嗯，它们是黑色的，它们就像无底洞。你会叫它们什么？——我的朋友问我它们为什么叫这个名字时，我这样回答。
啊，黑洞。宇宙中最令人不寒而栗的存在，比鲨鱼更令人张目结舌，比蜘蛛更令人毛骨悚然，比……嗯，某种可怕的东西更吓人。但毫无疑问，我们对它们着迷——即使我们对它们了解不多。
但这就是我来这里的原因。请允许我做你们通往无限的向导。或者说，无限的反面。既然是万圣节，这似乎很合适……而且我的书天降死亡！刚刚出版，书中有很多种黑洞可以摧毁地球的方式。哈哈哈。
所以下面我将介绍关于黑洞的十个事实——这是我的“你不知道的十件事”系列中的第三篇（第一篇是关于银河系的；第二篇是关于地球的）。忠实读者可能会知道其中一些，因为我以前提到过，但我希望你们并非都知道这些。如果你确实都知道，那么请随意留言炫耀你的超凡智慧。请注意，这份清单远未完整：我大概可以列出关于黑洞的50件怪事。但我喜欢这些。
1. 让它们如此强大的不是它们的质量，而是它们的大小。
好的，首先，一个关于黑洞的超快速入门。请耐心听我讲！
黑洞最常见的形成方式是在大质量恒星的核心。核心燃料耗尽，然后坍缩。这引发了一次冲击波，炸飞了恒星的外层，导致了一次超新星爆发。因此，恒星的核心坍缩，而其余部分则向外爆炸（这是简要版本；有关该过程的更多细节——这非常酷，你应该读一读——请查看我的描述）。
随着核心的坍缩，其引力会增加。在某个时刻，如果核心的质量足够大（大约是太阳质量的三倍），引力会变得如此之强，以至于在坍缩核心的表面，逃逸速度增加到光速。这意味着没有任何东西可以逃脱这个物体的引力，甚至光也不行。所以它是黑色的。既然什么都逃不掉，那么，请阅读页面顶部的引文。
黑洞周围的区域，逃逸速度等于光速，被称为事件视界。任何发生在其中的事件都将永远不可见。
好的，现在你知道它是什么以及它们是如何形成的。现在，我可以解释为什么它们有如此强大的引力，但你知道吗？我宁愿让这个人来解释。听说他很厉害。
就是这样。当然，质量很重要，但有时候是小细节决定一切。
2. 它们并非无限小。
那么好吧，它们很小，但究竟有多小呢？
我以前的工作是写关于黑洞的文章，我们曾就黑洞的定义进行了一场有趣的讨论：我们指的是坍缩成一个数学点的物体本身，还是它周围的事件视界？我说的是事件视界，但我的老板说指的是物体。我决定她说的有道理（哈哈哈！一个“点”！天哪，我真会开玩笑），并确保我在写事件视界和黑洞本身时表述清晰。
就像我上面说的，对于坍缩的核心来说，它的时钟一直在嘀嗒作响，所以它认为自己一直在坍缩到一个点，即使事件视界有有限的大小。
核心会发生什么？那个实际坍缩的质量呢？
在这里，我们永远无法确定。我们看不进去，它也肯定不会把任何信息发出来。但我们在这种情况下使用的数学模型相当好，我们至少可以将它们应用于坍缩的核心，即使它比事件视界更小。
它会继续坍缩，引力也会随之增加。越来越小……我小时候总是读到它会一直坍缩成一个几何点，一个根本没有维度的物体。这真的让我很困扰，你可以想象……也确实应该如此。因为这是错误的。
在某个时刻，坍缩的核心会比原子小，比原子核小，比电子小。它最终会达到一个叫做普朗克长度的大小，这是一个非常小的单位，量子力学以铁腕统治着它。普朗克长度是一种量子大小极限：如果一个物体变得比这更小，我们实际上无法确切地了解它。实际的物理学很复杂，但基本上当坍缩的核心达到这个大小时，即使我们能以某种方式穿透事件视界，我们也无法测量它的真实大小。事实上，“真实大小”这个词在这个尺度上并没有真正的意义。如果宇宙本身阻止你测量它，你也可以说这个词没有意义。
普朗克长度有多小？微乎其微：大约10^-35米。那是质子大小的千亿分之一。
所以如果有人说黑洞的大小为零，你可以像个极客一样专业地回答，并非如此，不过差不多吧。
