夜空中最暗的星——黑洞，靠近它會發生什麼？

「日月之行，若出其中，星漢燦爛，若出其裡」，這是曹操在《觀滄海》中對天上的日月星辰所作的感嘆。可夜空中的星星雖然數不勝數，但你有沒有想過，在那些燦爛之處，是否暗藏著某些不會發光的星呢？

這個問題有些違背直覺，因為在我們的常識中，星星就代表著會發光的「點」（近代以來，隨著科學的發展，人們發現肉眼可見的星星幾乎全部都是遙遠的恆星），因此很難會有人直接想到星星還能不發光，似乎在歷史上也沒有哪位科學家直接想過這個問題。

光粒子沒法逃走的暗星

雖然沒人直接提出不發光的星星，但與此最接近的一個想法——「天體發出的光線沒法逃離天體的引力控制」，卻很早就有人想過，18世紀末英國的一位天文愛好者曾在一封寄給當時的大科學家卡文迪許的信裡提到過：宇宙中會不會存在一種天體，該天體的引力非常之強，甚至連光線都沒法從其表面逃離出去，稱之為暗星。

在介紹個上述過程時，我們還需要知道一件事，就是關於光是微粒還是波的問題，也就是所謂的光的微粒說和光的波動說，當時由於牛頓的影響力，主流觀點認為光是由微粒構成的，既然如此，那麼上段中關於光線沒有逃離天體表面的論述就非常好理解了。

我們知道光粒子在飛離天體表面這個過程中，主要涉及的物理量有兩個，一個是動能，還有一個是引力勢能，動能在一開始出發時最高，隨著高度的上升，逐步轉化為引力勢能，當動能將為零時，光粒子就會落下。

進一步的分析，我們還可以得出天體半徑與天體質量、光速的關係。總的來說，只要這顆天體的質量足夠大，半徑足夠小，那麼從其表面飛出去的光粒子，最終會再次墜落地面。（這裡我們需要注意一點，光粒子的速度始終都在變化，從一開始的最高速度，到最高點的最低速度）

於是這樣的天體就被稱為暗星，但不幸的是，隨著19世紀初託馬斯.楊的雙縫幹涉實驗的成功，使得光的波動說佔據上峰，而剛才的結論是按照粒子角度得到的，因此暗星的概念並沒有獲得多少人的認可。

大質量恆星演變為黑洞

雖然暗星的概念只有曇花一現，但隨著天文學的發展，尤其是相對論的問世，使得更多的科學家在對恆星演化這個事上發現了端倪，不過在此之前我們不得不先介紹一個相對論中的概念——史瓦西半徑。

我們知道愛因斯坦的廣義相對論是1915年建立的，而引力場方程的第一個精確解是由德國的科學家卡爾·史瓦西於1916年給出的，這個引力解描述了一個沒有自轉、電中性的天體外部時空分布情況。

卡爾·史瓦西

後來的科學家在對這個解進行研究時有一個重大發現，那就在這個解存在兩個奇異點，其中一個是我們後來經常提到的奇點，而另一個則是史瓦西半徑，它代表的是以奇點為中心，某一特定數值為半徑的封閉界面，這個界面有一個非常特殊的性質，那就是物體一旦越過它，就會一直往奇點方向墜落，永遠也出不來。

在了解史瓦西半徑之後，我們再來看恆星演化這個問題。

1930年之前，天文學家們在對天上的恆星進行研究時得出了一個結論，那就恆星在主序星時期結束後，最終將變為白矮星，白矮星是恆星的唯一歸宿，而且實際觀測中，天文學家就只發現了白矮星（這個沒什麼值得驚訝的，畢竟就連太陽上各元素佔比情況也是在1925年之後才被科學們計算出來的，科學比你想的要年輕）。

那麼白矮星到底是怎麼一回事呢？

簡單來說，就是當恆星在位於主序星時期末期（我們的太陽現在就處於主序星時期），內部的用於核聚變的氫元素已經快要耗盡，此時的恆星會經歷一個體積膨脹時期（紅巨星），最後在一次能量爆發中滅亡，留下的核心將會形成白矮星，而白矮星內部的平衡，主要受引力與電子簡併壓制衡，所謂電子簡併壓就是指原子處於電離狀態後，受引力影響，眾多粒子要擁擠到一個更小的空間中，因為泡利不相容原理的限制，從而產生了電子簡併壓。

