當我第一次瞭解黑洞的時候，我很害怕它會飛過我們的太陽系，把我們吃掉。那是20年前的事了。我不再害怕黑洞，但我擔心它們被誤解了。下面是關於黑洞你應該知道的10件事。

1. 什麼是黑洞?

黑洞包含一個沒有任何東西可以逃離的區域，因為，要逃離，你必須以超過光速的速度移動，而這點是你無法做到的。你無法逃離的區域的邊界被稱為“視界”。“在最簡單的情況下，視界具有球體的形式。它的半徑被稱為史瓦西半徑，以卡爾史瓦西命名，他首先推導出黑洞作為愛因斯坦廣義相對論的解。

2. 黑洞有多大?

黑洞的直徑與黑洞的質量成正比。所以質量越大，黑洞就越大。然而，與其他恆星相比，黑洞很小，因為巨大的引力壓力把它們的質量壓縮成很小的體積。例如，一個與地球質量近似的黑洞的半徑只有幾毫米。

3.視界上發生了什麼?

黑洞視界沒有物質。因此，穿越黑洞視界的人不會注意到他們周圍發生了什麼奇怪的事情。這是根據愛因斯坦的等效原理得出的，這意味著在你的周圍，你無法分辨平面空間的加速速度和產生重力的彎曲空間的加速速度之間的區別。

然而，一個遠離黑洞的觀察者如果看到有人掉進去，就會注意到，越靠近視界，下落的人移動得就越慢。之所以會出現這種情況，是因為靠近黑洞視界的時間比遠離視界的時間要慢得多。

這是愛因斯坦發現的時間相對論的一個奇怪的結果。所以，如果你掉進一個黑洞，穿過視界只需要有限的時間，但從外面看，它似乎要花很長時間。

你在視界上的體驗取決於引力場的潮汐力。潮汐力大致是引力的變化。不是重力本身，而是附近兩個地方的重力差，比如你的頭和腳。

視界上的潮汐力與黑洞質量的平方成反比。這意味著黑洞越大，質量越大，視界上的潮汐力就越小。是的，你沒聽錯。黑洞越大，視界上的潮汐力就越小。

因此，如果黑洞只有足夠的質量，你可以穿過視界而不注意剛剛發生了什麼。一旦你越過地平線，就沒有回頭路了。當你接近黑洞中心時，潮汐力的拉伸會變得越來越不舒服，最終把一切都撕裂。

在廣義相對論的早期，許多物理學家認為視界上存在一個奇點，但事實證明這是一個數學錯誤。

4. 黑洞裡面是什麼?

沒有人真正知道。廣義相對論預言黑洞內部是一個奇點，在那裡潮汐力變得無窮大。但是我們知道廣義相對論在奇點附近不起作用，因為在奇點附近，空間和時間的量子漲落變得很大。要想知道黑洞裡有什麼，我們需要一個量子引力理論——而我們沒有。大多數物理學家相信，如果我們有這樣一個理論，它會用別的東西取代奇點。

5. 黑洞是如何形成的?

目前我們知道黑洞形成的四種不同方式。最容易理解的是恆星坍縮。一顆足夠大的恆星在它的核聚變耗盡後將形成一個黑洞，這發生在恆星融合了所有可以融合的東西之後。現在，當聚變產生的壓力停止時，物質開始向自己的引力中心下落，因此密度越來越大。最終，這種物質的密度如此之大，以至於任何東西都無法克服恆星表面的引力:這時就產生了一個黑洞。這些黑洞被稱為“太陽質量黑洞”，它們是最常見的。

下一個常見的黑洞類型是“超大質量黑洞”，可以在許多星系的中心發現。超大質量黑洞的質量大約是太陽質量黑洞的十億倍，有時甚至更多。它們究竟是如何形成的還不完全清楚。許多天體物理學家認為，超大質量黑洞一開始是太陽質量的黑洞，由於它們位於人口密集的星系中心，它們吞噬了許多其他恆星併成長起來。然而，黑洞的增長速度似乎比這個簡單的想法所暗示的要快，而它們究竟是如何做到這一點，目前還不清楚。

更有爭議的觀點是原始黑洞。這些黑洞可能是由早期宇宙中等離子體的密度波動形成的。所以，他們應該一直在那裡。原始黑洞原則上可以有任何質量。雖然這是可能的，但很難找到一個既能產生原始黑洞又不產生太多黑洞的模型，這與觀測結果相矛盾。

最後，還有一個非常投機的想法，即微小的黑洞可以在粒子對撞機中形成。只有當我們的宇宙有額外的空間維度時，這才會發生。到目前為止，還沒有任何觀察證據表明這可能是事實。

6. 我們如何知道黑洞的存在?

