你能想像在黑洞中墜落是什麼樣子嗎？

宇宙破壞一樣東西有很多令人恐怖的方法。如果你想在太空中屏住呼吸，那你的肺會爆炸；你呼出到空氣中的每一個分子在幾秒之內就變黑了。在有的地方熱量從你身體跑出來的時候你就會覺得自己被凍住了；還有些地方太熱了以至於你的原子會變成等離子體。但是，在宇宙處理人的所有方式中，沒有什麼能比把人送進黑洞裡更讓人著迷了。事件地平線望遠鏡科學家海諾·法克爾也這麼覺得，他問：

掉進一個正在旋轉的黑洞裡會是什麼樣呢？這不能被觀察出來，但是可以算出來…我和做過這些科學計算的人聊過，但是我老了，一直在忘事。

這是一個有趣的問題，也是一個可以用科學回答的問題。讓我們來看看。

黑洞事件視界外的嚴重彎曲時空的插圖。當你越來越接近質量的位置時，空間也變得更加彎曲，最終導致光無法從一個位置逃脫：事件視界。該位置的半徑由黑洞的質量、光速和廣義相對論定律單獨設定。理論上來說，應該有一個特殊點，一個奇點，所有質量都集中在靜止的球形對稱黑洞上。（皮薩貝·詹森馬丁）

根據我們的引力理論，愛因斯坦的廣義相對論，只有三樣東西決定黑洞的特性。它們如下：

質量，或物質總量和同等能量（通過E = mc²）進入到正在形成或增長的黑洞中以形成當前狀態

電荷，或存在於黑洞中的淨電荷，來自其歷史上所有落入黑洞中的正電荷和負電荷。

角動量，或旋轉，這是黑洞固有的旋轉運動總量的度量。

現實地講，我們宇宙中所有物理存在的黑洞都應該有大質量、大量的角動量和可以忽略不計的電荷。這使事情變得極其複雜。

當一顆足夠大的行星結束它的生命，或兩個足夠大的行星殘餘物合併時，一個黑洞就形成了，其事件視界與其質量成正比，並形成圍繞其墜落物質的吸積盤。當黑洞旋轉時，事件視界內外的空間也會旋轉：這是拖架的效果，對黑洞來說可能是巨大的。（歐空局/哈勃、埃索、M. KORNMESSER）

當我們通常想到一個黑洞時，我們想像出一種更簡單的黑洞：一個僅由其質量來描述的黑洞。它有一個圍繞單個點的事件視界，以及圍繞該點的區域，光線無法逃離。該區域是完全球形的，並且有一個邊界分隔光可以從它不能從無法逃離的區域：事件視界中分離。事件視界位於距離所有方向奇點相等的特定距離（施瓦茨柴爾德半徑）。

這是一個真實黑洞的簡化版本，但是一個開始思考發生在兩個不同位置的物理現象的好地方：在事件視界之外和事件視界內。

一旦你越過門檻形成一個黑洞，事件視界裡的所有內容都會咬緊一個奇點，這個奇點最多是一維的。沒有3D結構可以完整的存活下來。

事件視界之外，重力作用就像你平常期許的那樣。空間是由這個質量的存在彎曲的，它使宇宙中的每一個物體都經歷向中心奇點的加速。如果你開始遠離這個黑洞，休息時，允許一個物體掉進黑洞，你會看到什麼？

假設你能保持靜止，那你就可以看到這個墜落物慢慢的加速遠離你，朝著黑洞前進。它會加速向事件視界，保持一樣的顏色，然後後會發生一些奇怪的事情。它會慢慢減速、褪色，並慢慢變成紅色。儘管它不會完全消失；不快、也永遠不會。相反，它只會接近這種狀態：變近，變紅，更難檢測。事件視界就像物體光的化毒劑;如果你足夠努力，你總是能看到它。

