對於黑洞是什麽這樣的問題,其實我往常都會講壹下它的歷史,但由於關於黑洞的歷史我已經講過不止壹次了,所以這篇回答我將完全不講歷史。
黑洞這個名字給人壹種神秘感,覺得會是壹個陰森森的神秘物體。不過事實上雖然它確實有點可怕,但其實它特簡單,曾經有人說過黑洞是宇宙中最簡單的天體,因為它只有三個物理量,也就是它只需要用三個物理量就可以被準確描述,這三個物理量分別是:質量、電荷和角動量。這三個物理量就是目前已知的黑洞的全部了。
不過絕大多數人聽說過的黑洞其實只有壹個物理量,那這是宇宙中最簡單的天體了,它叫史瓦西黑洞。它是由史瓦西半徑公式給出的壹個只有質量這壹個物理量的天體。通過把壹定的質量代入史瓦西半徑公式,就可以計算出壹個半徑,而當所有的質量都集中到這個半徑以內時,這個天體就會變得不可見,因為宇宙中速度極限的光速也無法從這個半徑範圍內逃離了,這個半徑構成的壹個球面稱為視界面,而這個視界面作為邊界的球形天體就叫黑洞。嚴格說這個叫史瓦西黑洞。
根據廣義相對論,黑洞的視界面是壹個單向膜,視界面以內是單向的,所以不會有任何物體(包括光)會在視界內往視界跑。也就是說,所有落入視界的物體都會不可逆地落向黑洞中心的奇點。它之所以不可逆的原因就是在視界內時空發生了互換,從視界面到中心奇點的方向從空間方向變成了時間方向。所以落入視界的物體我外界看來並非沿空間方向落向奇點,而是沿著時間方向落向奇點。而奇點在廣義相對論裏被定義為時間為0的點,用人話講就是時間的終點!
史瓦西黑洞是壹種非常極端的黑洞,它要求的初始條件非常苛刻:總電荷為0,總角動量為0,用人話說就是不帶電,不自轉。這對於壹個由生命末期的大質量恒星核心坍縮形成的大質量天體來說,基本上是不可能實現的,因此壹般來說,自然界不存在嚴格意義上的史瓦西黑洞。
那麽自然界的黑洞都是什麽黑洞?可以確定的是壹般都是帶自旋的黑洞,這種稱為克爾黑洞。至於帶不帶電,壹般也認為會帶電,但這個我們其實不好確定。
關於克爾黑洞,它其實就是壹種高速旋轉的史瓦西黑洞,也是相對簡單的,但已經比史瓦西黑洞復雜很多了。科幻電影《星際穿越》裏的黑洞就是壹個極端的克爾黑洞,說它極端是因為它的自旋速度極高,已經接近其自旋速度的理論上限了。
上面這個就是《星際穿越》裏的克爾黑洞卡岡圖雅,這是接近其自旋赤道面的視角,有沒有發現它的左右是不對稱的?這就是克爾黑洞的典型特征,我們看到的是黑洞的吸積盤,它會在克爾黑洞高速自旋所產生的時空拖拽下沿壹個方向繞黑洞高速旋轉,這將使其中壹邊的吸積盤高速靠近我們,而另壹邊則高速遠離我們,這就產生了嚴重的多普勒效應,導致靠近壹邊的吸積盤比遠離那壹邊的吸積盤更亮。
這種根據理論繪制的克爾黑洞更符合事實,不過可能這會導致黑洞缺乏美感,所以電影裏並沒有這樣呈現。而關於克爾黑洞的奇異特性我們可以從電影裏了解,因為這電影的科學顧問是頂級的廣義相對論權威,2017年度諾貝爾物理學獎得主基普?索恩,所以妳其實完全可以把這部電影當做壹部科普啟蒙電影來看。
在電影中,男主角庫珀落入了高維文明放置在黑洞奇點旁的超體空間中,妳沒看錯,那是壹個奇點旁,但這個奇點並非史瓦西黑洞中的中心奇點,而是壹個極端克爾黑洞特有的,繞中心奇點旋轉的外飛奇點。在理論裏,這個奇點時空曲率並沒有中心奇點那麽大,而且由於高速繞中心奇點旋轉,所以當庫珀與它相遇時會在極短時間內擦肩而過,庫珀的身體得以保留。
從上圖妳看見什麽?沒錯,還有壹個下落奇點,它跟外飛奇點壹樣都是極端克爾黑洞裏高速繞中心奇點旋轉的,而那個給庫珀傳送奇點數據的AI塔斯所落經過並記錄下數據的奇點就是下落奇點。
到這裏是不是已經覺得黑洞其實壹點也不簡單了,其實還有更復雜的,就是帶電的黑洞。