3. 它们是球形的。而且绝对不是漏斗形的。
你从一个物体感受到的引力取决于两件事：物体的质量，以及你与该物体的距离。这意味着任何与一个大质量物体相距给定距离的人——比如说一百万公里——都会感受到相同的引力。这个距离定义了物体周围的一个球体：球体表面上的任何人都将感受到来自中心物体相同的引力。
黑洞事件视界的大小取决于引力，所以事件视界实际上是一个围绕黑洞的球体。从外面看，如果你能首先弄清楚如何看到事件视界，它会像一个漆黑的球体。
有些人认为黑洞是圆形的，或者更糟的是，是漏斗形的。漏斗形是人们试图将引力解释为空间弯曲而产生的误解，他们通过将3D空间简化为2D来简化事物；他们说空间就像一张床单，有质量的物体弯曲空间的方式与大质量物体（比如说一个保龄球）使床单变形的方式相同。但空间不是2D的，它是3D的（如果你包含时间，甚至是4D的），因此这种解释会让人对黑洞事件视界的实际形状感到困惑。
曾有孩子问我，如果从黑洞下方接近会发生什么！他们有时不明白黑洞是球形的，根本就没有下方。我把这归咎于漏斗故事。遗憾的是，这是我见过最好的类比，所以我们只能继续使用它。请谨慎使用。
4. 黑洞会旋转！
这有点奇怪，但黑洞可以旋转。恒星会旋转，当核心坍缩时，旋转速度会大大加快（通常的类比是花样滑冰运动员收回手臂，增加旋转速度）。随着恒星核心变小，它旋转得更快。如果它的质量不足以成为黑洞，物质就会被挤压在一起形成中子星，一个直径几公里的中子球。我们已经探测到数百个这样的天体，它们往往旋转得非常快，有时每秒数百次！
黑洞也是如此。即使物质缩小到事件视界以下，永远消失在外部宇宙中，物质仍在旋转。如果你试图计算物质一旦进入事件视界后会发生什么，这并不完全清楚。离心力是否会阻止它完全坍缩到普朗克长度？数学非常复杂，但可以做到，它暗示落入的物质会撞击事件视界内部试图进一步下落但由于旋转而无法下落的物质，这会导致大规模堆积和一些相当壮观的“烟花”……我们永远也看不到，因为它在无限的另一边。真糟糕。
5. 靠近黑洞，一切都会变得怪异。
黑洞的自转会给事件视界带来麻烦。黑洞会扭曲空间结构本身，如果它们自转，这种扭曲本身也会被扭曲。空间可以被黑洞缠绕——有点像床单布料被旋转的钻头卷住。
这在事件视界之外创建了一个空间区域，称为能层。它是一个扁球体，一个扁平的球形，如果你在事件视界之外但在能层内部，你会发现你无法静止不动。真的。空间正在被拖着经过你，并带着你一起移动。你可以很容易地朝着黑洞的旋转方向移动，但如果你试图悬停，你无法做到。事实上，在能层内部，空间移动的速度比光速还要快！物质不能移动那么快，但根据爱因斯坦的说法，空间本身可以。所以如果你想悬停在黑洞上方，你必须以比光速更快的速度朝着与自转相反的方向移动。你做不到这一点，所以你必须随着自转移动，飞走，或者坠入。这就是你的选择。
我建议赶紧飞走。快点。因为……
6. 靠近黑洞会以“有趣”的方式杀死你。我说的“有趣”是指可怕、恐怖、非常非常恶心。
当然，如果你离得太近，噗！你就掉进去了。但即使你保持距离，你仍然有麻烦……
引力取决于距离。你离物体越远，它的引力就越弱。因此，如果一个长物体靠近一个大质量物体，长物体靠近一端的引力会比远端更强！这种引力随距离的变化被称为潮汐力（这有点用词不当，它不是真正的力，而是差分力，是的，它与地球海洋潮汐来自月球有关）。
问题是，黑洞可以很小——一个质量约为太阳三倍的黑洞，其事件视界只有几公里宽——这意味着你可以靠近它们。而这反过来又意味着你从中感受到的潮汐力会变得令人不安地大。
假设你脚先落入一个恒星质量的黑洞。事实证明，当你靠近时，你的头部和脚部之间的引力差异会变得巨大。巨大。这种力会非常强大，以至于你的脚会被以地球引力数亿倍的力从头部扯开。你会被拉伸成一根又长又细的线，然后被撕碎。
