科普：黑洞到底是个啥？
毫无疑问，在作者由于事务繁忙没有更新内容的一个月里，又遭到了来自身边亲朋好友的辱骂。
含着泪，作者决定用一篇含金量极高的新文让你们刮目相看！准备接受知识的洗礼吧！
自从爱因斯坦的相对论预言了黑洞，黑洞就成为了科普文章和各种破烂未解之谜的宠儿。
又炫酷又不切实际的黑洞们
而随着不久前的一部《星际穿越》，黑洞更是受到了普通大众的疯狂推崇。
《星际穿越》中备受追捧的黑洞效果图
促使作者写出今天这篇科普文的最重要原因，是对于一个普通人来说，抛开那些眼花缭乱的视觉特效，他所能接触到的关于黑洞的真实信息翻来覆去也就那么两点：
第一、黑洞是质量极大的神秘天体；
第二、黑洞引力如此之大，以至于光也无法逃脱，所以黑洞才被称之为黑洞。
可是，黑洞质量有多大？为什么神秘？它的引力有多大？光为什么不能逃脱？黑洞为什么叫“黑洞”而不叫“黑馒头”“黑山老妖”“暗黑破坏神”？呵呵，who cares？
很多时候，科学就是通过这样的浅尝辄止而走向了都市传奇并最终被编写到了故事会里。
《故事会》，厕所文学的集大成者，凤姐通向文学巅峰的法宝。
所以这一次，我们来好好地聊一聊究竟什么是黑洞，而科学家们对黑洞又有哪些最新的研究成果。杜绝胡说八道，因为关于黑洞的每一个真相比胡说八道还难以置信。
黑洞并不是被观测到的，因为被观测的前提是需要有光的反射。黑洞最早只是被爱因斯坦的广义相对论预言的理论模型，而在其被确认存在之后，对其性质的种种描述和预测也基本都依赖于数学运算。
你可能会说，既然没人见过黑洞，那这些被预言出来的所谓的性质完全是一派胡言。我只能说，你真是低估了物理学家用数学运算预言的精准性。
试举一例，物理学家们在半个多世纪前根据量子物理学标准模型预言了希格斯玻色子——一种基本粒子——的存在。你不需要知道什么是量子物理学标准模型，你只需要知道这种比原子还小的基本粒子极难被制造（需要由大型强子对撞机将原子加速到光速的99.9999%然后互相碰撞）、极难被观测（不带电子）、存在时间极短。就是在这样被大众所不看好、各种研究条件极其严苛的情况下，希格斯玻色子还是在2013年被发现，印证了之前的预言。
这张希格斯玻色子的模拟图其实没什么实际意义，看着玩儿吧~
所以就算你不服，这些对黑洞性质的预言正确的可能性也是99.99%。
作者在之前的一篇讲太阳的文章中（此处本来应该有这篇文章的超链接，可作者不会设置，所以想看的朋友们请去历史消息里找一下……sorry）描述了黑洞的形成。简单来说，质量八倍于太阳的恒星将以超新星的方式结束生命，而如果超新星爆炸后剩下的核超过太阳质量的3倍，就会不断坍塌形成一个黑洞。
超新星爆炸模拟图
这个坍塌不是你所熟悉的坍塌。
如果太阳演化成一个黑洞，其直径将从1392000公里坍缩为6公里；如果地球演化为一个黑洞，其直径将从12800万公里坍缩为……2厘米……
你能想象和弹珠一样大小的地球吗？不用想了，你不能。
在你的常识中，连水都是不能压缩的。而在黑洞形成的过程中，物质不仅在宏观层面被压碎，在极巨大的引力作用下，原子中的电子将全部被压缩至原子核，原子核里的中子也将被碾压成粉碎。
还没有完，星体内部的时间会和物质一起压缩，黑洞周边的时空会被完全撕裂并彻底卷曲。
时空扭曲
最终形成的黑洞是一片体积无限小、质量无限大、不符合所有已知物理规律、几乎无法用语言描述的天区。
到这里，作者想略微说一说原子的结构。你在初中化学课上就学过，原子由原子核和在外面快速运动的电子构成。
