第1个回答 2022-07-18
当一颗足够大的恒星走向尽头，或者两个足够大的恒星残骸合并时就会形成黑洞。黑洞的视界线的大小与恒星的质量大小成正比（视界线：黑洞的边界，在此边界内的光无法逃离），并且在其周围存在有大量掉落物质所形成的吸积盘。(ESA/HUBBLE, ESO, M. KORNMESSER)。图源：sina.cn
如果你只能提出一个关于宇宙的问题，你想要问什么？你最想知道的是什么？随着慢慢变老，我们失去了孩童时期对事物的好奇心，这是收到埃里克·厄布（Eric Erb）的还在上二年级的孩子特里斯坦（Tristan）从学校带回来十个问题时感到开心的原因，他最好奇的是关于时间和重力的谜题。冷静下来，我将他的问题放在下面：
让我们从第一个问题逐步解答。
通常来说：物质会被地球所阻挡，但是暗物质可以直接穿过，形成一个近乎完美的椭圆。如果在一个系统之中，如果仅有的力是万有引力，并且其它一切都被忽略的话，这种结果一定会发生（Dave Goldberg从数学家/物理学家哪那里得到的答案）
首先你需要知道，只要在宇宙中没有任何事物接触到你，那你就是自由的。这里的自由并不是法律或者人权层面上的意义，而是说，你不会被任何外力推动或者拉扯。
你可以参考宇航员在太空中自由漂动的场景：没有地面支撑、没有风吹向你、没有椅子可坐以及没有人触碰到你，你在宇宙中是自由的。
这同样也意味着，即使没有经常这样想，你也是被万有引力自由地推动的。
美国国家航空航天局（NASA）宇航员布鲁斯·麦坎德利斯（Bruce McCandless）乘坐STS-41-B进行有史以来最长的无限制太空行走。没有东西触碰，也没有外力作用，他自由落体，所承受的仅仅是万有引力。
确实你感觉不到，但是万有引力一直在拉扯你。你说你在地球表面感受到了那种力量？不，那不是万有引力，那是由椅子、地面或者其他支撑物给你带来的一种力的平衡感。撤除这些支撑力，像是你跳起来，那种瞬间失重的感觉就是自由落体，或者说只受万有引力的作用。
在真实的宇宙中，充斥着大量的质量。地球是质量，太阳是质量，宇宙中的所有世界、恒星和星系都是质量。如果你能够将空间可视化，会发现它不仅仅是一个平坦的网格，它会在各种质量的作用下变形。当你仅在万有引力的作用下穿越宇宙的时候，扭曲的网格将会决定你怎样移动。
一个物质的下降将会导致直线而非空白、漆黑、3D的网格弯曲一定的程度。在广义相对论中，我们认为时间和空间是连续的，但是一切形式的能量（包括但不限于物质）都会导致一定的时空扭曲率（NETWORKOLOGIST和THE PRATT INSTITUTE的首席CHRISTOPHER VITALE）。
这就是万有引力：能使空间在质量和能量的作用下扭曲，使其他物体（比如你）存在于空间之中。
不要被个静态的图片所迷惑，空间的结构会因为质量的移动而发生变化。随着地球围绕太阳旋转，空间的扭曲变化着；随着太阳围绕银河系旋转，空间的曲率变化着；随着恒星的形成、存在、爆炸和死亡，空间的结构变化着。
这是宇宙之舞的一部分，也是万有引力故事的一部分；随着质量的变化与移动，随着宇宙的扩张，随着宇宙中发生的一系列进程，宇宙的结构变化着。但讲了那么多，万有引力依然是真实的，不断地牵扯着我们并使我们感觉是在自由落体。
形象地观察物质在时空中的运动有助于从本质直观地展现出物质不仅仅是一块组织，而是整个空间都因宇宙中的物质和能量的存在和性质扭曲。
只要你以正确的速度、位置和方向移动，就可以对宇宙中的任何天体做稳定的周期运动。
但是一旦有什么差错，你就会落入该天体中，举个例子，如果没有按照足够的速度发射火箭，它就会落回地球。行星的速度过慢，它就会落入太阳；恒星的速度过慢，它就会落入宇宙的中心。
极端状态下，如果你有一些差错，甚至可能会落入黑洞中。黑洞是一个“超级质量”：它的密度之大、体积之巨、物质之紧凑，使得任何落入其中的物质都无法逃离。即时是宇宙中最快的速度——光速，也是如此。
这是一张时空严重弯曲的图片，摄于黑洞之外。随着越来越靠近黑洞，空间愈加扭曲，最终归于一个连光都无法逃离之地——事件视界。
当你逐渐靠近黑洞的事件视界时，会有很多超乎常理的事情发生，而一旦越过黑洞，事情则会一发不可收拾。对于你一旦越过这一看不见的障碍，便无法脱身，有一个非常合理的解释。
当你距离黑洞比较远的时候，空间的扭曲程度很小。事实上，当你距离黑洞很远时，黑洞的引力与其他星体的引力无法区分，无论是中子星、常规星还是弥散的气体云。你知道时空是扭曲的仅仅是因为你能在远处看到质量的存在状态，而不是由于质量的性质或者分布。
你会在力的作用下自由落体，可以把黑洞替换成其它的物质，只不过看起来施力点是个黑洞。