天文学家称之为“意大利面化”。哎呀。
所以，即使你不掉进去，靠近黑洞也是危险的。显然，人类的事情中确实存在着“潮汐”。
7. 黑洞并不总是黑暗的。
问题是，黑洞可以从很远的地方造成杀伤。
落入黑洞的物质很少会直接坠入并消失。如果它有一点点横向运动，它就会绕着黑洞转。随着更多物质落入，所有这些垃圾会堆积在黑洞周围。由于旋转物体的行为方式，这些物质会形成一个围绕黑洞疯狂旋转的物质盘，而且由于黑洞的引力随距离变化得如此之快，靠近的物质会比远离的物质以快得多的速度绕行。这些物质相互摩擦，通过摩擦产生热量。这些物质会变得非常热，达到数百万度的高温。如此高温的物质会发出强烈的亮度……这意味着在黑洞附近，这些物质会非常明亮。
更糟的是，磁场和其他力可以将两束能量聚焦，从盘的两极喷射而出。这些光束从黑洞外侧开始，但可以在数百万甚至数十亿光年之外被观测到。
它们很亮。
事实上，以这种方式吞噬物质的黑洞可以发出如此明亮的光芒，以至于它们成为宇宙中最亮的持续发射物体！我们称这些为活跃黑洞。
仿佛黑洞还不够危险，物质在最终坠入前会变得如此炽热，以至于它会疯狂地发射X射线，这是一种高能形式的光（而那些光束甚至可以发射能量更高的光）。所以，即使你把你的宇宙飞船停在黑洞事件视界之外，如果有其他东西掉进去并被撕碎，你得到的报酬就是被相当于无数次牙科检查的能量烤焦。
我可能提过：黑洞很危险。最好远离它们。
8. 黑洞并非总是危险的。
话虽如此，让我问你一个问题：如果我把太阳换成一个质量完全相同的速溶咖啡黑洞，会发生什么？地球会坠入其中，被甩开，还是像往常一样绕轨道运行？
大多数人认为地球会坠入其中，被黑洞强大的引力不可避免地吸下去。但请记住，你从一个物体感受到的引力取决于该物体的质量以及你与它的距离。我刚才说黑洞的质量与太阳相同，记得吗？而地球的距离没有改变。所以我们从这里，1.5亿公里之外感受到的引力，将是完全相同的！因此，地球将像现在绕太阳运行一样，很好地绕着这个太阳系黑洞运行。
当然，我们会冻死。你不能拥有一切。
9. 黑洞可以变得很大。
问：如果两个恒星质量的黑洞相撞会发生什么？
答：你会得到一个更大的黑洞。
你可以由此推断。黑洞可以吞噬其他物体，包括其他黑洞，因此它们可以成长。我们认为，在宇宙早期，当星系刚刚形成时，聚集在新生星系中心的物质可能会坍缩形成一个质量巨大的黑洞。随着更多物质的落入，黑洞贪婪地吞噬它们，并不断成长。最终，你会得到一个超大质量黑洞，其质量是太阳的数百万甚至数十亿倍。
然而，请记住，随着物质的坠入，它会变热。它会变得如此之热，以至于光本身的压力可以吹走更远处的物质，有点像太阳风，但规模要大得多。风的强度取决于许多因素，包括黑洞的质量；黑洞越重，风就越强劲。这种风会阻止更多物质坠入，因此它就像一个截止阀，限制着不断增大的黑洞。
不仅如此，随着时间的推移，黑洞周围的气体和尘埃（嗯，距离很远，但仍在星系中心附近）会转化为恒星。气体比恒星更容易落入黑洞（如果气体云迎头相撞，它们相对于黑洞的运动可能会停止，从而允许它们落入；恒星太小且相距太远，不会发生这种情况）。所以最终黑洞停止吞噬物质，因为没有更多物质落入其中。它停止增长，星系变得稳定，一切都皆大欢喜。
事实上，当我们审视今天的宇宙时，我们发现几乎每个大型星系的核心都有一个超大质量黑洞。甚至银河系的核心也有一个黑洞，其质量是太阳的四百万倍。在你开始惊慌失措地尖叫之前，请记住：1）它距离我们很远，26,000光年（260万亿公里），2）它的质量与我们星系2000亿倍太阳质量相比仍然非常小，因此3）它实际上无法伤害我们。除非它开始活跃进食。而它现在并没有。但如果有什么东西落入其中，它可能会在某个时候开始活跃进食。尽管我们不知道有什么东西会在短期内落入其中。但我们可能会错过冷气体。
