科学家揭示黑洞之谜：逃逸速度或超越光速！

对黑洞最简单的描述是一个系统，其引力是如此之强，以至于没有任何东西，甚至是光，可以从它那里逃脱。

在我们熟悉的牛顿引力理论中，这种类型的系统已经是可能的。一个物体的逃逸速度是指一个物体为摆脱该物体的引力而必须开始行驶的速度，并在没有进一步加速的情况下继续飞向无限远。

由于逃逸速度是从物体的表面测量的，如果物体收缩，密度增加，它就会变得更高。(在这种收缩下，物体的质量保持不变，但其表面更接近其质量中心；因此表面的引力增加）。如果物体变得足够密集，逃逸速度可能因此超过光速，而光本身将无法逃逸。

这方面的论证并不涉及相对论物理学，米歇尔和拉普拉斯，在18世纪末就注意到了这种牛顿式黑洞的可能性。

这些牛顿式的物体并不像相对论黑洞那样沉淀出相同的危机感。虽然在塌陷体表面发出的光不能逃脱，但有足够强大的发动机发射的火箭仍然可以把自己推向自由。

它只需要不断发射火箭发动机，使推力等于或略大于引力。由于在牛顿物理学中，对可能的速度没有上限，只要以大于光的初始速度被发射出去，就可以逃脱。

考虑到相对论的因素，我们发现黑洞是更为奇特的实体。鉴于相对论排除了任何传播速度超过光的物理过程的通常理解，不仅光无法从这样的物体中逃脱，没有任何东西将能够逃脱这种引力。

这包括可以逃离牛顿黑洞的强大火箭。一旦身体坍缩到其逃逸速度为光速的地步，没有任何物理力量可以阻止身体继续进一步坍缩，因为这将相当于将某物加速到超越光速的速度。

一旦达到这个坍缩的临界点，身体就会越来越小，密度越来越大，没有限制。它已经形成了一个相对论的黑洞。这里就出现了黑洞和奇点之间的密切联系，因为广义相对论预言，在物理上合理的一般条件下，一旦达到黑洞形成的临界点，就会从坍缩的物质中形成时空奇点。

对于任何给定的天体，当天体坍缩到所谓的施瓦兹柴尔德半径内时，这个不可避免的坍缩临界阶段就会发生，该半径与天体的质量成正比。

我们的太阳的施瓦茨柴尔德半径约为三公里；地球的施瓦茨柴尔德半径略小于一厘米；你身体的施瓦茨柴尔德半径约为10-27厘米，比中微子小十倍，比夸克相互作用的尺度特征小1010倍。

如果你能将地球上的所有物质塌缩成豌豆大小的球体，就会形成一个黑洞。

如果有足够的质量，并不需要极高的物质密度来形成黑洞。如果银河系中的所有恒星逐渐向银河系中心聚集，同时保持它们之间的比例距离，它们将全部落在它们共同的施瓦茨柴尔德半径内，因此在它们被迫碰撞之前很久就会形成一个黑洞。

如果一个有几亿太阳质量的水，以其标准密度（1克/立方厘米）--因此总共占据了大约1027立方公里的区域，大约是包含天王星轨道的最小球体的大小，它将被包含在其施瓦茨柴尔德半径内。在这种情况下，水最终确实会在自身上坍缩到任意高的密度。

一些位于星系中心的超大质量黑洞被认为比水的例子还要大，达到几十亿太阳质量，尽管在这些情况下，被认为形成黑洞的物质的初始密度特别高。

根据标准定义，黑洞的事件视界是由不归点形成的表面。它是最接近奇点的时空中所有事件的集合的边界，在这个边界上，光信号仍然可以逃到外部宇宙。

包括事件视界在内的所有东西都是黑洞本身。对于一个标准的（不带电的、不旋转的）黑洞来说，事件视界位于施瓦茨希尔德半径处。源自黑洞内某一事件的闪光将无法逃脱，而是最终落入黑洞的中心奇点。

源自事件视界外的事件的光束将逃脱（除非它最初是指向黑洞的），但它将被强烈地红移到它在视界附近开始的程度。根据定义，源自事件穹界上的事件的出射光束，将一直留在事件穹界上，直到宇宙的时间结束。

广义相对论告诉我们，在引力场中不同位置运行的时钟，从某种意义上说，可以做到精确，一般不会相互一致。在黑洞的情况下，这表现为以下方式。有人掉进了黑洞，在下落过程中，她的表针每跳动一次，就向我们闪烁一次光信号。

从黑洞外的安全距离观察，我们会发现连续的光信号到达之间的时间无限制地增长，因为光越接近事件穹界，就需要更长的时间来逃离黑洞的引力势阱。

这就是靠近事件穹界的光的红移。在我们看来，当坠落的人接近事件穹界时，时间会变慢。当她越来越接近事件穹界时，她手表的滴答声（以及其他每一个过程）似乎会变得越来越慢。

我们永远不会真正看到她穿过事件穹界时发出的光信号；相反，她似乎永远 "冻结 "在穹界之上。看到这个人的说法有些误导，因为来自这个人的光会迅速变得严重红移，很快就无法被实际检测到。

