摘要：如果我们真的靠近一个黑洞，会发生什么？是瞬间被撕裂，还是闯入另一个时空？相信经常看科幻片的人一定都想过这个问题。你可能觉得黑洞离我们很远，但其实啊，科学家们早就找到了“偷看”黑洞秘密的方法——比如盯着那颗每隔 16 年就敢在黑洞边上“跳舞”的 S2 恒星……
如果我们真的靠近一个黑洞，会发生什么？是瞬间被撕裂，还是闯入另一个时空？相信经常看科幻片的人一定都想过这个问题。你可能觉得黑洞离我们很远，但其实啊，科学家们早就找到了“偷看”黑洞秘密的方法——比如盯着那颗每隔 16 年就敢在黑洞边上“跳舞”的 S2 恒星……
上篇文章我们说到，当安德烈娅·盖兹和莱因哈德·根泽尔的团队，像绘制寻宝图一样，将银河系中心那颗 S2 恒星的轨道完美地描绘出来时，整个天体物理学界都沸腾了。科学家们就像哥伦布抵达了新大陆。人类，第一次拥有了一个如此接近超大质量黑洞的“天然实验室”。S2 恒星就像一个被我们派往龙潭虎穴的勇敢信使，每隔 16 年，它都会替我们进行一次“死亡俯冲”，用它自身发出的光，向我们实时播报那个宇宙中最极端环境的“天气状况”。
银河系中心恒星的轨道周期，其中黄色曲线为 S2 的完整轨道周期，图源：UCLA Galactic Center Group
这个发现，对于加州理工学院的基普·索恩教授来说，简直是天大的好消息。他终于等到了一个可以用真实数据来检验他们那些疯狂理论的终极舞台。长久以来，索恩和学生们只能在黑板上、在计算机里推演黑洞周围的时空会如何扭曲，虽然计算结果无比优美，但那毕竟是虚拟的。而现在，他们终于有了一个“可观测”的黑洞。
不过，索恩很快就开始不满足，因为 S2 离黑洞还是太远。S2 运行的区域实际上是在距离黑洞数千倍史瓦西半径之外。而真正让索恩着迷的是，如果，我们能乘坐一艘宇宙飞船，无限地逼近那个神秘的黑洞边界，也就是科学家们称之为事件视界（Event Horizon）的地方，能看到怎样一番风景呢？
这也是索恩最喜欢在课堂上问学生们的问题。在微笑着听完学生们的发言，他总是会拿起粉笔，在黑板上画一个巨大的瀑布。然后解释说：
“你们想象一下”，这时候的索恩，他的声音充满了感染力，仿佛他自己就置身于那艘小船上，他说：“你正坐在一艘小船里，顺流而下。一开始，河流平缓，你甚至可以打个盹，或者轻松地划桨，逆流而上。但是，随着你越来越接近瀑布的边缘，你会感觉到水流开始变得湍急。你需要用尽全力划桨，才能勉强保持原地不动。终于，你漂到了一个临界点。在这个点上，水流的速度恰好等于你划船能达到的最大速度。”
他用粉笔在瀑布的上方，画了一条清晰的横线。
“这条线，就是‘事件视界’。一旦你的小船越过了这条线，那么对不起，game over。无论你的引擎有多么强大，无论你如何拼命地划桨，你都再也无法回到上游了。为什么？因为在这里，水流，正以一种比你能达到的最快速度还要快的速度，带着你冲向下面的深渊。你的命运已经注定，再也无法改变。对于上游的朋友来说，你已经永远地‘消失’了。”
“黑洞的事件视界，就是这样一个宇宙级的‘时空瀑布’的边缘。只不过，在那里，充当‘水流’的，是时空本身；而你小船能达到的最大速度，不再是划桨的速度，而是宇宙中最快的速度——光速。”
索恩的比喻，让在场的所有学生都倒吸了一口凉气。他们第一次如此直观地理解了事件视界的恐怖本质：它不是一堵墙，不是一个可以触摸的实体表面。它是一个纯粹由时空本身的性质所定义的、无形的、单向的“膜”。一个一旦跨过，就永无归途的临界点。
图源：NASA
有学生继续追问：“教授，那如果我的飞船正好停在事件视界的边缘，我会看到什么？我会感觉到什么？”
