概念并不是一成不变。随着质量体在空间上移动，空间的结构不断变化。地球绕太阳运行时，空间的扭曲程度会改变。太阳绕着星系移动时，空间的曲率会发生变化。随着恒星的形成、活跃、爆炸和死亡，空间结构也在发生变化。

这是伟大的宇宙之舞的一部分，也是重力故事的一部分。伴随着宇宙中发生的一系列运动，比如质量体的移动和变化，以及宇宙的膨胀，空间的结构也在变化。重力永远是真实的，就好像我们做自由落体一般，不断拉扯着所有人。

该动画准确地展现出了时空如何响应质量的移动而移动，不仅是一层结构，整个空间都因宇宙中物质的特性和能量而扭曲（Lucasvb卢卡斯波）

如果以足够的速度和正确的方向从正确的位置移动，我们可以围绕宇宙中的任何质量体形成一个稳定的轨道。但是一不小心，就会落到我们试图绕轨道运行的质量体上。火箭的发射速度不足，它会落回到地球。过于减慢一颗行星的环绕速度，它会掉向太阳。而减缓一颗绕轨道运行的恒星的速度，它就会掉落到星系的中心。而在最极端的情况下，如果我们的环绕运动出现偏差，我们可能会掉进黑洞。黑洞是质量的极限：一个如此密集、如此巨大、如此紧实的黑洞，一旦掉进去，什么都无法从中逃脱。即使是宇宙的极限速度——光速，也逃不掉。

图解：在黑洞的事件视界之外极度扭曲的时空。随着我们距离质量体的位置越来越近，空间会扭曲地更加严重，最终在内部形成一个连光也逃不掉的地方，它被称为事件视界。（图源：PIXABAY用户，约翰内斯堡）

当我们接近黑洞的事件视界时，会发生一些有悖常理的事情，一旦越过它，事情只会变得更糟。所以说一旦冲破那个看不见的屏障，我们就永远都无法逃脱。

当我们远离黑洞时，空间结构就不会那么扭曲了。事实上，当我们远离黑洞时，不论是与中子星、普通恒星，还是气体漫射云相比，它的引力与其他质量体没有什么差别。从远处看，我们只能猜测是质量体的存在，而不是它们的特性或分布导致了时空的扭曲。不论用什么物体来代替黑洞的位置，我们都会做自由落体。只是看起来与黑洞存在时的情况不一样。

图源：在银河系的背景中，黑洞轮廓是什么样子的。事件视界是任何光线都逃不掉的黑暗区域。（SXS 团；BOHN等，2015）

随着与黑洞的距离逐渐缩短，我们会感到有些奇怪：有一种力量在拉扯我们的身体。如果我们的脚比头更接近事件视界，我们会感觉到从头到脚的伸展，而两侧会被压缩。这些都是潮汐力，也是导致地球海洋涨潮的力。只是，黑洞的潮汐力要强得多，我们离得越近，潮汐力带来的伸展和压缩就会愈发严重。它会把我们拉得又细又长，直到我们变成一根面条。科学家们用一个非常有趣的词来描述一个物体掉进黑洞时发生的事情——意面化！

图解：即使我们一开始是一个完美的球体，我们也会在向黑洞的方向上被拉长，被压缩到与它垂直的方向上。物体中心的力将等同于平衡力，而远离中心的不同点将经历不同的力。这是受“意面化”影响的结果。（图源：Krishnavedala- 维基共享资源）

我们将会看到引人入胜的一幕。从遥远的地方望去，我们只会看到它周围的空间扭曲了，好像这个质量体提供了一个巨大的宇宙透镜来扭曲它周围所有的光线。但当我们全副武装，乘坐坚不可摧的宇宙飞船旅行时，随着不断接近黑洞，我们会发现一些奇怪的现象。当我们与黑洞的距离缩短到之前的两倍时，它的角直径似乎增大了两倍多。当我们再缩减一半距离时，角直径似乎又变得更大了：变成了最初的四倍多。

