掉進黑洞是什么感覺？或許你會看到完全不一樣的世界！

• 從黑洞外面，所有的物質都會發(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，我們知道它實際上會是什么樣子。

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，你的肺就會爆炸; 如果你呼出每一分子的空氣，你就會在幾秒鐘內(nèi)消失。在某些地方，當你的身體被吸出時，你會凍結固體; 在其他地方，你的原子會變成等離子體。但是，在宇宙處理某人的所有方式中，我認為沒有比將人送入黑洞更令人著迷的了。

這是一個非常有趣的問題，也是科學可以回答的問題。我們來看看。

• 大量彎曲的時空的例證，在黑洞的事件天際之外。隨著您越來越接近質量的位置，空間變得更加嚴重彎曲，最終導致一個位置，即使光線也無法逃脫：事件視界。該位置的半徑由黑洞的質量，光速和廣義相對論的規(guī)律來設定。從理論上講，應該有一個特殊的點，一個奇點，其中所有的質量都集中在靜止的，球對稱的黑洞上。

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

1. 質量，或物質的總量和等效的能量（通過 E = mc2）進入形成和生長黑洞到其現(xiàn)狀。
2. 在歷史上落入黑洞的所有帶正電和負電的物體中，黑洞中存在的電荷或凈電荷。
3. 角動量或旋轉，它是黑洞固有的旋轉運動總量的量度。

實際上，我們宇宙中物理存在的所有黑洞應該具有大質量，大量的角動量和可忽略不計的電荷。這使事情變得非常復雜。

• 當一顆足夠大的恒星結束它的生命，或者兩顆足夠巨大的恒星殘余物合并時，就會形成一個黑洞，其中一個事件視界與其質量成正比，并且周圍有一個吸收物質的吸積盤。當黑洞旋轉時，事件視界外部和內(nèi)部的空間也會旋轉：這是框架拖動的效果，這對于黑洞來說可能是巨大的。

當我們通常想到一個黑洞時，我們想象的更為簡單：只用它的質量來描述。它具有圍繞單個點的事件視界，以及圍繞該點的區(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離奇點。

這是一個逼真的黑洞的簡化版本，但是開始考慮在兩個不同的地方發(fā)生的物理學的好地方：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黑洞，事件視界內(nèi)的一切都會變成一個奇點，最多只是一維的。沒有3D結構可以完整地存活。

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

假設你能夠保持靜止狀態(tài)，你會看到這個無意義的物體慢慢加速離開你，朝著這個黑洞。它將加速到事件視界，保持相同的顏色，然后會發(fā)生奇怪的事情。它似乎會減速，逐漸消失，顏色變紅。但它不會完全消失; 不是很快，也不是永遠。相反，它只會接近這種狀態(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。

• 這位藝術家的印象描繪了一個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，雖然它們的光線會顯得微弱和紅色（很容易移動到人眼看不見的紅色），這與它們越過事件視界時所經(jīng)過的時間量成比例。

現(xiàn)在，想象一下相同的情景，但這一次，不要想象你正在遠遠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令人信服的對象。你擁有的經(jīng)驗會有很大的不同。

由于空間曲率變得嚴重，事件視界似乎變得比你預期的要大得多。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，你不僅會看到外面的宇宙，還會看到事件視野內(nèi)的宇宙的一部分。你收到的光會藍移，但隨后會再次紅移，因為你不可避免地會走向奇點。在最后時刻，空間奇怪地看起來完全平坦。

這樣做的物理是復雜的，但計算是簡單的，并且最優(yōu)雅的科羅拉多大學的安德魯·漢密爾頓進行了一系列 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果中學到許多經(jīng)驗教訓，其中許多都是違反直覺的。嘗試理解它的方法是改變你可視化空間的方式。通常情況下，我們認為空間是一種固定的織物，我們認為觀察者在某處被“淹沒”。但在事件視野中，你總是處于運動狀態(tài)。空間從根本上處于運動狀態(tài) - 就像一條移動的走道 - 不斷地將空間中的一切都移向奇點。

• 在事件視界內(nèi)外，空間像移動人行道或瀑布一樣流動，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），也不會克服時空的流動，這會讓你陷入中心的奇點。

它會如此迅速地移動所有東西，即使你用無限的力量直接從奇點加速，你仍然會朝著中心落下。事件視界之外的物體仍然可以從各個方向遇到你的光，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。這意味著奇點，即使它是一個點，也不會不可避免地連接掉其他所有東西。如果你和我同時落入事件視界的兩側，我們將永遠無法在地平線穿越之后看到彼此的光。

• 當你陷入黑洞或者只是非常接近事件視界時，它的大小和比例看起來比實際大小要大得多。對于一個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)，這些信息會發(fā)生什么變化仍然沒有答案。

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

你可以通過問一個類似“奇點在哪里？”之類的問題來理解這一點。

從黑洞的事件視界內(nèi)部，如果你朝任何方向移動，你最終都會遇到奇點。因此，令人驚訝的是，奇點出現(xiàn)在各個方向！如果你的腳直接指向你正在加速的方向，你會看到它們在你下方，但你也會看到它們在你的上方。所有這一切都是直接計算的，即使它非常違反直覺。這僅僅是為了簡化案例：非旋轉黑洞。

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

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

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

• 具有質量和角動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，而不是具有點狀奇點的單個事件視界，內(nèi)部和外部事件視界，以及內(nèi)部和外部的ergosphere，加上一個相當大的半徑的環(huán)狀奇點。

更天真，更簡單的Schwarzschild解決方案與更現(xiàn)實，更復雜的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比：

1. 旋轉黑洞不是單一的事件視界解決方案，而是有兩個數(shù)學解決方案：內(nèi)部和外部事件視界。
2. 在外部事件視界之外，有一個稱為ergosphere的地方，其中空間本身以等于光速的旋轉速度被拖動，并且落在那里的粒子經(jīng)歷巨大的加速度。
3. 允許的角動量與質量的最大比率; 如果角動量太大，黑洞會將能量輻射（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，黑洞中心的奇點不再是一個點，而是一維環(huán)，其中環(huán)的半徑由黑洞的質量和角動量決定。

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

考慮到這一切，當你落入一個旋轉的黑洞時會發(fā)生什么？當你陷入一個非旋轉的黑洞時會發(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中心奇點下降。相反，空間也表現(xiàn)得好像沿著旋轉方向被拖動，就像旋轉的漩渦一樣。角動量與質量的比率越大，旋轉的速度越快。

• 雖然時空如何在旋轉黑洞的（外部）事件視界之外和之內(nèi)流動的概念類似于非旋轉黑洞的概念，但是當你考慮什么時，有一些基本的差異會導致一些令人難以置信的不同細節(jié)。經(jīng)歷那個地平線的觀察者將看到外部（和內(nèi)部）世界。當您遇到外部事件視界時，模擬會中斷。

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

你應該從這一切中獲取的最深刻的信息是空間結構本身就在運動中，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的位置 - 光速 - 無論你選擇什么方向，你總會遇到奇點。

安德魯·漢密爾頓的可視化是最好的，最科學準確的模擬真實看起來像什么，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為你明白它。這是令人毛骨悚然，美麗的，如果你冒險到足以讓自己飛到一個黑洞并穿過事件視界，這將是你見過的最后一件事！