索恩笑了，他摇了摇头：“这是一个非常好的问题。而它的答案，恰恰是广义相对论中最违反我们日常直觉，也最迷人的地方。答案是——你什么也感觉不到，什么也看不到。在你看来，周围的时空，和你家后院的时空，没有任何区别。”
这个答案往往会出乎学生们的意料。
“这就是爱因斯坦的‘等效原理’最极致的体现。”索恩解释道，“在一个自由下落的电梯里，你是感觉不到重力的。同样，当你自由地、跟随着时空的‘水流’一起冲向黑洞时，在你自己的参考系里，你也是感觉不到任何异常的，你手里的咖啡依然会漂浮在空中。你会平滑地、毫无感觉地穿过那道看不见的‘不归点’之门。对你而言，事件视界并不存在于空间中，它只存在于时间的‘未来’里。你穿越的不是一条线，而是一个注定的命运。在你穿过它的那一瞬间，你和整个宇宙的因果联系，就已经被不可逆转地切断了。”
“不过，在你飞向黑洞的边界的过程中，你会感到潮汐力越来越大。因为黑洞的中心奇点到你的船头和船尾的距离不同，所以，黑洞对船头和船尾的引力大小也是不同的，这种引力差被称为潮汐力。离黑洞越近，潮汐力也就越大。”
想象一下，你的身体正头朝下脚朝上地向一个恒星级黑洞坠落。由于你的头比脚更靠近黑洞，你的头会受到比脚强大得多的引力。同时，你身体两侧的引力，都指向黑洞的中心，所以你身体的左右两边还会被向内挤压。
最终的结果就是，你的身体将不再是你自己的。引力会像无数只无形的手，从四面八方抓住你身体的每一个原子。它会把你的头和脚向相反方向无限拉伸，同时把你的左右两肩向内死死挤压。你不再是一个三维的人，而是一根被拉向奇点的、滚烫的原子细丝。这个过程被物理学家们戏称为“意大利面化”（Spaghettification），在真正触及事件视界之前，你就早已化为乌有。
正在落入黑洞的太空人（意面效应示意图），图源：wikipedia
但是，对于像我们银河系中心这样的超大质量黑洞，情况就完全不同了。因为它的质量太大了，它的事件视界也极其巨大，银心黑洞的事件视界直径约 2400 万公里，比水星的轨道还要大。这意味着，在它的事件视界附近，引力的变化是相对平缓的。
所以，一个宇航员在坠入一个超大质量黑洞时，他感受到的潮汐力会非常微弱。他完全可以毫发无伤地、平稳地穿过事件视界，而丝毫感觉不到自己已经踏上了一条不归路。这，也正是电影《星际穿越》中，库珀能够安全进入黑洞“卡冈图雅”的物理学基础。
《星际穿越》剧照
广义相对论可以帮助科学家们清晰地描述，一个人在黑洞边界看到的奇景。
要理解这种远超我们日常经验的奇景，我们必须先深入地理解两个由广义相对论所预言的、最核心的物理效应：引力时间膨胀和引力红移。
首先，我们来给你讲讲什么是引力时间膨胀。
爱因斯坦的理论告诉我们，引力的本质，是质量对时空的弯曲。而时间的流逝速度，并非像牛顿所认为的那样，是宇宙中一个恒定不变的“节拍器”。时间的流逝，会受到引力场强度的影响。如果用一句最简单的话来说，就是：引力越强的地方，时间流逝得越慢。
这是一个已经被无数实验精确验证了的物理事实。比如，我们每天都在使用的 GPS 全球定位系统，就必须对这个效应进行精确的修正。GPS 卫星位于距离地面约 2 万公里的高空轨道上，那里的引力比地面要弱一些。因此，卫星上的原子钟，每天会比地面上的时钟快大约 45 微秒。同时，由于卫星的高速运动，根据狭义相对论，它的时钟每天又会比地面慢大约 7 微秒。
一快一慢，综合下来，GPS 卫星上的时钟，每天会比地面上的时钟快大约 38 微秒。这个差异虽然微小，但如果不进行修正，GPS 系统的定位误差，每天就会累积大约 10 公里！