与我们熟知的其他物体不同的是，空间有着难以置信的曲率，多亏这不可思议的时空曲率，导致黑洞的生长速度似乎比我们预想的要快得多。

图解：在广义相对论下，力可以拉伸和扭曲空间，从黑洞后面发出的光就会在它周围弯曲，留下一个很大的暗盘，与黑洞的事件视界相对应。（图源：Ute Kraus- 物理教育组，希尔德斯海姆大学）

简而言之，质量扭曲时空，但当我们越来越接近一个密度极大的质量体时，比如黑洞，空间的曲率就会越来越大，我们身上的潮汐力和意面化的效果就会增强，黑洞周围发出的光线也被进一步弯曲。与实际上的物理大小相比，事件视界会显得更加巨大。在宇宙背景中，遥远恒星的位置遭到了剧烈的扭曲变形，并且事件视界将开始占据我们的整个正面视野。

图解：当我们掉进黑洞或仅仅接近事件视界时，它的大小和规模看起来比实际大小大得多。对于一个处于外部的观察者来说，当我们掉入黑洞时，我们的信息会被印刻在事件视界上。目前我们还不知道，伴随着黑洞的蒸发，这些信息会有怎么样的结果（图源：Andrew Hamilton /Jila-科罗拉多大学）

当我们距离事件视界越来越近的时候，它填满了我们面前的一切。一旦越过，我们的命运就注定了。除了中心的奇点之外，没有多少能量可以让我们移动到别处了。在奇点上，我们会在几秒钟内被压成亚原子粒子。

不，我们还有救！

如果还没有越过事件视界，我们还可以出去。只要提供足以远离事件视界的加速度，我们就可以逃离它的重力，回到安全的宇宙，远离黑洞，回到趋近于平坦的时空。引力传感器会告诉我们，在指向黑暗中心的地方有一个明显的下降梯度，而在方向相反的地方却依然星光熠熠。

上述现象已经八九不离十了；需要强调的是，当我们掉进黑洞的时候，星光的颜色会变化。在重力的影响下空间会进一步扭曲，加速了落在视网膜上的光线，使它们看起来更蓝。如果朝着事件视界前进，最终我们会看到，星光在身后汇聚成一个光点，它在引力蓝移的作用下变成蓝色。在跨越事件视界的最后一刻，光点由红变白，由白变蓝。这是我们掉进黑洞前对外部宇宙的最后一瞥，宇宙微波和射电背景在此刻转化成了可见光。

图解：这将是任何人都可能看到的宇宙微波背景图，非常奇怪、颇具异国情调：人生的最后时刻，掉落黑洞中心的奇点之前，引力蓝移的能量来源于我们身后的一个小点。（图源：E.Siegel）

最后……黑暗，虚无。在事件视界内，来自外部宇宙的光根本无法到达我们的飞船。我们试图启动引擎，但是现在无论我们做什么都是无用功。所见非真：无论往哪个方向走，奇点都会在我们面前。

这个严重扭曲的空间很奇怪，其实我们看不到奇点。实际上，外部的光跟我们一起进入黑洞，越过我们面前的事件视界，与我们若即若离。下面的视频展示了，如果来自外部宇宙的光伴随着我们一起掉进黑洞会发生什么（我们将在视频的37秒处穿越事件视界）。

从越过黑洞的事件视界的那一刻起，只需要几秒钟我们就能被压成碎片。但在最大的黑洞中，我们有可能通向其他地方：一个白洞，另一个宇宙，或者一个被笼罩在事件视界之后的，我们难以想象的新空间。目前，我们无法从外部获得任何关于事件视界内的信息，我们所拥有的只有理论。

不过最好还是不要掉进黑洞，因为最可能的情况是被撕成碎片或被压扁。但如果你真的进去了，你将是唯一知道它确切样子的人，是第一个探索黑洞里面的秘密的人。不过你可能不会想这样做，这可以说是明智的选择。但在这个宇宙中，如果我们想成为这第一人，那么我们必须冒着一些风险去探索。也许你，读到这篇文章的你，会成为第一个给出确切答案的人。