化学课本上的经典原子示意图
可其实这幅图错到不能更错。
一、电子的运动符合神奇的“测不准原理”（海森堡不确定性原理），也就是不能同时知道一个粒子的位置和速度。所以真正的电子只能用概率分布图来表示。你也无法看到一个一个的电子，只有一片模糊的“电子云”。
在概率分布图中，“电子云”颜色越亮，表示电子出现的几率越大；反之则表示电子出现的几率越小。
二、电子并不是紧贴着原子核运动。原子核仅占原子体积的千亿分之一。原子核与原子的体积比，就像乒乓球和地球、一张纸和摩天大厦、一只蚂蚁和一个足球场……（你真的可以找到很多类似的无聊类比）在原子表面到原子核之间存在的就是广阔的真空和几个孤独又测不准的电子。你也可以这么想象，其实你、你的iphone、你家的桌子水杯、你吃的食物、喝的水，都是中空的……
关于原子的结构，作者为大家推荐下面一部短片。影片也可以辅助大家理解在黑洞形成的过程中物质为什么可以被压缩到那么小。短片略长，但绝对震撼。看完视频，也许都不需要等到看完整篇文章，你的人生观就已经被颠覆了。
视频制作时间略早，目前物理学倾向于认为物质分辨率的极限是10亿×10亿×10亿×10亿分之一米，这个长度也被称为“普朗克长度”。在这个尺度之下，物质已经变为受量子力学支配的不确定的时间和空间。
微观尺度上不确定的时间和空间
黑洞之所以被称为黑洞，不外乎具备“黑”和“洞”的特点。
黑
洞
“黑”来自其阻止光逃逸的强大引力。这里要提到一个叫做视界的概念。
地球的边缘就叫做地球的边缘，没有别的名称
然而黑洞的边缘叫做“视界”
其实给黑洞的边缘起名叫“视界”情有可原。对于地球而言，我们可以简单的用“地球上”和“地球外”来区分地球和外部空间，而因为我们不知道黑洞是什么，只知道发生在黑洞里的事件不会被黑洞外的人所观察到，所以只能用能不能被观测到来界定黑洞的内部与外部，这个界限就是视界。
当物体的运动速度超过星球的引力时，就达到了逃逸速度，可以飞出星球。地球的逃逸速度是11.2公里/秒，即第二宇宙速度；太阳的逃逸速度是16.7千米/秒；而在黑洞中，光子无法逃出黑洞视界。你要知道，光速接近30万公里/秒，是宇宙的极限速度。现在你知道黑洞的引力有多大了：
超！级！大！
就是这么霸道！
所以黑洞不能被观测的第一个原因是，黑洞将光完全束缚在它的视界之内，以至于完全不发光。
另一个神奇的原因，前面也提到过，就是黑洞极大的引力会使周围的空间发生弯曲。弯曲是如此之剧烈，以至于黑洞周围的空间被从整体空间中撕裂，完全闭合成了一个球型。
时空弯曲（或者时空翘曲、时空畸变）的机制非常复杂，只简单说说它的结果。时空弯曲导致了光的传播路径不再是直线，而我们的视觉又无法分辨时空是否弯曲，所以我们可以直接“穿过”黑洞看到黑洞后面的天体。
由时空扭曲而引发的“引力透镜”现象使我们观测到的星系被扭曲成了不可思议的形状
可人类是无法被打倒的。我们可以通过测量它对周围天体的作用和影响，间接观测或推测到它的存在。
黑洞总是以扑朔迷离的姿态出现在《世界未解之谜》之类的刊物和《走近科学》这样的破烂节目中，以至于有时候你会觉得它只是一个有那么点意思有那么点奇妙的科幻话题，但实际上，它距离你真的不遥远。
随着科学技术的发展，尤其是进入21世纪后，科学家发现银河系的恒星在围绕着一些非常致密、非常黑的东西运动。而目前种种迹象表明我们银河系的中心就是一个黑洞，质量大约是太阳质量的400万倍。
银河系
银河系中心黑洞示意图