不過「白矮星是恆星的唯一歸宿」這個結論在1930年之後，隨著一位名為錢德拉塞卡的科學家出現而被推翻了，這位科學家在進行相關研究時發現，先前的理論研究似乎一直未考慮考慮過相對論的影響，而相對論一旦放進這個問題，就會得到一個非常奇怪的答案，那就是：白矮星的質量在超過1.44倍太陽質量時，就會繼續縮小，此時電子簡併壓就被打破了。這個結論後來被人們稱為錢德拉塞卡極限。

錢德拉塞卡

後來通過類似的過程，科學家們又發現，只要質量不超過三倍太陽質量，那麼白矮星（或者說恆星死亡後留下的那個高密度內核）在縮小到一定程度後就會達到穩定，形成所謂的中子星。

但如果內核質量超過三倍太陽質量，這個縮小過程就不會停止了，因為內核會在縮小的過程中，它的尺寸會小於史瓦西半徑，也就是說這時候的內核將會朝著一個點收縮，最後形成所謂的奇點，於是我們就以史瓦西半徑為天體尺寸，將其稱為黑洞（文章中涉及的黑洞全部為史瓦西黑洞）

黑洞的奇特性質

在之前史瓦西半徑的介紹中，我們已經了解了黑洞的第一個特性：只進不出。

也就是任何進去的物質都沒法再出來了，但這裡有必要再繼續深入的了解一下這個性質，因為這對下一節的黑洞旅行將十分關鍵。

文章的開頭介紹的是暗星，說光粒子之所以飛不出天體，是因為天體的引力足夠強悍，能把光粒子生生拽回來，然而當相對論問世之後，我們知道真空光速是一個常數，也就是說光子的速度不可能因為你引力強就變慢的，那麼後來在相對論框架下的黑洞到底是如何吞噬光子的呢？

當然了，最為詳細的講解自然要涉及計算，但擺在科普文章中卻是不合適的，因此我們就從簡單的從幾個概念來解釋這個過程。

我想不少朋友都聽說過「光錐之內即命運」這句話吧？

實際上光錐這個概念屬於相對論，簡單來說，就是在一個以空間為橫軸，時間為縱軸的二維時空坐標上，畫出光子傳播的時空路徑（這個路徑被稱為世界線），而光錐就是以兩條世界線為夾角邊的圖案，由於光速不可超越，宇宙中的一切物體的世界線都必須在光錐以內（本質上涉及因果律）。

而這個光錐，如果放到含有黑洞的時空圖裡，你會發現，在史瓦西半徑以內，光錐的開口朝向無一例外全部都面向中心奇點，而這就說明了，物體一旦越過史瓦西半徑，那麼結局就是不可避免的墜落奇點。

正是因為這樣的原因，導致了一個被稱為「黑洞無毛」定理的出現，因為黑洞內部信息不可能傳遞出來，所以我們對黑洞的一切測量只能從外部進行，最終發現，能夠測量到的數據有且只能有三個：質量、電量、角動量（對於史瓦西黑洞來說，只有質量）。

黑洞之旅

如果將來的某天，人類擁有了前往某顆黑洞進行實地考察的機會，那麼到時候將會是什麼樣的場景呢？雖然說是實地考察，但我們自己是不會親自前往黑洞的，而是會派一個無比堅固的探測器去執行這趟有去無回的任務。

我們首先來到了一個大質量黑洞附近，將飛船停靠在安全距離以外，說到這可能有朋友要問了，什麼是安全距離，是指你們環繞黑洞，而不被其吸進去的距離嗎？

這是一個好問題，實際上除了這位朋友說的這點之外，我們還需要考慮黑洞所帶來的潮汐力影響，這個潮汐力其實很簡單，就是一個在黑洞附近的物體，由於自身尺寸的原因，它靠近黑洞的一側所受到的引力強度肯定是要比遠離黑洞的那一側要強的，而在黑洞這個強引力源附近，這樣的引力差有可能會變得異常強烈，稍有不慎，很可能物體會被直接撕爛（嚴格來講，這個物體在縱向上會被拉伸，而橫向上則會被壓縮）。

