黑洞令人困惑的简单性

我最近一直在思考黑洞。* 最近公布了一系列相关的研究，甚至在北大西洋发现了类似黑洞的涡旋，天文学家们正密切关注，一颗气体云正被我们银河系中心的巨型黑洞撕裂。所有这些都促使我思考黑洞运作方式的奇特简洁性。

在这个插图中，一个孤立的黑洞仅通过引力暴露其存在，引力会扭曲和弯曲更远处物体的光线。（图片来源：NASA/ESA 和 G. Bacon/STScI）

事实上，可以说黑洞是宇宙中最简单的天体。想想为了描述地球，你必须列出多少属性。有海洋、大陆、云、火山、动物、植物、人类……事实上，除了天文学及其相关学科之外，所有科学都致力于描述我们的星球及其上或其中的各种事物。相比之下，黑洞只有三个决定性属性：质量、自旋和电荷。列出这三项，你就能描绘出一幅完整的黑洞肖像。

讽刺的是，黑洞也是宇宙中最令人费解的天体之一，因为理论家们对其内部知之甚少。落入事件视界中的信息会发生什么？中心奇点处的物理定律会发生什么？黑洞能否创造穿越时空的虫洞？这些内部的奇特之处如此难以理解，以至于阿尔伯特·爱因斯坦不相信黑洞是真实存在的物理可能性。这就使得阅读关于爱因斯坦如何可能错误地看待黑洞运作方式的文章有些令人困惑，因为他根本就不认为它们会运作。

但在外部，质量、自旋和电荷就能告诉你关于黑洞的一切可观测信息。实际上，大多数黑洞的净电荷可能都非常小，所以你甚至可以将列表简化为质量和自转。如果你从很远的距离观察黑洞——我当然希望你是这样——那么即使是自转的影响也很小。从远处看，黑洞就是一个只有一个属性的天体。质量是你需要知道的唯一一件事。

这就引出了关于黑洞的另一个极其奇特而又简单的事情。对于一个普通的球体——例如一个保龄球——质量随着半径的立方增加。如果一个保龄球的直径是另一个的两倍，那么它的重量将是八倍（2的立方）。对于像行星这样的大型天体，这个规则会略有偏差，但偏差方式非常直接。它们巨大的体积会压缩其内部，所以当行星变得更重时，它们的内部倾向于变得更致密，前提是你比较的是相同类型的行星。一些系外行星的质量比木星大几倍，但它们的大小相似，因为这种引力挤压作用。

银河系中心区域的全景图捕捉到了银河系中心附近丰富的恒星和气体云。中央黑洞隐藏在左中部的黑暗区域后面。 （图片来源：ESO/S. Guisard)

然而，黑洞的做法完全不同。它们的半径与质量成正比增加。将黑洞的质量加倍，其直径也加倍。（在这个讨论中，我将使用事件视界——定义黑洞形状的“不归点”——作为其“表面”。）计算黑洞直径的数学公式再简单不过了。一个太阳质量的黑洞直径约为 6 公里（4 英里）。想知道银河系中心黑洞的直径吗？根据围绕它运行的恒星的运动，该黑洞的质量是太阳的 360 万倍。只需将 4 乘以 360 万，你就得到了答案：它的宽度是 1400 万英里。

尺寸和质量之间的直接关系有一个有趣的效应。黑洞质量越大，密度越小——而且密度下降得很快，与半径的平方成反比。（同样，我使用事件视界来定义黑洞的表面。）一个太阳质量的黑洞将太阳全部 865,000 英里的体积压缩到那个 4 英里直径的球体中，密度是水的 1800 万亿倍。这是一个惊人的数字。银河系中心的黑洞质量是太阳的 360 万倍，这意味着它的密度要低 (360 万 x 360 万) 倍。这相当于水的密度约 1400 倍——仍然非常高，比铅的密度高 100 多倍，但不再那么难以理解了。

然而，其他黑洞比我们银河系中心的那个要大得多，这意味着它们也更“蓬松”。M87 星系包含一个巨型黑洞，天文学家测量其质量为 66 亿个太阳质量。其密度约为水的 1/3000。这与你现在呼吸的空气密度相似！

现在来到最令人震惊的部分。如果你继续增加质量，黑洞的半径会持续增长，密度会持续缩小。让我们看看最极端的情况：一个质量等于整个可见宇宙的黑洞的半径是多少？结果是……半径等于可见宇宙的半径。这几乎就像整个宇宙只是一个巨大的黑洞。

围绕银河系中心黑洞（蓝色轨迹）重建的恒星运动使其有可能测量其质量。橙色漩涡描绘了 G2，一个目前正在靠近黑洞事件视界的气体云。（图片来源：ESO/S. Gillessen/MPE/Marc Schartmann）

好吧，完整的故事要复杂得多。宇宙并不是一个独立于更大时空度规的天体，所以这个比较并不完全准确。但其中蕴含着一个基本事实。宇宙的整体密度似乎正好是产生整体平坦几何的关键值。这个临界密度标志着空间自身弯曲和空间不弯曲之间的边界——闭合宇宙和开放宇宙之间的边界。这样一个平衡点，确实与一个质量在其事件视界内坍缩并成为黑洞的边界点有关。更多信息请在此处查看。

想知道黑洞内部是什么样的吗？看看周围。你正沉浸其中。

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* 如果你问我妻子，她会告诉你，我自从结婚以来一直在思考黑洞，但这又是另一个故事了。