银河背景下的黑洞轮廓的可视化效果。事件视界是黑暗的区域，没有光可以逃离。(SXS TEAM; BOHN ET AL. 2015)
当你接近时会觉得有些不对劲：有什么在拉扯你的身体。如果你的脚比你的头更接近事件视界，你会感受到从头到脚的拉扯，然而你的身体两侧却在压缩。这就是潮汐力，正是它导致了地球的潮起潮落。
只要黑洞足够强大，它的潮汐力会在你距离比较近的时候极大地拉伸和压缩你。它会把你拉得足够细长，它会高效地把你变成一根面条。科学家们早就了解了这一现象，实际上我们用“意大利面化”来戏称某个物体落入黑洞。
即使一开始是个完美的球形，也会在黑洞的方向上被拉伸，而在垂直于黑洞的方向上被压缩。物体中心所受的力等同于平均净力，但距中心不同的点会承受不同的净力，于是便产生了“意大利面化”的现象。(KRISHNAVEDALA / WIKIMEDIA COMMONS)
你所看到的是如此地令人着迷，在距离比较远的时候，你看到的仅仅是空间的扭曲，就像这个物质成了一个巧妙的宇宙透镜使它附近的所有光变得扭曲。但是当你装备着精良的装备和坚不可摧的宇宙飞船时进行宇宙航行时，随着逐渐靠近黑洞，你会发现一些奇妙的事情。
当你的距离是之前的一半时，它的尺寸会比之前的两倍还要大；当你的距离是之前的四分之一时，它的尺寸会比之前的四倍还要大。
与常识相违背的是由于夸张的空间曲率，看起来似乎与预期不同，黑洞的尺寸相对于距离成比例地增加。
按照广义相对论，让空间延伸与扭曲的力会使得来自黑洞背面的光线在其周围弯曲，从而留下大量与事件视界相伴的黑暗圆盘。(UTE KRAUS, PHYSICS EDUCATION GROUP KRAUS, UNIVERSITAT HILDESHEIM)
道理很简单，尽管质量会弯曲时空，但是放你越来越靠近一个非常密集的大质量，比如黑洞，空间的曲率会越来越大。这当然会增加你所受的潮汐力，同样也会增加黑洞周围的光线的弯曲数量。
与实际的物理尺寸相比，视界范围看起来非常大。背景中遥远的恒星的位置发生严重的移动，事件视界会占据你的所有视线。
当你落入黑洞或者非常靠近事件视界时，其的大小和范围会比实际大得多。对于一个旁观者来说，你坠落的信息会在视界内被编码。没有人知道当黑洞消失，那些信息究竟会发生什么。(ANDREW HAMILTON / JILA / UNIVERSITY OF COLORADO)
当你越来越靠近事件视界，它会覆盖你的视觉范围。一旦你穿过事件视界，命运即注定。除了中心的奇点，没有别的能量可以将你带走，它可以在几秒钟之内将你粉碎为亚原子粒子。
但是一切还不确定！
只要你没有跨过事件视界，还是有机会出来的。如果在事件视界范围以外给予足够的加速度，就可以逃脱它的引力到一个空间比较安全的、远离黑洞的平缓区域。你的重力感应器会提示你在黑洞那边有向下的坡度，在远一点的地方你依旧可以看到星光。
以上可视化的效果基本都是正确的，唯一的例外是当你落入黑洞时，会发生颜色的变化。随着落入，由于时空引力弯曲的加速，进入眼睛的光线会看起来更蓝。
如果继续向事件视界坠落，你会看到星光在你的身后压缩成一个小点，由于重力蓝移而变化成蓝色。如果你在即将进入事件视界时往宇宙外看一眼，会发现这个小点变成红色，白色，然后又变成蓝色，宇宙中的微波与无线电在那一瞬间成为可视光谱的一部分，这一假设基于没有其他的东西随着你一起坠入黑洞。
这是每个人都有可能看到的最奇特的宇宙微波背景的景象：在接触黑洞中心奇点的最后一刻，蓝移能量由你的身后而来。(E. SIEGEL)
随后便是无边黑暗，在事件视线的内部，没有任何宇宙外部的光可以照射在你的飞船之上。不管你如何发动引擎，无论你做什么，都没有办法逃出去。你所看到的并不是你前进的方向，无论你向何处行驶，奇点始终在你的前方。
但实际上你并没有看到奇点，这便是空间严重弯曲的怪异之处。 宇宙外的光跟随你一起进入黑洞，在你之前、之后或者一起穿过事件视界。下面的视频显示如果你与宇宙外的光按照常识一样，一同进入事件视界之中会发生什么。（你将会在0:37的标记处穿越事件视界）
自你穿过视界之后，仅需几秒，便会粉碎。但是在最大的黑洞中，会通向其他的地方：白洞、另一个宇宙或是笼罩在事件视界之下我们无法看到的世界。我们无法在外部获得事件视界范围内的任何信息，所知的仅仅是我们假设的理论。
我建议你尽量避免落入黑洞之中，因为等待你的只会是被粉碎。但如果你真的进去了，那你就是唯一一个知道它是怎样的人类，是第一个挖掘黑洞之谜的人。你可能选择不这么做，这无疑是明智的。但在宇宙中，只有冒险才能掌握真理，也许在这里阅读的某一个人，便是破迷的第一人。
作者: starts-with-a-bang
FY: 牧小晨
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