在廣義相對(duì)論發(fā)展的早期，人們?cè)詾橐暯缰畠?nèi)有一個(gè)奇點(diǎn)，但現(xiàn)在證明這是錯(cuò)的。
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NASA / JPL-加州理工學(xué)院
黑洞的視界分兩種
界定黑洞的特征是“視界（horizon）”。視界是黑洞周?chē)粋€(gè)只進(jìn)不出的邊界，所有一切都無(wú)法從視界逃離，即使是光也不行。如果這個(gè)邊界是永久性的，那就叫“事件視界（event horizon）”。如果只是暫時(shí)存在，就叫“表觀視界（apparent horizon）”。但是表觀視界存在的時(shí)間仍然可以比當(dāng)前宇宙的年齡還要長(zhǎng)！因此這兩種情況是無(wú)法通過(guò)觀測(cè)加以區(qū)分的。
Adam Apollo
相對(duì)而言黑洞的體積并不算大
可以把黑洞的視界想像成球體，它的直徑和黑洞的質(zhì)量存在著直接的比例關(guān)系。黑洞吞掉的物質(zhì)越多，體積和質(zhì)量就會(huì)越大。和恒星這類天體相比，黑洞是比較小的。這是因?yàn)楹诙吹木薮筚|(zhì)量被強(qiáng)大的引力壓縮成了很小的體積。一個(gè)質(zhì)量相當(dāng)于地球的黑洞，半徑只有幾厘米。與地球的實(shí)際半徑要相差100億倍！
黑洞的半徑被稱為“史瓦西半徑”。史瓦西是首個(gè)根據(jù)愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論推導(dǎo)出黑洞存在的科學(xué)家。
伯明翰圖書(shū)館
跨越視界并不一定會(huì)被撕碎
跨越視界時(shí)，周?chē)](méi)有什么不同。這是根據(jù)愛(ài)因斯坦等效原理（equivalence principle）所作的推論。該原理認(rèn)為，在平坦空間中的加速，與在導(dǎo)致空間彎曲的引力場(chǎng)中加速，并不會(huì)產(chǎn)生任何可感知的區(qū)別。但是遠(yuǎn)處的觀察者會(huì)發(fā)現(xiàn)，跨越視界者接近視界的速度會(huì)越來(lái)越慢。這是因?yàn)楹诙匆暯绺浇臅r(shí)間比遠(yuǎn)處要慢得多。他們永遠(yuǎn)也看不到前者越過(guò)視界的那一刻。
我們跨越視界時(shí)會(huì)不會(huì)被撕碎，取決于黑洞引力場(chǎng)產(chǎn)生的潮汐力。視界上的潮汐力與黑洞質(zhì)量的平方成反比。這就意味著黑洞越大，它產(chǎn)生的潮汐力就越小。假如黑洞足夠大，我們就可以在毫發(fā)無(wú)損的情況下跨越視界。
這種能把人拉得細(xì)長(zhǎng)的潮汐力作用，還有一個(gè)正式的物理學(xué)術(shù)語(yǔ)——“意大利面條化（spaghettification）”。
Ashley Corbion
黑洞內(nèi)可能并沒(méi)有奇點(diǎn)
沒(méi)有人知道黑洞里究竟有什么，但是可以肯定并沒(méi)有書(shū)架！在廣義相對(duì)論發(fā)展的早期，人們認(rèn)為黑洞內(nèi)存在著一個(gè)引力無(wú)窮大的奇點(diǎn)（singularity），視界內(nèi)的一切都會(huì)墜向奇點(diǎn)。但這實(shí)際上是因?yàn)椋诤诙磧?nèi)部，廣義相對(duì)論已經(jīng)失效。現(xiàn)在人們一般都認(rèn)為，只有量子引力理論才能對(duì)黑洞內(nèi)部加以描述。
理論上黑洞有四種不同的類型
我們現(xiàn)在知道，黑洞有四種不同的產(chǎn)生方式。學(xué)者們了解得最充分的一種黑洞是由恒星坍縮產(chǎn)生的。足夠大的恒星在燃盡了所有可以用來(lái)聚變的燃料后，就會(huì)制造出一個(gè)黑洞。當(dāng)聚變產(chǎn)生的壓力停止后，物質(zhì)會(huì)向它自身的引力中心墜落，從而增大其自身的密度。它的密度足夠大后，便沒(méi)有什么能夠再克服它產(chǎn)生的引力，黑洞由此產(chǎn)生。這類黑洞名為“太陽(yáng)質(zhì)量黑洞”，是最常見(jiàn)的一種。
銀河系中心的超大質(zhì)量黑洞（人馬座A*）。NASA / 錢(qián)德拉X射線天文臺(tái)
第二種是“超大質(zhì)量黑洞”，我們可以在很多星系的中心找到它們。這類黑洞的質(zhì)量在太陽(yáng)質(zhì)量黑洞的十億倍以上。它們的產(chǎn)生原因不明。有人認(rèn)為它們最初是太陽(yáng)質(zhì)量黑洞，后來(lái)在擁擠的星系中心吞食了太多的恒星，才逐漸變大。但實(shí)際上它們吞食物質(zhì)的速度比理論估計(jì)還要快。這同樣也是個(gè)謎。
