什么是黑洞视界，以及那里发生了什么？

事件视界标志着黑洞外缘的边界。这张黑洞图像显示了一个湍流的气体盘在宇宙怪兽周围翻腾。 (Image credit: NASA’s Goddard Space Flight Center/Jeremy Schnittman)

（神秘的地球uux.cn）据美国太空网（By Robert Lea）：事件视界是黑洞的球形外边界，被宽松地认为是它的“表面”

根据美国国家航空航天局(NASA)的说法，这一点是黑洞的引力影响变得如此之大，以至于甚至连光速都不足以逃离它。由于阿尔伯特·爱因斯坦的狭义相对论告诉我们，在真空中没有任何信号可以超过光速(c)，人类永远无法希望从单向边界即事件视界获得信号。

因此，视界有效地充当了宇宙守门人的角色，阻止我们直接观察黑洞中心的秘密。然而，它们可以揭示大量关于周围环境的信息。

哈佛大学天文学教授阿维·勒布告诉Space.com:“视界是终极监狱墙——你可以进去，但永远出不来。”。

当一个项目接近视界时，目击者会看到项目的图像变红变暗，因为重力扭曲了来自项目的光。在事件视界中，这个图像会有效地消失不见。

在事件视界内，人们会发现黑洞的奇点，以前的研究表明，该物体的所有质量都坍缩到无限密集的程度。这意味着奇点周围的空间和时间结构也弯曲到了无限的程度，因此我们目前所知的物理定律就失效了。

“事件视界保护我们免受奇点附近未知物理的影响，”勒布说。

泽维尔·卡尔梅特教授

Xavier Calmet是英国苏塞克斯大学数学和物理科学学院的物理学和天文学教授

我们问了英国物理学教授Xavier Calmet几个关于黑洞和视界的问题。

它标志着黑洞和宇宙其他部分的边界。

视界内的任何东西都无法逃脱或穿越这个边界回来，甚至光也不行。这意味着任何进入黑洞视界的东西都不能从这个视界之外被观察到。

这是一个观点问题。从远处的观察者来看，我们永远看不到任何东西落入黑洞，即进入视界。接近事件视界的物体会随着时间慢慢消失，最终消失。然而，从一个掉进黑洞的观察者的角度来看，当他穿越天体物理黑洞的视界时，他不会注意到任何东西。因为天体物理或大型黑洞的视界曲率很小，所以没有强大的潮汐力，自由落体的观测者会简单地进入黑洞，而不会注意到他已经通过了视界。

空荡荡的空间，没有什么值得注意的，直到人们非常接近黑洞中心的奇点。在那个阶段，潮汐力变得极其强大，观察者将经历意大利面条化——它们将被拉伸成一根长长的意大利面，最终将被强大的引力撕裂。

这是一个迷人的问题，并与臭名昭著的霍金信息悖论有关。2022年，我和我的同事Stephen Hsu在一系列论文中演示了信息如何逃离黑洞。我们的理论是，信息被编码在黑洞外引力场的量子状态中，并印在霍金辐射中，因此外部观察者完全可以获得。从这个意义上说，关于掉进黑洞的信息总是可以恢复的。

美国国家航空和宇宙航行局对黑洞的图解，漆黑的心被视界包围着。 (Image credit: NASA's Goddard Space Flight Center/ background, ESA/Gaia/DPAC )

黑洞和事件视界的概念诞生于1915年由阿尔伯特·爱因斯坦构想的引力理论，即广义相对论和定义它的张量方程的解。一个基调是一个数学方程，类似于一个向量，但有四个值，而不是两个。因此，张量有时也被称为“四维向量”

广义相对论也被称为“重力几何理论”，因为它认为质量的存在导致时空结构(空间和时间统一为四维实体)扭曲。

把这想象成类似于把不同质量的球放在一个拉伸的橡胶片上。球的质量越大，弯曲程度就越大，所以保龄球对玻璃片的弯曲程度远远大于弹球。对于天体来说也是一样，恒星比行星产生更多的扭曲。当一颗大质量恒星由于自身引力而完全坍缩时，黑洞就产生了。恒星的质量被压缩到一个无限小的空间，导致时空的极端扭曲。

因为术语“黑洞”指的是整个弯曲，而不仅仅是居住在其中心的无限质量，称黑洞为“时空事件”比物体更准确。事件视界是这些事件的外部边缘，在那里时空弯曲得如此厉害，以至于任何通过它们的东西都注定要单程旅行到黑洞的中心。

1915年，在广义相对论首次发表后不到一个月，根据物理研究所的说法，天体物理学家卡尔·史瓦西成为第一个解决广义相对论的场张量方程的人。

1911年第一次世界大战期间，史瓦西在东线德军服役时研究了广义相对论。他写信给爱因斯坦，告诉他简单而精确的解决方案，爱因斯坦担心这些方案可能永远无法实现，因为他自己只能得到近似的解决方案。史瓦西于1916年去世，同年他的解决方案发表。