所以，引力导致时间变慢，不是一个理论猜想，而是我们日常生活中实实在在的工程学应用。
现在，让我们把这个效应，应用到黑洞这个引力的终极怪物身上。
想象一下，你是一位勇敢的宇航员，正乘坐着一艘强大的飞船，从遥远的、引力可以忽略不计的深空中，慢慢地靠近一个黑洞。你的任务，是在不同的距离上，悬停下来，然后向地球发回报告。
当你悬停在距离黑洞很远的地方时，你手表上的时间，和地球上你同事手表上的时间，几乎是同步的。你看一秒，地球上也过一秒。
接着，你启动引擎，顶着黑洞强大的引力，悬停在一个更近的位置。这时，诡异的事情发生了。你低头看自己的手表，它依然在正常地滴答作响，一秒一秒地走着。但在地球上的同事看来，你的所有动作，都开始变得像电影里的慢动作一样。你发回的信号，频率也变慢了。他们看到，他们自己的手表走过了两秒，甚至十秒，你手表上的秒针才艰难地跳动一下。
在他们眼中，你的时间，变慢了。
你继续向黑洞靠近，悬停在一个离事件视界只有一步之遥的地方。在这里，引力已经强大到了不可思议的地步，你需要开动飞船所有的引擎，才能勉强让自己不掉下去。
这时，在地球上的同事眼中，你已经几乎“静止”了。他们看到，你手表上的秒针，仿佛被冻住了一样，需要几百年，甚至几万年，才能艰难地跳动一下。你发回的信号，波长被极大地拉长，能量也衰减到了几乎无法探测的程度。
最终，当你耗尽了所有燃料，无可奈何地被引力捕获，开始向事件视界坠落时，在地球上的同事看来，你的影像会永远地、越来越暗淡地“凝固”在事件视界的那一层膜上，仿佛变成了一张被无限拉伸的、永恒的红色剪影。你发出的最后一句“我很好”，在他们听来，第一个音节和最后一个音节之间，可能隔了数千年。你的存在，被拉伸成了一段永恒的上古传说。
因为，在事件视界上，对于一个远方的观测者来说，时间是完全静止的。
而对于你自己呢？正如我们前面所说，你不会有任何特别的感觉。你的手表依然在正常地走时，你会平滑地、在有限的时间内，穿过那个无形的边界。
这就是广义相对论描绘的、最诡异的场景之一：同一个事件（你穿越事件视界），对于两个不同的观察者（你和地球上的同事），却有着截然不同的时间描述。你的“现在”，对于他们来说，却是无限遥远的“未来”。
与引力时间膨胀相伴相生的，是另一个效应，叫做引力红移（Gravitational Redshift）。
这个效应说的是，光在从强引力场中向外传播时，会损失能量。而光的能量，又和它的频率成正比。能量损失，就意味着频率降低。在光谱上，频率降低，就意味着向红色的一端移动。
所以，引力红移，本质上就是引力时间膨胀在“光”身上的体现。因为远方观察者看到你的时间变慢了，所以他接收到你发出的光的频率，自然也就变慢了（红移了）。
当你的飞船悬停在事件视界边缘时，你打开手电筒，向着地球射出一束蓝色的激光。但这束激光，在奋力爬出黑洞那深不见底的“引力陷阱”时，它的能量会被引力一点一点地“偷走”。当它最终到达地球时，它可能已经不再是蓝光，而是变成了能量更低的红光、红外线、甚至是无线电波。
而如果你恰好在事件视界的那一刻，向外发出最后一束光，那么这束光，将在爬升的过程中，损失掉它全部的能量。它的波长，会被拉长到无穷大，频率则会降低到零。也就是说，对于远方的观测者来说，什么也看不到。
这就是为什么黑洞是“黑”的另一个更深刻的物理解释。不是因为光被“挡住”了，而是因为从事件视界上发出的光，在到达我们这里之前，能量已经衰减为零了。
现在，我们已经了解了黑洞边界的时空扭曲效应。但这些，都还只是理论推导。在我们用这些理论去想象更疯狂的景象之前，我们必须先回答一个问题：爱因斯坦的理论，在银河系中心那样极端的环境中，还适用吗？
