黑洞真實模樣，時空彎曲如何彎的？

1、背景

本身本人對物理很感興趣，尤爲是最新的物理學科，包括量子力學，愛因斯坦的相對論，電磁學等，2019年4月10日21點整，天文學家召開全球新聞發佈會，宣佈首次直接拍攝到黑洞的照片，關於黑洞的討論又忽然火熱起來，根據一些大牛的視頻內容，我也想寫這篇文章，讓你們對黑洞有一個更加清楚的瞭解，其實有些知識點可能會有錯誤，還請相關學科大牛指出，歡迎一塊兒探討宇宙學。

2、如何擺脫引力

引力的發現，這是牛頓的功勞，此後總有人在思考這樣的一個問題，爲了克服引力，須要多大的速度才能將一個物體拋出地球，只要速度足夠快，就可以拋出去；可是地球若是在變大，引力就會變強，拋出的物體仍是會掉下來；因此無論拋出去的物體速度多大，只要地球的質量相應的增長，那麼拋出的物體仍是會掉下來。

早在 1796 年，拉普拉斯就已經知道了，只要地球變大到 250 個太陽那麼大，即便物體以光的速度拋出去，仍是會掉下來，這個結論在當時並無顯得有什麼特別之處。

直到 90 年後的另外一個重要發現登場，光速是最快的速度，這就意味着，只要地球變大到 250 個太陽那麼大，就再沒有任何辦法把一個物體拋出地球了，在當時並無人認爲這個結論有什麼可怕之處，由於你們都認爲，這樣的天體在真實世界是不存在的。

3、中子星

但中子星的出現，卻讓人們不得不接受，這樣一種「怪物」的存在，中子星（neutron star），爲除黑洞外密度最大的星體，是恆星演化到末期，經由重力崩潰發生超新星爆炸以後，可能成爲的少數終點之一，質量沒有達到能夠造成黑洞的恆星在壽命終結時塌縮造成的一種介於白矮星和黑洞之間的星體，其密度比地球上任何物質密度大至關多倍。

中子星的密度爲每立方厘米8^14~10^15克，至關於每立方厘米重1億噸以上 [1] 。此密度也就是原子核的密度，是水的密度的一百萬億倍。對比起白矮星的幾十噸/立方厘米，後者彷佛又不值一提了。若是把地球壓縮成這樣，地球的直徑將只有22米!事實上，中子星的密度是如此之大，半徑十千米的中子星的質量就與太陽的質量至關了。

只要中子星的質量大於三個太陽，就沒有任何辦法，把一個物體拋出這顆中子星。人們開始意識到，這種可怕的天體是真實存在的。

4、黑洞

愛因斯坦的門徒 惠勒 給這種可怕的天體取了一個形象的名字，叫作「黑洞」。今天的大多數人已經至關熟悉黑洞這個專業術語，這要歸功於霍金，可是在多數人的理解當中，光線沒法逃離黑洞的畫面是這樣的。

但是黑洞的真實畫面並非這樣的，真實畫面，大多數人幾乎難以理解，要想理解黑洞的真實模樣，就必須談到愛因斯坦的廣義相對論。

5、廣義相對論

假如在一片空曠空間的遠方，有一根光線從恆星傳過來，可是在中間正好出現了一顆天體，根據牛頓的引力理論，這根光線就會被這個天體擋住而看不見。

不過根據愛因斯坦的引力理論，咱們仍然能夠看到這根光線，由於光線發生了偏轉，而光線發生偏轉的緣由，是因爲時空發生了彎曲。

可是對於多數人來說，是很難想象時空彎曲究竟是怎麼彎的，在引力波被捕獲的到的那個時段，下面這種圖常常被用來展現愛因斯坦的時空彎曲是怎麼一回事，但反而是讓你們產生誤解最多的一張圖片。

