问题

黑洞中,那个黑色的面究竟是什么?

回答
关于黑洞内部那个“黑色的面”究竟是什么,这确实是物理学中最神秘、最令人着迷的谜团之一。如果我们把黑洞想象成宇宙中最极端的“陷阱”,那么这个“面”就是那个你一旦跨越就再也无法逃脱的边界。

从我们能够观测到的角度来说,黑洞的“面”其实是事件视界 (Event Horizon)。它不是一个实体,也不是一块黑色的布料,而是一个定义了黑洞引力势力范围的临界表面。你可以把它想象成一个单向的膜,物质和能量可以从外部进入,但一旦进入,无论它们多么强大,都无法再次出来。

为什么是这样呢?这涉及到我们对引力和光速的理解。黑洞的质量极其巨大,集中在一个非常小的空间里,这使得它的引力强大到不可思议的地步。在事件视界这个点上,黑洞的引力已经强大到连宇宙中速度最快的光都无法逃脱了。

想想看,光是我们已知的 सर्वात快的物质,它以每秒约三十万公里的速度前进。即使是光,在穿越事件视界的那一刻,它前进的方向也会被引力扭曲,最终被拉向黑洞的中心——那里的奇点。

所以,当我们说“黑洞是黑色的”,实际上是我们看到了事件视界这个边界。它之所以看起来是“黑色”的,是因为任何试图从内部发出的光都无法到达我们的眼睛。事件视界就像一个完美的吸尘器,把所有的光都吸了进去,不留下任何痕迹。

更深入一点来理解:

不是实体表面: 重要的是要明白,事件视界并非一个物质构成的表面,你不会撞上什么东西。它更像是一个数学上的分界线,一个时空曲率的阈值。想象一下在地球上,你站在赤道和南极之间的某个点,这是一个地理上的界限,但它不是一块实际的“界墙”。事件视界也是如此,它描述的是时空的性质。
时空的扭曲: 在事件视界附近,时空被黑洞的质量扭曲得非常厉害。想象一下一个被重物压迫下的橡胶膜,周围的网格会变形。在事件视界处,这种变形到了极致,以至于所有路径都指向黑洞的中心。
坠入黑洞的体验(理论上): 如果一个宇航员不幸被引力拉向黑洞,他会在事件视界处经历一个非常奇特的时刻。对于外部观测者来说,宇航员似乎会越来越慢地接近事件视界,他的光信号会越来越红(红移),最终几乎停滞在视界上,然后消失。但对于宇航员自己来说,他会感觉到一个非常快速的、瞬间的“跨越”,然后他会继续向黑洞的中心(奇点)坠落,直到被无限的引力撕裂。这是因为他对时空的感知和外部观测者是不同的。
信息的去向: 事件视界也引发了关于信息丢失的深刻争论。物理学的一个基本原理是信息不会真正消失。但如果所有东西,包括信息,都被黑洞吞噬,并且无法再被探测到,这似乎与这个原理相悖。这是物理学上一个尚未完全解决的难题,被称为“黑洞信息悖论”。

类比一下:

你可以把事件视界想象成一个瀑布的边缘。在瀑布的顶端,你仍然可以选择游回岸边。但是,一旦你越过了瀑布的边缘,无论你如何努力地划水,你都只能向下流去,无法再回到瀑布的上游。事件视界就是这个“瀑布边缘”,一旦你越过它,就连光也无法“游”回宇宙。

总而言之,黑洞中的那个“黑色的面”就是事件视界,它是黑洞引力影响范围的边界,是一个一旦进入就无法逃脱的时空区域。它之所以是“黑色”的,是因为连光也无法从中逃脱并抵达我们的眼睛。它不是一个实体,而是一个由极度弯曲的时空定义的临界点。

网友意见

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黑洞的光球(Photon Sphere)

黑洞附近存在光子的不稳定圆轨道,就是光球。

位于光球内的光子都将会落入黑洞中,从而无法被我们观测到。而一般情况下黑洞光球半径都比视界半径要大,例如史瓦西黑洞的光球半径是视界半径的1.5倍,所以一般光球以内的部分我们是看不到的,也就是题目的图中心的黑色区域,这部分区域,就是阴影(shadow)

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题目中的黑洞图片只是个不准确的示意图,涂黑的部分想要表达的就是刻板印象中人们对黑洞视界的认识“光无法逃出因而看起来像是在视野中开了个洞”,该图片完全没有考虑黑洞对光的路径造成的影响,无需做出过大解释。提问者需要了解的东西也不是黑洞光子球之类概念,而是暗物质的基础知识。

与其在网络上发表“假设暗物质也受引力作用”这样萌头的话,提问者不如先搜索一下暗物质的定义。暗物质当然受引力作用。暗物质从未“约束可观测物质的运动”。黑洞没有什么“内表面”。坠入黑洞的暗物质会和常规物质一样被黑洞彻底毁灭,质量、电荷(可以是零)、角动量(可以是零)加在黑洞上。

狭义的暗物质是不参与电磁相互作用的,人类可以借助弱相互作用和引力相互作用观测到暗物质,也可以通过电磁相互作用观测暗物质对其它物质的影响而间接观测暗物质[1]

广义的暗物质是在我们目前的条件下不能靠电磁波观测的东西,包括重子暗物质和非重子暗物质[2]。重子暗物质是参与电磁相互作用的,例如非常稀薄的星际分子云、附近缺乏光源的星际行星和褐矮星、遥远的晕族大质量致密天体[3]。你的身体也主要是重子物质。

观测不到一部分重子物质,是因为对我们手里的望远镜来说目标在其距离上看起来光度太低,而它实际上未必暗到哪去[4]

引入暗物质的概念是为了解释星系自转问题等表现出异常引力的观测事实,不同星系自转的情况有差异,有些需要的暗物质含量几乎为零,有些则异常多。暗物质也在大尺度结构形成过程的模拟中成功解释了星系团动力学,并正确地预测了引力透镜观测的结果

关于暗物质存在的证据、非重子暗物质的分类,可以参照:

好一点的黑洞示意图,例如NASA做的这个:

图片中黑色的圆是黑洞视界的影子。

对这种示意图或M87*的视界影子的照片有兴趣的话,可以参照:

漫画 | 你看到的根本不是黑洞,而是黑洞之影! - 松鼠会Sheldon的文章 - 知乎

zhuanlan.zhihu.com/p/62

参考

  1. ^ 人类修建的暗物质粒子探测设备在基本排除宇宙线与自然本底辐射影响后已经观测到一些东西撞击原子核产生的信号,它的变化规律不能归结到太阳系内已知天体的活动上。
  2. ^ http://pdg.lbl.gov/2010/reviews/rpp2010-rev-dark-matter.pdf
  3. ^ (中小型黑洞、中子星、较暗的白矮星)
  4. ^ 要知道,以我们现在贫弱的观测能力,100光年内可能还有尚未发现的若干颗红矮星及围绕它们运转的大量行星。

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