黑洞裡面是什麼？假如掉進去會看到什麼

黑洞是宇宙中最為令人困惑的天體，它的質量、密度、引力是如此之強，甚至連光線都無法從它旁邊逃脫。那麼黑洞裡面究竟是什麼呢?會不會是另一個宇宙?它到底是不是穿越時間、空間的一扇大門呢?也許在未來的某一天我們會得到答案，但如今的科技是無法解答的，有的只是科學理論。

黑洞裡是什麼?物體掉進黑洞會怎麼樣?

人類在宇宙中已經辨識出了許多黑洞，既有恆星級黑洞，也有超大質量黑洞。恆星級黑洞多位於我們銀河系內，超大質量黑洞多位於星系中心。超大質量黑洞的質量可以達到太陽的幾百萬甚至幾十億倍。

在銀河系中心，有許多恆星圍繞著一個質量為太陽四百萬倍的不發光質心執行。這個質心名為“人馬座A*”，通過對圍繞著它執行的恆星進行測量，我們可以確定它是一個無可爭辯的黑洞候選者。

銀河系中心超大質量黑洞的所在位置。圖/錢德拉X射線天文臺

當我們靠近黑洞的視界，就會發生許多違反直覺的事，而一旦跨越視界，事情會變得更糟。不管是什麼型別的黑洞，也不管飛船有多棒，一旦衝過那道看不見的屏障，就再也出不去了!

廣義相對論是一位看守黑洞的嚴厲女管家。感謝愛因斯坦，今年我們之所以要紀念廣義相對論釋出100週年，部分原因就是它指出了黑洞及其質量，是如何使時空發生彎曲的。

圖/SXS小組，Bohn等人，2015

當我們離黑洞很遠時，空間的彎曲程度很小。我們無法將它產生的引力和其他天體，如中子星或普通恆星，甚至是氣體雲產生的引力相區別。時空雖然已被彎曲，但我們只知道那裡存在著質量，無法指出質量的特性或分佈情況。

然而在視覺上，我們卻可以有與眾不同感受。它不是中子星，不是恆星，也不是氣體雲，而是一個不發光的全黑球體。

這個球體名為視界，並不是一個實在的東西。它是一個有一定體積的空間區域。如果我們靠近黑洞，就會發現它像是空間背景上的一個全黑的孔洞，孔洞周圍的光線則是被嚴重扭曲的。

圖/Ute Kraus，德國希爾德斯海姆大學Kraus物理學教學小組

一釐米大的黑洞質量等於一個地球

一個質量相當於地球的黑洞視界半徑非常小，只有大約一釐米;如果黑洞的質量相當於太陽，那麼這個半徑大約接近三公里。銀河系中心超大質量黑洞的體積相當於一顆參宿四那樣的紅巨星。如果把它放在太陽的位置上，那麼其邊界可能會超越許多行星的軌道!

在距離很遠的地方，黑洞的視覺特徵沒有什麼特別之處。但是如果我們駕駛著一艘堅不可摧的飛船，攜帶著完美無缺的裝置，逐漸靠近黑洞，那麼情況就會變得越來越奇特。

在一般情況下，如果我們離物體越近，它看起來就會越大，並遵循一種簡單明瞭的遞增方式。但黑洞並非完全如此。由於空間的極度彎曲，因此當我們靠近黑洞時，它視覺體積的增長會異常迅速。

圖/Andrew Hamilton

黑洞扭曲了它周圍的時空

如果黑洞視界的大小相當於滿月，那麼它實際上看起來會比滿月大四倍!這是因為隨著我們離黑洞越來越近，時空的彎曲程度會越來越高，周圍的星光會被嚴重扭曲，偏離黑洞所在的區域。

當我們離黑洞只有幾個史瓦西半徑時，它會變得相當巨大，幾乎能阻擋飛船前方的所有光線。而普通天體在這個距離上看起來可能只相當於我們向前伸長手臂後的拳頭。

離黑洞越來越近後，飛船前方將會逐漸陷入一片黑暗，即便是後方，也將開始被黑暗籠罩。這同樣也是光線在極度彎曲的時空影響下產生的結果，就好像點電荷靠近導體球殼時所形成的電場場線一樣。

此刻我們還沒有跨越視界，回頭還來得及。引力感測器會告訴我們，在指向黑暗中心的地方，有一個明確的下降梯度。但在相反的方向上，仍然能夠看到星光。

假如朝著視界繼續向前，那我們就會發現，身後的星光將匯聚成一個很小的光點。在跨越視界前的最後瞬間，光點會在引力藍移的作用下由紅變白，由白變藍。這是我們掉進黑洞前對外部宇宙的最後一瞥，宇宙微波和無線電背景在此刻轉化成了可見光。

然後就是漆黑一團。空無一物。我們在視界內看不到任何來自外界的光線。

發生這種情形的前提是沒有其他物質或光線一起掉進去。下面這段視訊演示的是如果周圍的光線和我們一起進入黑洞時情況又將如何?這種情形在現實中更有可能。跨越視界的時刻大約是在視訊第37秒處。視訊由Andrew Hamilton提供。

一旦跨越視界，無論是否有別的什麼和我們相伴，都會發生一些令人震驚的事件。引力感測器會告訴我們，在所有的方向上都存在指向奇點的下降梯度，即便是在和奇點完全相反的方向上!

這是因為在視界內部，我們發出的任何光線都將墜向奇點;我們已經到達黑洞的咽喉處，一切都無處可逃。

以上發生的一切會持續多久?假如我們掉入的是一個質量為太陽四百萬倍的超大質量黑洞，那麼雖然在外界的參考系內，黑洞的直徑大約有一光時——但是我們抵達奇點的時間卻只需20秒。

生活在極度彎曲的空間裡是一件多麼痛苦的事情!

更為糟糕的是，根據某些假說，無論我們如何加速試圖離開黑洞，都會以更快的速度接近奇點!要活得更久——其實並不久——最好的方法是不要想著逃跑!