我們有很多觀測證據證明非常小的物體質量很大卻不發光。這些物體因其引力而顯露出來。例如，它們通過影響周圍其他恆星或氣體雲的運動來做到這一點，我們已經觀察到。

我們還知道這些物體沒有表面。我們知道這一點是因為物質落在有表面的物體上會比物質落在地平線上然後消失會產生更多的粒子。

我們用“視界望遠鏡”觀測到了黑洞陰影。這基本上是一個極端的引力透鏡現象。所有這些觀察結果都與它們是由黑洞引起的解釋相一致，而且沒有類似的好解釋存在。

7. 為什麼霍金曾經說黑洞不存在?

霍金對黑洞使用了非常嚴格的數學定義，這在物理學家中相當少見。

如果黑洞視界的內部永遠不相連，我們就稱之為“事件視界”。如果內部只是暫時斷開連接，我們說的是“明顯的地平線”。但是由於一個明顯的地平線可能存在很長一段時間，比如幾十億年，所以這兩種地平線不能通過觀察來區分。因此，物理學家通常把這兩種情況稱為“黑洞”。然而，更有數學頭腦的人只把第一種具有永恆視界的情況算作黑洞。

霍金的意思是黑洞可能沒有一個永恆的視界，而只是一個暫時的可見視界。這並不是一個有爭議的立場，許多業內人士都認同這一立場。

8. 黑洞是如何發出輻射的?

黑洞之所以能發出輻射，是因為坍縮黑洞的動態時空改變了粒子的概念。這是愛因斯坦理論中“相對論”的另一個例子。就像不同的觀察者所經歷的時間是不一樣的，取決於他們在哪裡以及他們如何運動，粒子的概念也取決於觀察者，取決於他們在哪裡以及他們如何運動。

正因為如此，一個掉進黑洞的觀察者認為他是在真空中落下的，但是一個遠離黑洞的觀察者認為它不是真空而是充滿了粒子。粒子從何而來?它們來自黑洞。

黑洞發出的這種輻射被稱為“霍金輻射”，因為霍金是第一個推導出這種輻射會發生的人。這種輻射的溫度與黑洞的質量成反比:因此，黑洞越小，溫度越高。對於我們所知的恆星和超大質量黑洞，其溫度遠低於宇宙微波背景溫度，因此無法觀測到。

9. 什麼是信息丟失悖論?

信息丟失悖論是由霍金輻射引起的。這是因為霍金輻射是純熱的，這意味著它是隨機的，除了有一個特定的溫度。特別是，輻射不包含任何關於黑洞形成的信息。

但是當黑洞發出輻射時，它會失去質量並收縮。因此，最終黑洞將完全轉化為隨機輻射，剩下的輻射只取決於黑洞的質量。它完全不取決於形成它的物質的細節，也不取決於後來發生了什麼。因此，如果你只知道蒸發的最終狀態，你就不能說出是什麼形成了黑洞。

這樣的過程被稱為“不可逆過程”——問題是量子力學中沒有這樣的過程。因此，黑洞的蒸發與我們所知的量子理論是不一致的，這是必須給出的。必須以某種方式消除這種不一致。大多數物理學家認為，解決辦法是霍金輻射必須以某種方式包含信息。

10. 那麼，黑洞會來吞噬我們嗎?

這並非不可能的，但可能性很小。

由於星系的形成方式，星系中的大多數恆星都圍繞星系中心運行。有時兩個太陽系相撞，一顆恆星、一顆行星或一個黑洞被踢到一個奇怪的軌道上，離開一個太陽系，繞著它轉，直到它被另一個系統的引力場捕獲。

但是星系中的恆星通常彼此距離很遠，我們位於一個螺旋星系的外臂上，那裡並沒有發生太多的事情。所以，一個黑洞恰好在正確的曲線上出現，給我們帶來麻煩，這是極不可能的。我們也會提前很長時間知道這一點，因為我們會看到黑洞對外行星的引力作用。

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