但為了避免考察過早的出現意外，我們會前往一個大質量黑洞附近，因為黑洞的質量越大，其平均密度就越低，在史瓦西半徑附近的潮汐力也就越小，因此物體在靠近史瓦西半徑的過程，就可以避免被其撕碎而影響考察任務了。（看過電影星際穿越的朋友，應該還有印象，主角等人去的就是一顆大質量黑洞附近，最後主角安然穿過了事件視界，這裡提一下，對於史瓦西黑洞來說，因為其不帶電、無自轉，所以史瓦西半徑所圈的界面和事件視界是重合的，而電影中的黑洞則複雜些）

• 飛船視角

此時我們將探測器從飛船上釋放出來，主動向黑洞內部飛去，一開始我們從望遠鏡內和信號接收儀器上並沒有看到什麼異常，然而隨著探測器不斷接近事件視界，奇怪的事情的出現了，望遠鏡中的探測器，全身都有了一層紅色光影，並且信號接收儀器上接收到的信號頻率明顯降低了。

這時飛船上有人說，探測器發紅光是不是因為它遠離我們的速度比較快，而產生的都卜勒效益啊？為了驗證這個猜想是否正確，我們發出信號讓探測器反向制動，保持了一段靜止過程，然而結果依舊是探測器身披紅光。

此時我們才明白，原來這並不是都卜勒效應，而是因為探測器離事件視界比較近了，受到引力場的影響，而產生的一種叫做引力紅移的相對論效應。這個效應簡單的解釋就是：當一個光子要從引力場內部發向外部的過程中，它需要消耗能量來克服引力，而光速又是不變的，所以就體現在頻率和波長的變化上。

引力紅移

當然了，這只是一種最為常見的解釋，實際上引力紅移的本質是時空變化帶來的。因為探測器發來的信號表明，它內部的時間要慢於飛船，我們將其稱為引力時間膨脹效應，我們剛才說的引力紅移，其本質原因正是引力時間膨脹。

正當我們在飛船上探討此事時，探測器已經快要抵達事件視界了，這時又有一個奇怪的現象出現了，隨著探測器越來越接近事件視界，它的速度似乎也越來越慢，最後甚至都看不到它的移動了，這又是為什麼呢？

引力時間膨脹

實際上，這仍舊是引力時間膨脹效應搞的鬼，因為在外界看來，事件視界上的時間流逝是靜止的，也就是說越接近事件視界的物體，在外界看來，這個物體的一切活動都將趨於靜止，比方說，我們對探測器發出信號，但卻久久收不到回應，因為探測器所發出的電波信號，其波長趨向於無限拉長，換句話說，如果從觀察角度，一開始可見光波段可以清楚看到，到後來只能藉助於射電望遠鏡，再往後就連射電望遠鏡都看不到了，因此那時它信號的紅移已經達到極致，人類已經沒法識別了，你可以認為再也沒有信號出現了。

而探測器的身影也從一開始清晰，到後來的泛紅光，再到最後逐漸變黑，完全消失。

• 探測器視角

雖然從我們飛船角度去觀察這場旅行，似乎最後充滿了悲壯氣息，但實際上在探測器自己看來，它從飛船到事件視界，隨後再穿過事件視界，始終都沒有察覺什麼異常情況出現，它還照常向飛船發著信號，只是飛船回應的信號似乎越來越奇怪了。

還有它內部的時間裝置也一直在正常運作，它甚至還計算著自己從飛船到穿過事件視界用了多長的時間。

遺憾的是，雖然探測器記錄下了事件視界內部的信息，它也嘗試著向外發出信號，但位於外界的我們，卻永遠不可能接收到這些信息，因為之前說了，事件視界內光錐全部朝向奇點，這些電波信號全都一股腦的栽進奇點了。

而且探測器在黑洞內部的「舒適」生活也沒有持續多久，因為潮汐力隨著不斷接近奇點而逐步增強，最後探測器在一陣劇烈的抖動中被撕碎，好在這個過程非常短暫，它應該沒有痛苦。

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