這位藝術家描繪了一顆類似太陽的恆星在靠近黑洞時被潮汐破壞撕裂。以前墜落的仍然可見，儘管它們的光線會顯得微弱和紅色（很容易轉移到紅的，它們對人眼是不可見的），與它們穿過事件視界以來所經過的時間成比例。（ESO、歐空局/哈勃、M. KORNMESSER）

現在，想像一下同樣的場景，但這次，不要想像你正在從遠處觀察墜落的物體。相反，想像你自己是墜落的對象。你的經歷會非常不同。

隨著空間的曲率變嚴重，事件視界似乎比你預期的要快得多。在事件視界周圍，空間是如此的扭曲，以至於你開始看到外部宇宙的多個圖像，就像它們被反射和反轉一樣。

一旦你越過了事件視界，你不僅還能看到宇宙的外在，還能看到宇宙在事件視界中的一部分。你收到的光會變藍，但隨後又會變紅，因為你不可避免地朝奇點而落下。在最後時刻，空間會顯得異常平坦。

其物理原理很複雜，但計算簡單明了，科羅拉多大學的安德魯·漢密爾頓在2000年代末至2010年代初的一系列論文中表現最為優雅。漢密爾頓還根據這些計算，創建了一系列壯觀的可視化效果，這些可視化效果是當你掉進黑洞時所看到的。

從檢查這些結果中我們可以學到許多教訓，其中許多都是違反直覺的。嘗試和理解它的方法是改變你可視化空間的方式。通常，我們認為空間是一種靜止的織物，我們認為觀察者被&34;在某處。但是在事件視界中，你總是在運動。空間從根本上是運動——就像移動的走道——不斷地移動著其中的一切，向奇點移動。

在事件視界內外，空間像移動的走道或瀑布一樣流動，這取決於你要如何可視化它。在活動視界，即使你以光速奔跑（或遊泳），也不會克服時空的流動，時空的流動會把你拖入中心的奇點。（安德魯·漢密爾頓 / 吉拉 / 科羅拉多大學）

它移動一切的速度如此之快，即使你以無限力直接加速遠離奇點，你仍然會朝中心墜落。來自事件視界之外的對象仍將有其光從四面八方與您相遇，但您只能從事件視界內看到部分對象。

當你落入黑洞或只是非常接近事件視界時，其大小和比例看起來比實際大小大得多。對一個外部觀察者來說，看著你掉進去，您的信息就會在事件視界上被編碼。當黑洞蒸發時，這些信息會發生什麼事情仍然沒有答案。（安德魯·漢密爾頓 / 吉拉 / 科羅拉多大學）

其原因是宇宙本身始終處於運動狀態的結構。在事件視界內，空間比光移動得快，這就是為什麼沒有什麼能從黑洞中逃脫。這也是為什麼，一旦進入黑洞，你開始看到奇怪的事情，如同一物體的多個圖像。

你可以通過問一個問題來理解這個問題，比如「奇點在哪裡？」

從黑洞的事件視界中，如果你向任何方向移動，你最終會遇到奇點本身。因此，令人驚訝的是，奇點出現在所有方向如果你的腳直接指向你加速的方向，你會看到他們下面你，但你也會看到他們上面你。所有這一切都是直接計算，即使它非常違反直覺。這只是為簡化的情況：非旋轉黑洞。

2017年4月，與事件地平線望遠鏡相關的8個望遠鏡/望遠鏡陣列都指向了Messier 87。這就是一個超大質量黑洞的樣子，在那裡事件視界清晰可見。只有通過VLBI，我們才能達到構建這樣的圖像所需的解析度，但有朝一日的潛力可以將其提高數百倍。陰影與旋轉（克爾）黑洞一致。（事件地平線望遠鏡協作等）

現在，讓我們來來一個物理上有趣的例子：黑洞在哪裡旋轉。黑洞的起源是物質系統，如恆星，它們總是在一定程度上旋轉。在我們的宇宙中（和廣義相對論中），角動量對於任何接近系統來說都是絕對保守的;沒有辦法擺脫它。當物質集合向下摺疊到小於事件視界半徑的半徑時，角動量會被困在其中，就像質量一樣。

