邊界究竟在哪裡
視界是距離中心的一段距離,在那裡第二宇宙速度等於光速。比那更近的地方,沒有任何東西能往外出去 - 並不是有什麼攔住訊號,而是那裡所有軌跡都通往內部。邊界本身沒有物質,它只是空無一物的純粹幾何。
視界半徑由質量決定,並與質量成正比增加。把地球壓縮成黑洞,邊界會是一顆櫻桃大小的球體。太陽若變成黑洞,會是半徑約3公里的球體。至於銀河系中心、約有4百萬個太陽質量的人馬座A*,視界則在1,200萬公里外。
這條界線沒有局部特徵:墜落中的太空船裡,儀器不會顯示任何異樣。而且,你無法只根據附近一小塊區域算出視界的位置 - 它取決於黑洞的整個未來。若一年後有一團氣體落入其中,視界會提前開始擴張。
為什麼墜落者感覺不到穿越
危險的不是邊界本身,而是重力差:你的腳受到的拉力比頭更強,身體因而被拉長。在視界上,黑洞越有質量,這個差異就越小。靠近恆星質量的黑洞時,人會在距離視界數百公里前就被撕裂。若是超大質量黑洞,邊界處的拉伸小到你感覺不到 - 撕裂會在更晚、內部更深處才發生。
墜入超大質量黑洞時,穿越邊界有多容易察覺。
儘管如此,一切都變了。視界之後,「往外」不再是空間中的方向,而成了時間中的方向:在那裡,你無法遠離中心,就像在這裡無法前往昨天。往回發出的訊號,仍會朝更深處前進。
從外面看見什麼
從外面看,情況正好相反。物體越靠近視界,對遙遠觀察者來說,它的時鐘走得越慢,光也越紅。形式上,它的影像永遠不會跨過邊界:它會無限期地停滯在最邊緣。
但這裡的「無限期」其實等於「看不見」。亮度以指數方式下降,而且非常快:恆星質量黑洞的影像會在幾毫秒內熄滅,超大質量黑洞則是幾分鐘。沒有人看見過一層由卡在視界上的物質形成的發光外殼。
外部觀察者看到的墜落物體亮度:每一步都暗3倍。
黑洞影像中的橘色圓環也不是視界。中央的暗斑半徑約是它的2,6倍:從旁掠過的光會繞著黑洞彎曲,陰影邊緣由這種光學效應決定。這些都是廣義相對論的預言;若計入量子效應,視界上究竟發生什麼事,物理學家至今仍有爭論。
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來源
- 視界大小 - 史瓦西解(1916)。陰影影像 - 事件視界望遠鏡:M87*(2019)、人馬座A*(2022)。