黑洞真实模样，时空弯曲如何弯的？

Posted 2021-02-16

一、背景

自己本人对物理很感兴趣，尤其是最新的物理学科，包括量子力学，爱因斯坦的相对论，电磁学等，2019年4月10日21点整，天文学家召开全球新闻发布会，宣布首次直接拍摄到黑洞的照片，关于黑洞的讨论又突然火热起来，根据一些大牛的视频内容，我也想写这篇文章，让大家对黑洞有一个更加清楚的了解，其实有些知识点可能会有错误，还请相关学科大牛指出，欢迎一起探讨宇宙学。

二、如何摆脱引力

引力的发现，这是牛顿的功劳，此后总有人在思考这样的一个问题，为了克服引力，需要多大的速度才能将一个物体抛出地球，只要速度足够快，就能够抛出去；但是地球如果在变大，引力就会变强，抛出的物体还是会掉下来；所以不管抛出去的物体速度多大，只要地球的质量相应的增加，那么抛出的物体还是会掉下来。

早在 1796 年，拉普拉斯就已经知道了，只要地球变大到 250 个太阳那么大，即使物体以光的速度抛出去，还是会掉下来，这个结论在当时并没有显得有什么特别之处。

直到 90 年后的另一个重要发现登场，光速是最快的速度，这就意味着，只要地球变大到 250 个太阳那么大，就再没有任何办法把一个物体抛出地球了，在当时并没有人认为这个结论有什么可怕之处，因为大家都认为，这样的天体在真实世界是不存在的。

三、中子星

但中子星的出现，却让人们不得不接受，这样一种“怪物”的存在，中子星（neutron star），为除黑洞外密度最大的星体，是恒星演化到末期，经由重力崩溃发生超新星爆炸之后，可能成为的少数终点之一，质量没有达到可以形成黑洞的恒星在寿命终结时塌缩形成的一种介于白矮星和黑洞之间的星体，其密度比地球上任何物质密度大相当多倍。

中子星的密度为每立方厘米8^14~10^15克，相当于每立方厘米重1亿吨以上 [1] 。此密度也就是原子核的密度，是水的密度的一百万亿倍。对比起白矮星的几十吨/立方厘米，后者似乎又不值一提了。如果把地球压缩成这样，地球的直径将只有22米!事实上，中子星的密度是如此之大，半径十公里的中子星的质量就与太阳的质量相当了。

只要中子星的质量大于三个太阳，就没有任何办法，把一个物体抛出这颗中子星。人们开始意识到，这种可怕的天体是真实存在的。

四、黑洞

爱因斯坦的门徒 惠勒 给这种可怕的天体取了一个形象的名字，叫做“黑洞”。今天的大多数人已经相当熟悉黑洞这个专业术语，这要归功于霍金，但是在多数人的理解当中，光线无法逃离黑洞的画面是这样的。

可是黑洞的真实画面并不是这样的，真实画面，大多数人几乎难以理解，要想理解黑洞的真实模样，就必须谈到爱因斯坦的广义相对论。

五、广义相对论

假如在一片空旷空间的远方，有一根光线从恒星传过来，但是在中间正好出现了一颗天体，根据牛顿的引力理论，这根光线就会被这个天体挡住而看不见。

不过根据爱因斯坦的引力理论，我们仍然可以看到这根光线，因为光线发生了偏转，而光线发生偏转的原因，是由于时空发生了弯曲。

但是对于多数人来讲，是很难想象时空弯曲到底是怎么弯的，在引力波被捕获的到的那个时段，下面这种图经常被用来展示爱因斯坦的时空弯曲是怎么一回事，但反而是让大家产生误解最多的一张图片。

最大的误解就是，这张图让大家认为空间真的就像这块布一样弯曲了，但实际上，空间真正的弯曲并不是这样的，要想直观的看出二维空间的弯曲样子，需要把二维空间放到三维空间中去画出来，而要想直观的看出三维空间的弯曲样子，就必须把三维空间放到六维空间中去画出来。

所以三维空间的弯曲，甚至四维时空的弯曲，就无法用直观图形画出来，也就无法让我们一眼就能直观的看出弯曲的形状来，只能通过抽象思维，在大脑中呈现出这个弯曲的画面，但这种抽象思维，对于多数人来讲的确是太难了，因为这种抽象思维能力，是需要长期训练才具有的，而不是像视觉的那种直观感受，这也是大多数人很难理解黑洞真实模样的原因。

六、时空的弯曲

时空的弯曲到底是如何“弯”的，在没有地球存在时候的空间，两个红点之间的长度就是真实长度(绿色线段的长度)，当地球存在时，这两个红点之间的真实长度就变成了这段红色线段的长度。

所以空间的弯曲指的是空间的真实长度变长了，而不是真的像图直观画出来的那样，从平面弯曲成了曲面。

爱因斯坦时空弯曲的真实样子是，空间的真实长度比看上去的长度变长了，而变长的程度正好可以用曲面上对应的线段长度来表示，这才是这张图真正想表达的含义，而不是你直观上看上去的那样 弯曲了。

从下图中可以看出，离地球越近的地方，真实长度就变的越长。

当理解了爱因斯坦的时空弯曲真正的含义之后，才能理解时空弯曲为何能够把光线从直线“弯曲”成曲线。

图中的两条路径，一条看上去是直线，另一条看上去是曲线，根据前面的解释，每条线都有两种长度，一种是“看上去”的长度，另外一种是真实长度，在看上去的长度上，曲线感觉比直线长，但是在真实的长度上，曲线的真实长度比直线的真实长度反而更短，这是因为“看上去”曲线离地球更远一些。

而光总是选择最短的路径来传播，所以光走过的路径是“看上去”是曲线的那条路径，这就是爱因斯坦充满天才想法的广义相对论。

除了空间的真实长度变长了之外，时空弯曲还包括，不同位置的时间快慢也被改变了，具体来讲就是，越靠近地球的地方，时间走的越慢，所以地球让时空发生弯曲的真实图像是空间的真实长度变得比看上去的长度更长了，而时间在越靠近地球的地方变得越慢了。

当地球的质量变得越大时，这种改变就越剧烈，也就是真实距离变得更长，时间变得更慢，从而导致光线的弯曲更加剧烈，当中子星的质量超过三个太阳的时候，这种弯曲的剧烈程度达到了极限。

在靠近中子星的一个球面处，空间的真实距离已经变得无限长，而时间已经变得无限慢，既停止，同时中子星收缩成一个点，而光线的弯曲也到达了极限，甚至弯曲到围绕中子星转一圈，这个球面形成了一个重要的边界，在这个边界处，空间的真实距离变得无限长，时间变得无限慢，而这个边界有一个专业的名字，叫做视界。

在这个边界之内，空间变成了时间，时间变成了空间。

也就是说当一个物体从边界向球心“移动”时，并不是物体的空间位置发生了改变，而是这个物体的时间在流逝，由于时间无法“倒流”，边界内的任何物体都会随着时间的流逝，它会到达它时间的终点，也就是球心，这才是任何物体都无法逃出黑洞的真实模样。

这个边界的半径就是黑洞的半径，它的大小用下面这个公式来计算。

当黑洞在吞噬它周围恒星物质的时候，黑洞会呈现出另外一幅面孔，那就是吸积盘，这种吸积盘会喷射出接近光速的物质，形成喷射柱，从侧面看，吸积盘是下面这个样子，它由于黑洞让周围光线发生了严重扭曲产生的效果。