同时，随着黑洞理论的日趋发展，曾经一度困扰科学家的类星体（质量很小但能量巨大，通常存在于100亿光年之外，为人类能够观测到的距离最远的天体）也得到了解释。类星体的超大能量来自其中心的巨型黑洞。这些黑洞的质量往往超过太阳质量的……十亿倍……
一张哈勃望远镜拍摄的类星体照片。
虽然照片非常模糊，可你要知道，照片中的类星体在一百亿光年之外，而一百亿光年是遥远到你根本无法想象的距离，所以人类真的很了不起。
目前已被天文学家观测到的类星体超过20万颗，而科学家还预言每个大星系的中央都有一个超大黑洞……所以，宇宙里真的有很多黑洞……
你以为的宇宙
真实的宇宙……
这也给杞人忧天的我们提供了一个恐惧的理由。如果哪天我们身边突然出现了一个黑洞，或者银河系中心的黑洞突然变大，那我们不是都要被吸进去惨死吗？
扫盲如下：考虑到黑洞的成因，我们周围最近且有资格成为黑洞的天体只有太阳。假如太阳变成了黑洞，虽然大小发生了变化，可仍然受到相同的规则约束。黑洞远处的引力仍保持不变，地球也会继续在相同的轨道上运行。
当然，你还是会死，只不过不是被吸进黑洞里，而是由于缺乏阳光而被冻死。作者为这个无趣的结局像你道歉。
sorry啦~
还有一个更严重的问题。你以为黑洞在你身边你就随随便便被吸进去然后死了算了？
结果一：不等被吸进去你就死了。
假设现在将你头向上脚向下投向一个10倍于太阳质量的黑洞（直径只有29千米，而且你还能看到它身后的恒星，呵呵）。
随着你越来越接近黑洞视界，你的头和脚将承受差别越来越大的引力，因而你将被不断拉伸（学名叫做意大利面条化）。
当你到达距黑洞中心560千米的时候，头和脚之前的引力差大约是地球正常引力值的1500倍。也就是说，当你还在欣赏黑洞后面的星空时，你就被撕碎了。
结果二：你没有被撕碎，那么你将处于又死又活的尴尬局面。
随着你距离黑洞视界越来越近，你感受到的引力越来越强，而你的运动速度也开始接近光速。可是根据相对论的原理，物体的运动速度越接近光速，时间就流逝得越慢。速度达到光速时，时间停止。也就是说，别人眼中的你会永远停在黑洞的视界之上。
而对你来说，你的金刚不坏之身承受住了巨大到变态的引力差，在穿越视界之时，你看到整个星空在你眼前逐渐收窄变黑至消失，然后进入了黑洞。在黑洞的虚空中你受时间的牵引（注意此时已不是引力控制你的行为，因为引力在黑洞里已经没有意义）飘至它的核心——奇点。什么是奇点呢？
奇点是混沌振荡的时空曲率产生巨大随机潮汐力的一个区域。
作者觉得，不需要等飘进黑洞，看完这个定义你就爆炸了。对于世界外的人来说，你没有死，对于视界中的你来说，你已经死了，这个令科学家抓狂的事实，算是对目前很热门的时空信息佯谬的最大白话的解读。如果你还想继续了解时空信息佯谬，并看看天文学家和物理学家如何动用一切力量让时空信息佯谬自圆其说，请自行百度。
所以你知道了，目前根据科学家的推测，黑洞的内部结构由外至内为：视界——虚空——奇点。
当然，黑洞之所以令人着迷，并不是因为它有这么无聊的一个内部。在很多科学家眼中，黑洞很有可能就是科幻小说里屡见不鲜的“虫洞”——连接着宇宙的不同区域，甚至连接着平行宇宙——就像《星际穿越》里描述的那样。
虫洞概念图
《星际穿越》的黑洞中，时间变成了可视的维度。库珀在其中成功对过去进行了干预。
到此，你终于对黑洞有了全面而比较客观的了解。当然，其中的大多数理论为基于数学运算的预测，可能随着科学的发展被推翻。但还是要感谢黑洞，留给了人类无限的瑰丽遐想。也许在不久的将来，我们就可以通过黑洞自由穿梭平行宇宙还不会死啦~~~