第三種是有爭(zhēng)議的“原初黑洞”，它們可能是在早期宇宙高密度的波動(dòng)中產(chǎn)生的。也許它們出現(xiàn)過(guò)很多，而且質(zhì)量各異。但是科學(xué)家還不知道該如何在理論中建立一種既能產(chǎn)生這類黑洞，又不至于產(chǎn)生過(guò)多這類黑洞的模型。
最后一種黑洞也僅存在于推測(cè)中?？茖W(xué)家認(rèn)為大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)可以制造出一種質(zhì)量和希格斯玻色子相當(dāng)?shù)奈⑿秃诙础Ｋ拇嬖诳梢宰C明宇宙中確實(shí)存在額外的維度。但是到目前為止，還沒(méi)有與這個(gè)觀點(diǎn)相符的觀測(cè)結(jié)果。
銀河中心恒星群圍繞質(zhì)心的高速運(yùn)動(dòng)。KECK / UCLA銀河中心恒星群 / Andrea Ghez等
科學(xué)家正在計(jì)劃觀測(cè)黑洞的光球
人們已經(jīng)獲得了大量證據(jù)，表明有一些質(zhì)量很大而且不發(fā)光的致密天體存在。這些天體能通過(guò)引力，對(duì)其它恒星或氣體云的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生影響。它們也會(huì)產(chǎn)生引力透鏡現(xiàn)象。人們也已經(jīng)獲知，這些天體不存在硬質(zhì)的表面。這是因?yàn)槿绻@些天體有硬質(zhì)的表面，那么當(dāng)物質(zhì)墜落到這些天體上時(shí)，釋放出的粒子輻射量會(huì)比落入黑洞的視界高得多。科學(xué)家還打算實(shí)施“視界望遠(yuǎn)鏡”計(jì)劃，對(duì)黑洞的另一特征進(jìn)行識(shí)別——觀測(cè)它們的光球（photosphere）。黑洞光球是一種極端的引力透鏡現(xiàn)象。
P. Marenfeld / NOAO / AURA / NSF
黑洞越大其本身的輻射溫度越低
黑洞輻射是一種量子效應(yīng)。要注意的是，這是物質(zhì)的量子效應(yīng)，而非引力的量子效應(yīng)。坍縮黑洞的動(dòng)態(tài)時(shí)空會(huì)改變?nèi)藗儗?duì)粒子的看法。就像黑洞能夠扭曲鄰近時(shí)間的流逝方式一樣，人們對(duì)粒子的看法，也會(huì)因觀察角度的不同而發(fā)生變化。具體來(lái)說(shuō)，當(dāng)觀察者墜入黑洞時(shí)，會(huì)認(rèn)為他墜入的是真空；遠(yuǎn)處的觀察者則會(huì)認(rèn)為那并非真空，而是充滿了粒子。這種效應(yīng)是時(shí)空本身的拉伸造成的。
這種輻射是史蒂芬·霍金首次發(fā)現(xiàn)的，因而被稱為“霍金輻射”?；艚疠椛涞臏囟扰c黑洞的質(zhì)量成反比：黑洞越小，溫度越高。對(duì)于恒星級(jí)和超大質(zhì)量黑洞來(lái)說(shuō)，霍金輻射的溫度遠(yuǎn)低于宇宙微波背景的溫度，因此無(wú)法被觀測(cè)到。
MIT
是黑洞的蒸發(fā)和量子力學(xué)間的矛盾產(chǎn)生了所謂的“黑洞信息丟失悖論”
信息丟失悖論是由霍金輻射引發(fā)的。霍金輻射是一種純熱學(xué)輻射，因此它是無(wú)序、隨機(jī)的，僅有的就是溫度。這種輻射不包含任何與黑洞的形成有關(guān)的信息。但是黑洞會(huì)因?yàn)檩椛涠鴣G失質(zhì)量并縮小，最終會(huì)完全轉(zhuǎn)變成無(wú)序的輻射，遺留下的輻射量只與黑洞的質(zhì)量有關(guān)，而與形成黑洞的物質(zhì)細(xì)節(jié)無(wú)關(guān)，與有什么墜入過(guò)黑洞無(wú)關(guān)。因此，假如我們只知道黑洞的最終蒸發(fā)階段，就無(wú)法知道當(dāng)初是什么形成了黑洞。這是一種被稱為“不可逆”的過(guò)程——麻煩在于，在量子力學(xué)中，不允許這樣的過(guò)程存在。
所以，黑洞的蒸發(fā)和我們所知的量子力學(xué)產(chǎn)生了不一致。大部分物理學(xué)家相信，解決方案可能在于霍金輻射本身會(huì)以某種方式把信息保留下來(lái)。
中子星（左）和黑洞（右）。Dana Berry / NASA
Sabine Hossenfelder 文 / 老孫 譯
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