假如乘坐坚不可摧的宇宙飞船,一路进入黑洞会看到什么?

黑洞是整个宇宙中最令人费解的物体之一,也是我们比较关注的一个奇异天体。它的密度如此之大,引力如此之强,以至于落入其中的任何东西,甚至光都无法逃脱。那么如果我们决定从很远的地方开始靠近黑洞,并越过视界面进入黑洞,这一路上我们会看到什么?

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一个距离我们十分遥远的黑洞,并没有什么特殊之处

自从黑洞在理论上被提出以来,我们已经在宇宙中发现了许多物理黑洞,从质量较小的恒星黑洞到星系中心的超大质量黑洞,其质量也从太阳质量的数十倍到数百万倍甚至数十亿倍不等。在银河系的中心,我们已经观察到了大量的恒星围绕着一个质量约为400万个太阳质量的中心点在运动,而且这个中心点完全不发光。

这只有一种解释,这个中心质点就是一个黑洞。

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银河系中心的这个黑洞称为人马座A*,是一个确定的黑洞候选者,由于它的质量相对来说并不是很大(M87星系中心黑洞65亿个太阳质量),因此它并不活跃,没有发出可观测的X射线或者物质喷流。我们仅可以通过测量围绕它运行的恒星来推断出它的存在以及质量。这也是为什么我们公布的黑洞照片是距离我们5500万光年的M87黑洞,而不是我们自己银河系的黑洞。

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当我们乘坐宇宙飞船接近黑洞的视界面时,会发生一些非常违反直觉的事情,而且一旦穿过视界面,将永远无法逃离黑洞!即使我们有一艘能够以任意大的速度向任何方向加速的宇宙飞船,也无济于事。

原因与爱因斯坦最伟大的成就有关,广义相对论告诉我们,质量/能量的存在会使时空发生弯曲,而黑洞的密度和质量可以使其附近的时空发生最强烈的扭曲。

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但离黑洞越远,空间结构就越平坦,也就是说黑洞虽然引力大,但作用范围也是有限的。事实上,当我们离黑洞很远的时候,它的引力和其他质量(中子星,普通恒星还是弥漫的气体云)产生的引力并没有什么区别。

只有我们观察引力源的时候,才会发现它并不像我们熟知的气体云,不像恒星,也像不中子星,而是一个完全黑色的球体,从中看不到任何光线,因此就有了“黑洞”这个绰号。

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这个球形区域被称为事件视界,它不是一个物理实体,而是一个有一定的大小的空间区域,没有光可以从中逃逸。

当我们接近一个黑洞的时候,它看起来就像一个完全漆黑的空洞,在空间背景下,周围环境的光线会被严重的扭曲。

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对于质量相当于地球的黑洞来说,这个黑色的球体半径很小,大约为1厘米,而对于质量相当于太阳的黑洞来说,这个球体的半径将接近3公里。如果我们把黑洞的质量一直放大到超大质量黑洞,例如我们星系中心的那个黑洞,那么它的大小将比木星到太阳轨道的距离还要大,或跟红巨星参宿四的大小一样!

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这就是我们远距离看黑洞时候的样子,没有什么特殊的地方!

那么当我们接近并最终进入一个黑洞时会发生什么?

从很远的地方看,我们所看到的黑洞几何结构与计算相匹配。但是当我们乘坐装备精良、坚不可摧的宇宙飞船旅行并开始接近黑洞时,会注意到一些奇怪的现象。根据我们常识,如果我们和一颗恒星之间的距离减半,那么这颗恒星的角大小就会是原来的两倍。如果距离缩短到四分之一,它看起来会是原来的四倍大。但是黑洞不是这样的。

黑洞大小的增长速度比我们想象的要快得多,假如黑洞本身是满月的大小,但因为空间曲率的影响我们看到的黑洞将是四倍于满月的大小!

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当我们靠近黑洞时,时空会弯曲的越来越严重,这时我们可以通过背景星光看到时空的曲率。

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确切地说,黑洞的表观面积增大的非常快,当我们离它只有大约10个史瓦西半径时,黑洞的大小就已经发展到几乎可以挡住宇宙飞船的整个前景视野。

如果我们继续前进接近视界半径的150%时,就会注意到飞船的前景视野完全变成黑色,一旦我们穿过这个点,即使是背对着黑洞的方向,也开始被黑暗笼罩。这也是由于来自不同光源的光线在这个高度弯曲的时空中的传播方式发生了改变,这些光线已经不能沿直线传播到达我们的眼睛了。例如,当我们把一个电荷放到一个导电球体附近时,下图中的电场线看起来就像光线在黑洞周围的传播方式。

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这个时候我们还没有越过事件视界,仍然可以逃离黑洞。飞船上的重力传感器可以告诉我们,在黑暗的中心有一个明显的重力梯度,这时只要让飞船掉头向相反的方向提供足够的加速度,就可以逃离黑洞的引力,回到安全,平坦的时空。

但如果一意孤行,继续向视界下降,最终会看到星光在我们身后压缩成一个小点,由于重力蓝移,那个点会先变成红色,白色,然后是蓝色,这是因为宇宙微波和无线电背景会在引力的作用下转移到光谱的可见部分,这是我们最后一次看到光线,也是最后一次看到外面的宇宙!

但外部的观察者看来,在我们的宇宙飞船穿越视界面的那一刻,一切都好像静止了,我们发出的光会红移到光谱的红端,我们会在视界面处缓慢的下降知道消失,但我们这时早已经进入了黑洞。

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在越过视界面以后,没有来自外部宇宙的光子会到达我们眼睛,剩下的只是黑暗,什么都没有。如果我们这时后悔了,觉得黑洞里也没什么意思,决定出去!因为我们有坚不可摧的宇宙飞船,还有可以提供无限动力的引擎。你可能认为出去并不是难事。

首先我们要找到出去的方向才能加速,但是这时的重力传感器会告诉我们在各个方向上都有一个重力梯度,甚至是你认为的与奇点相反的方向。也就是说在视界面内已经没有方向可言,奇点好像无处不在。我们不管朝哪个方向走,都会靠近奇点。

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那么这个过程会持续多久?假如我们穿过位于银河系中心400万倍太阳质量的黑洞视界时,尽管这个黑洞的视界直径为大约1光时,我们只需要大约20秒左右的时间就能到达奇点。

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任何加速度,都会使我们以更快的速度接近奇点!因此生存时间最大化的方法就是不要试图逃跑!听天由命,因为奇点在各个方向上,不管我们朝哪里看,都有一个向下的重力梯度。

这就是当我们落入黑洞时,所发生的事情!

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