嗯。
无论如何，也请记住这一点：尽管黑洞会造成大规模的死亡和毁灭，但它们也帮助星系本身形成！所以我们之所以存在，归功于它们。
10. 黑洞可以密度很低。
在所有关于黑洞的怪事中，这一个对我来说是最奇怪的。
正如你所料，黑洞的事件视界会随着质量的增大而变大。这是因为如果你增加质量，引力会变强，这意味着事件视界会增大。
如果你仔细计算，你会发现事件视界与质量呈线性增长。换句话说，如果你将黑洞的质量翻倍，事件视界半径也会翻倍。
这很奇怪！为什么？
球体的体积取决于半径的立方（回想高中知识：体积 = 4/3 x π x 半径³）。半径翻倍，体积会增加2 x 2 x 2 = 8倍。如果球体的半径增加10倍，体积会增加10 x 10 x 10 = 1000倍。
所以随着球体尺寸的增加，体积增长得非常快。
现在想象你有两个大小相同的粘土球。把它们揉在一起。形成的球体是原来两倍大吗？
不！你把质量翻倍了，但半径只增加了一点点。因为体积与半径的立方成正比，所以要使你的最终粘土球的半径翻倍，你需要把八个这样的粘土球揉在一起。
但这与黑洞不同。质量翻倍，事件视界大小也翻倍。这带来了一个奇怪的含义……
密度是指在给定体积中包含多少质量。保持大小不变而增加质量，密度就会增加。增加体积，但保持质量不变，密度就会降低。明白了吗？
那么现在让我们看看黑洞事件视界内物质的平均密度。如果我让两个相同的黑洞相撞，事件视界的大小会翻倍，质量也会翻倍。但体积却增加了八倍！所以密度实际上是降低了，变成了我开始时的1/4（质量翻倍，体积增加八倍，密度就是1/4）。一直这样做，密度就会持续降低。
一个普通的黑洞——即质量是太阳三倍的黑洞——其事件视界半径约为9公里。这意味着它具有巨大的密度，大约每立方厘米两千万亿克（2 x 1015）。但质量翻倍，密度就会下降四倍。质量增加10倍，密度就会下降100倍。一个十亿太阳质量的黑洞（很大，但在星系中心我们能看到这么大的）会使其密度下降1 x 1018倍。这将使其密度约为每立方厘米1/1000克……而这正是空气的密度！
一个十亿太阳质量的黑洞，其事件视界半径将达到30亿公里——大约是海王星到太阳的距离。
知道我要说什么了吗？如果你把太阳系圈起来，超出海王星，把它封闭在一个巨大的球体里，然后用空气填充它，它就会变成一个黑洞！
在我看来，这绝对是黑洞最奇特的地方。当然，它们会扭曲空间，扭曲时间，玩弄我们对真实与否的感知……但当它们触及日常事物并将其搞乱时，好吧，那才是让我着迷的地方。
几年前在斯坦福大学的一次黑洞会议上，我第一次想到这一点。当时我正和著名的黑洞专家罗杰·布兰德福德散步，突然灵光一闪。我快速心算了一下，确认数字无误，然后告诉罗杰，一个充满空气的太阳系将是一个黑洞。他思考了一会儿说：“是的，听起来差不多。”
而那，我的朋友们，是我一生中最酷的时刻之一。但一想到它，我的大脑仍然会感到疼痛。
结论
嗯，我能说什么呢？黑洞就是怪异。
碰巧的是，当然还有很多关于它们的事情可以说。虫洞呢？它们是如何形成的呢？霍金辐射呢？黑洞会完全蒸发吗？
你可以在网络上的其他地方（甚至在这个博客上）找到这些问题和其他问题的答案；我不可能在短短十个部分中涵盖所有内容！但我会指出（令人震惊的是），我的书天降死亡！的第五章详细讨论了它们是如何形成的，以及如果你离它们太近会发生什么。后面的章节还讨论了银河系核心的黑洞，以及很久很久以后，甚至10^60、10^70，甚至一个古戈尔年后，黑洞会发生什么。
但即便如此，那也不是关于黑洞最可怕的事情。我差点没把这个写进文章里，它太令人难以置信地恐怖了。但我是一名科学家，我们在这里是怀疑论者，所以我们能承受。所以，我向你介绍，黑洞最糟糕的事情是……