最大的誤解就是，這張圖讓你們認爲空間真的就像這塊布同樣彎曲了，但實際上，空間真正的彎曲並非這樣的，要想直觀的看出二維空間的彎曲樣子，須要把二維空間放到三維空間中去畫出來，而要想直觀的看出三維空間的彎曲樣子，就必須把三維空間放到六維空間中去畫出來。

因此三維空間的彎曲，甚至四維時空的彎曲，就沒法用直觀圖形畫出來，也就沒法讓咱們一眼就能直觀的看出彎曲的形狀來，只能經過抽象思惟，在大腦中呈現出這個彎曲的畫面，但這種抽象思惟，對於多數人來說的確是太難了，由於這種抽象思惟能力，是須要長期訓練才具備的，而不是像視覺的那種直觀感覺，這也是大多數人很難理解黑洞真實模樣的緣由。

6、時空的彎曲

時空的彎曲究竟是如何「彎」的，在沒有地球存在時候的空間，兩個紅點之間的長度就是真實長度(綠色線段的長度)，當地球存在時，這兩個紅點之間的真實長度就變成了這段紅色線段的長度。

因此空間的彎曲指的是空間的真實長度變長了，而不是真的像圖直觀畫出來的那樣，從平面彎曲成了曲面。

愛因斯坦時空彎曲的真實樣子是，空間的真實長度比看上去的長度變長了，而變長的程度正好能夠用曲面上對應的線段長度來表示，這纔是這張圖真正想表達的含義，而不是你直觀上看上去的那樣 彎曲了。

從下圖中能夠看出，離地球越近的地方，真實長度就變的越長。

當理解了愛因斯坦的時空彎曲真正的含義以後，才能理解時空彎曲爲什麼可以把光線從直線「彎曲」成曲線。

圖中的兩條路徑，一條看上去是直線，另外一條看上去是曲線，根據前面的解釋，每條線都有兩種長度，一種是「看上去」的長度，另一種是真實長度，在看上去的長度上，曲線感受比直線長，可是在真實的長度上，曲線的真實長度比直線的真實長度反而更短，這是由於「看上去」曲線離地球更遠一些。

而光老是選擇最短的路徑來傳播，因此光走過的路徑是「看上去」是曲線的那條路徑，這就是愛因斯坦充滿天才想法的廣義相對論。

除了空間的真實長度變長了以外，時空彎曲還包括，不一樣位置的時間快慢也被改變了，具體來說就是，越靠近地球的地方，時間走的越慢，因此地球讓時空發生彎曲的真實圖像是空間的真實長度變得比看上去的長度更長了，而時間在越靠近地球的地方變得越慢了。

當地球的質量變得越大時，這種改變就越劇烈，也就是真實距離變得更長，時間變得更慢，從而致使光線的彎曲更加重烈，當中子星的質量超過三個太陽的時候，這種彎曲的劇烈程度達到了極限。

在靠近中子星的一個球面處，空間的真實距離已經變得無限長，而時間已經變得無限慢，既中止，同時中子星收縮成一個點，而光線的彎曲也到達了極限，甚至彎曲到圍繞中子星轉一圈，這個球面造成了一個重要的邊界，在這個邊界處，空間的真實距離變得無限長，時間變得無限慢，而這個邊界有一個專業的名字，叫作視界。

在這個邊界以內，空間變成了時間，時間變成了空間。

也就是說當一個物體從邊界向球心「移動」時，並非物體的空間位置發生了改變，而是這個物體的時間在流逝，因爲時間沒法「倒流」，邊界內的任何物體都會隨着時間的流逝，它會到達它時間的終點，也就是球心，這纔是任何物體都沒法逃出黑洞的真實模樣。

這個邊界的半徑就是黑洞的半徑，它的大小用下面這個公式來計算。

當黑洞在吞噬它周圍恆星物質的時候，黑洞會呈現出另一幅面孔，那就是吸積盤，這種吸積盤會噴射出接近光速的物質，造成噴射柱，從側面看，吸積盤是下面這個樣子，它因爲黑洞讓周圍光線發生了嚴重扭曲產生的效果。