大自然，再一次通过 S2 恒星，给了我们答案。
根据牛顿的万有引力定律，一个行星围绕太阳运行的轨道，应该是一个完美的、封闭的椭圆。也就是说，每一次公转，行星都会精确地回到原来的轨迹上。
但是，广义相对论告诉我们，这个轨道，并不会是完美封闭的。因为太阳的质量，让它周围的时空产生了弯曲。行星在这个弯曲的时空中运行，它的轨道，会发生一个非常微小的、整体的旋转。这个现象，叫做“近日点进动”。
水星，作为距离太阳最近的行星，它感受到的时空弯曲效应最强，所以它的近日点进动也最明显。天文学家们早在 19 世纪，就已经观测到了水星轨道的这种异常进动，但用牛顿的理论怎么也解释不了。而爱因斯坦的广义相对论，完美地、精确地解释了这个偏差。这也成为了广义相对论的又一个关键证据。
水星近日点进动示意图
现在，让我们回到银河系中心。S2 恒星，正围绕着一个 400 万倍太阳质量的黑洞运行。它在近心点处感受到的时空弯曲，比水星在近日点处感受到的，要强上无数倍！
所以，它的轨道，也必然会发生一个极其剧烈的“进动”。它的椭圆轨道，每一圈都不会是封闭的。整个椭圆，会像一个花瓣一样，在空间中不断地旋转。
在 2020 年，也就是盖兹和根泽尔获得诺贝尔奖的那一年，他们的团队同时宣布了一个历史性的观测结果：经过长达 27 年的持续追踪，他们终于精确地探测到了 S2 恒星轨道的“史瓦西进动”！
S2 恒星轨道的“史瓦西进动”艺术渲染图，图源：欧洲南方天文台（ESO）
观测到的进动数值，与广义相对论的理论预言，完美地吻合。当最后一个数据点落在屏幕上，与广义相对论画出的那条优雅曲线完美重合时，据说观测室里一片寂静，随即爆发出了经久不息的掌声。那是对爱因斯坦最崇高的致敬，也是对人类耐心和智慧的终极奖赏。
这个发现的意义，无比重大。它就像是在物理学法庭上，呈上的一份由宇宙亲自出具的、无可辩驳的鉴定报告。它告诉我们：是的，爱因斯坦的理论，即使在宇宙中最极端的引力环境中，依然坚如磐石。
这个伟大的证实，为基普·索恩和所有的理论物理学家们，注入了前所未有的信心。它意味着，他们完全可以信赖广义相对论这本地图，去探索黑洞周围那些更奇特、更不为人知的“风景”。
既然我们已经确认了物理定律在这里依然有效，那么，一个更具诱惑力的问题就浮现了：如果我们真的飞到银河系中心附近，近到足以让我们用肉眼看到黑洞，黑洞到底会呈现出什么样子呢？
这个问题，在很长一段时间里，都只停留在科学家的想象和艺术家的画笔下。
讲起来你可能不信，在 2014 年之前，黑洞的形象五花八门，远不是我们今天一讲起黑洞，大家脑子中都会浮现出来的那个标准照。
这要归功于著名的克里斯托弗·诺兰导演和基普·索恩共同完成的科幻电影里程碑——《星际穿越》。
2011 年，诺兰找到基普·索恩，他说，他想在他的新电影《星际穿越》中，呈现一个有史以来最真实、最符合物理学原理的黑洞。
他问索恩：“基普，如果一个黑洞正在吞噬周围的气体，形成一个明亮的吸积盘，那么一个宇航员在它旁边，到底会看到什么？”
这个问题，开启了一段科学与艺术完美结合的传奇。为了回答它，索恩和他的团队，编写了全新的计算机渲染程序，花费了整整一年的时间，进行了人类历史上第一次对黑洞视觉效果的严格科学模拟。
而模拟的结果，一举颠覆了所有人（包括物理学家们自己）的想象。电影《星际穿越》在 2014 年上映后，由索恩领衔完成的真实黑洞形象传遍全世界，成了黑洞的标准形象照。
《星际穿越》中的黑洞
不过，在这次对黑洞视觉形象的探索过程中，索恩还发现了更多黑洞的奥秘。科学有故事，我们下期接着聊。
来源：科学有故事一点号