广义相对论的数学(兰伯恩。R. J. A，2010，第171页)预测了两个奇点。一个坐标奇点，它是事件视界——黑洞的外部边界，还有一个引力奇点，它代表黑洞的核心。

史瓦西的解决方案给出了坐标奇点，因此事件视界在黑洞周围有一个固定的位置，称为“史瓦西半径”

通过巧妙应用数学和变换坐标系，可以消除坐标奇异性。但引力奇点或“实奇点”是无法去除的。它向物理学家提出了挑战，因为它代表了描述宇宙的物理学完全崩溃的时刻。

黑洞的解剖图。它(从左到右)标记了奇点:黑洞的正中心，物质在无限密度的区域中坍缩。相对论喷流:当恒星被黑洞吸收时，粒子和辐射喷流以接近光速喷出。光子球:从黑洞附近的热等离子体中发射出的光子，使它们的轨迹弯曲，产生一个明亮的环。事件视界:奇点周围的半径，物质和能量无法逃离黑洞的引力，这是一个不可逆转的点。过热气体和尘埃的吸积盘以极高的速度围绕黑洞旋转，产生电磁辐射x射线。 (Image credit: AFP Photo/NASA/JPL-Caltech)

史瓦西半径(Rs)是一个位于黑洞中心“真实”奇点半径处的球体，其半径(r)为r = 0，等于半径等于2倍牛顿引力常数或“大G”(G)乘以物体质量(M)除以光速平方(c ) [Lambourne。英国皇家律师协会，2010年，第172页]。Schwartzchild半径的等式看起来像这样Rs = 2GM/c。

这个等式意味着事件视界的大小取决于黑洞的质量。质量越大，视界就离中心奇点越远。

不仅仅是黑洞具有史瓦西半径，所有像行星和恒星这样的大质量物体都具有史瓦西半径，但这些都不是事件视界，因为这些点通常都在物体内部。

例如，假设太阳的质量为1.989 × 10 ⁰千克，其史瓦西半径位于距其中心点约1.86英里(3公里)处，而太阳的半径约为432，450英里(696，000公里)。地球的史瓦西半径甚至更接近它的中心点，我们的星球的史瓦西半径不超过9毫米！

要了解为什么Schwartzchild半径构成了一个光陷表面，可以考虑逃离物体引力影响所需的逃逸速度等于2乘以“大G”(G)乘以物体质量(M)除以物体半径的平方根，因此Ves = (2GM/r) /。对于地球来说，速度大约是每秒7英里(每秒11.2公里)。

对于一个半径小于2GM/c的物体，逃逸速度增加到每秒3.0 x 10⁸米以上，真空中的光速告诉我们，在这一点上，甚至光也不能超过引力。

史瓦西半径的另一个结果是，要成为黑洞，有质量的物体的半径必须缩小到Rs以内。如果太阳被压缩到足以成为一个黑洞，它的半径将从超过40万英里缩小到只有1.86英里(3公里)。与此同时，为了让我们的星球成为一个黑洞，地球的半径必须从大约4000英里(6400公里)缩小到只有0.35英寸(0.9厘米)！

人马座A*，银河系中心的超大质量黑洞，质量约为我们太阳的430万倍，直径约为790万英里(1270万公里)，而室女座A星系中心的M87约为60亿太阳质量，宽110亿英里(177亿公里)。

2022年5月12日，事件视界望远镜展示了银河系中心超大质量黑洞的图像，这是一个被称为人马座A*的庞然大物。(Image credit: Event Horizon Telescope collaboration)

2019年，视界望远镜(EHT)通过捕捉人类第一张黑洞的直接图像创造了历史，或者你现在会更准确地认识到，黑洞周围的环境。

这张照片展示了梅西耶87 (M87)中心的超大质量黑洞，根据EHT合作组织的说法，它距离我们5300万光年，质量相当于65亿个太阳。这幅图像显示了一个发光的物质环以接近光速的速度绕着事件视界运动。

遍布全球的望远镜阵列组成了EHT，构成了一个地球大小的虚拟望远镜，在2022年再次创造了历史，当时它拍摄了我们银河系中心的超大质量黑洞，称为人马座A* (Sgr A*)。

EHT项目科学家、天文和天体物理研究所天文学家Geoffrey Bower在一份声明中说:“我们惊讶地发现，光环的大小与爱因斯坦广义相对论的预测吻合得如此之好。”。“这些前所未有的观察大大提高了我们对银河系中心发生的事情的理解，并提供了关于这些巨大黑洞如何与周围环境相互作用的新见解。”

因此，M87和银河系中心黑洞的图像表明，虽然事件视界保护了隐藏在它们背后的许多秘密，保护了这些时空事件中心的中心奇点免受审查，但它们也有助于揭示关于它们周围环境和塑造星系的极端物理学的大量信息。