我們現在得到的解決方案要複雜得多。愛因斯坦在1915年提出了廣義相對論，卡爾·施瓦茨柴爾德在幾個月後，即1916年初，得出了非旋轉黑洞溶液。但是，在以更現實的方式建模這個問題的下一步——考慮黑洞也有角動量，而不是質量——直到1963年羅伊·克爾找到確切的解決方案後，才得到解決。

1963年，Roy Kerr發現了質量和角動量黑洞的精確解，並揭示了一個點狀奇點、內外部事件視界以及內層和外層的異常事件視界，而不是單個事件視界。，加上圓環狀的奇點半徑。（馬特·維塞爾，ARXIV：0706.0622）

更天真、更簡單的施瓦茨柴爾德解決方案和更現實、更複雜的克爾解決方案之間存在一些基本和重要的區別。沒有特定的順序，下面是一些迷人的對比：

旋轉黑洞具有兩種數學解：內部和外部事件視界，而不是事件視界的單一解決方案。

甚至在外部事件視界之外，還有一個稱為&34;的地方，空間本身以相當於光速的旋轉速度被拖曳，而落在那裡的粒子會經歷巨大的加速。

允許的最大角動量與質量比率;如果有太多的角動量，黑洞會（通過引力輻射）將能量輻射出去，直到它低於這個極限。

也許最迷人的是，黑洞中心的奇點不再是一個點，而是一個一維環，環的半徑由黑洞的質量和角動量決定。

旋轉黑洞的陰影（黑色）地平線和球層（白色）。在圖像中顯示的 a 的數量與黑洞的角動量與其質量的關係有關。請注意，黑洞事件地平線望遠鏡看到的陰影遠遠大於黑洞本身的事件視界或球體。（尤克特雷斯（維也納西蒙·蒂蘭）/維基媒體共享資源）

考慮到這一切，當你掉進一個旋轉的黑洞裡時會發生什麼？當你掉進一個非旋轉的黑洞時，也會發生同樣的事情，只不過所有空間都不像正在向中心奇點而落下。相反，空間也像沿旋轉方向被拖動一樣，像旋轉的漩渦一樣。角動量與質量的比率越大，旋轉速度越快。

雖然旋轉黑洞的時空在（外部）事件視界外和內部流動的概念與非旋轉黑洞的概念相似，但當你考慮從該視界墜落的觀察者將看到外部（和內部）世界時，有一些根本的差異會導致一些令人難以置信的不同細節。當您遇到外部事件視界時，模擬會中斷。（安德魯·漢密爾頓 / 吉拉 / 科羅拉多大學）

這意味著，如果你看到的東西下降，你會看到它變白，但也塗抹成一個環或磁碟沿旋轉的方向。如果你掉進去，你會像在一些令人發狂的旋轉木馬上一樣被鞭打，把你吸向中心。當你到達奇點時，它將是一個環;身體的不同部分將在不同的空間坐標處遇到克克爾黑洞內表面的奇點。當你從事件視界中接近奇點時，你將逐漸無法看到自己身體的其他部分。

你應該從這一切中帶走的最深刻的信息是，空間的結構本身在運動，並且事件視界被定義為即使你能以最終的宇宙速度極限——光速——在什麼位置移動的位置。你選擇的方向，你總是會遇到奇點。

安德魯·漢密爾頓的可視化效果是最好的，最科學準確的模擬落入黑洞真正的樣子，是如此違反直覺，我真正可以推薦的是，你看著他們一遍又一遍，直到你愚弄自己認為你明白它。這是怪異的，美麗的，如果你有足夠的冒險精神，永遠飛到一個黑洞，並在事件地平線內交叉，這將是你最後看到的東西

作者: starts-with-a-bang

FY: 川上司賢

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