从坠落者的角度来看，在事件视界没有任何不寻常的事情发生。她不会经历时钟变慢，也不会看到任何证据表明她正在穿过黑洞的事件视界。她通过事件穹界只是她历史上的最后时刻，在这一时刻，她发出的光信号将能够逃离黑洞。

事件视界的概念是一个全球性的概念，它取决于时空的整体结构，特别是取决于过程如何物理地演变到不确定的未来。从局部来看，事件视界上的点没有什么值得注意的。

通过严格的局部测量的任何组合来定位事件穹界，原则上是不可能的，不管仪器如何巧妙地安排，测量如何精确。在这种全球意义上，事件视界的存在是一个严格意义上的不可验证的假设。

人们不需要成为科学知识的验证主义者，就会对这种状况感到困扰。事实上，事件视界的全局性表现在一个更引人注目的方面，它们是 "预知 "的，在这个意义上，今天事件视界的位置取决于我明天会向黑洞里扔什么。

黑洞的全局性和几何性也提出了有趣的问题，即人们可以或应该在何种意义上将其视为物理对象或系统。黑洞只是时空中的一个几何特征的表面，在事件视界处没有普通物质，也没有其他的局部特征可以让人探测到它。

与奇点相同的问题在这里逼迫我们，就局部考虑而言，黑洞是时空的一个无差别区域，其物理上的重要特性只表现为全局结构，在什么意义上（如果有的话），我们应该将其归于存在。

由于黑洞作为物理系统的特殊性质，观察黑洞的尝试也引起了有趣的认识论问题，特别是关于数据对理论模型的决定性不足，理论假设在数据解释中起到不可消除的作用，以及 "观察 "一个原则上不能直接发射信号的物理系统到底意味着什么。

对这些问题进行了全面的调查，关于一群杰出的理论家和观测天文学家对这些问题的圆桌讨论记录。

最近对引力波进行了划时代的探测，其特征表明它们是由双体黑洞系统凝聚产生的，这些问题对哲学家们来说变得更加迫切，需要进行探讨。

宇宙中最完美的物体，相对论黑洞最显著的特征之一是它们是纯粹的引力实体：所有的标准黑洞时空模型（施瓦兹柴尔德、赖斯纳-诺德斯特伦、克尔、克尔-纽曼）都不包含任何物质。

它们是爱因斯坦场方程的真空解，这只是意味着物质密度到处为零的解。我们也可以考虑有物质存在的黑洞，正如标准的天体物理学模型对超大质量黑洞所做的那样，这些黑洞被认为生活在大多数星系的中心，它们被认为被强磁场和超热物质的吸积盘所包围。

在前相对论物理学中，我们认为引力是由与某些物质相关的质量产生的一种力。然而，在广义相对论的背景下，我们摒弃了引力，而是假设了一个弯曲的时空几何，它产生了我们标准地归结为引力的所有效应。

广义相对论不同于牛顿引力理论的最大特点之一是，它承认在没有物质的情况下，例如在黑洞的边界，有可能出现这种曲率（"引力效应"）。因此，黑洞不是时空中的一个东西；相反，它是时空本身的一个特征。

相对论黑洞的仔细定义将只依赖于时空的几何特征。我们需要对 "一个没有任何东西，甚至连光都无法逃离的区域 "的含义更加精确。

如果我们的定义是有意义的，就必须有一个地方可以逃脱。使这一想法精确和严格的最常见的方法是采用逃到无限远的概念。

如果一个粒子或光线不能任意远离时空内部的一个确定的、有边界的区域，而必须始终保持在该区域内，那么该区域就是一个无法逃脱的区域，因此是一个黑洞。该区域的边界就是事件视界。

一旦一个物理实体越过事件视界进入黑洞，它就再也不会越过它了。

我们将需要一个明确的概念，即允许逃逸或使这种逃逸不可能的那种几何学。为此，我们需要时空的因果结构的概念。在时空中的任何事件中，所有光信号的可能轨迹形成一个圆锥体，圆锥体边界的四维类似物。

由于光以时空中允许的最快速度传播，这些圆锥体映射出时空中可能的因果过程的传播边界。

如果一个事件A的发生能够对事件B的另一个发生产生因果影响，那么在时空中一定有一条从事件A到事件B的连续轨迹，这样的轨迹位于沿途每个事件的光锥内或上。

时空的曲率由光锥远离45度的倾斜来表示。请注意，当你接近黑洞的中心时，光锥越来越向内倾斜。图中垂直向上的锯齿线描绘了黑洞内部的中心奇点。

这实际上不是时空的一部分，但可以被认为是时空结构崩溃的 "地方"。因此，我们不应该想象穿越奇点的可能性；这就像某些东西完全离开图表（即时空）一样无稽之谈。

黑洞时空的特点是，它包含一个区域，在以光速或低于光速飞行时，不可能从这个区域出去。这个区域是由前向光锥的外缘直接指向上方的事件所标志的。

当人们从这些事件向内移动时，光锥的倾斜度非常大，以至于人们总是被迫向内移动，走向中心奇点。当然，这组不归路就是事件视界；而它里面的时空区域就是黑洞。

在这个区域，人们不可避免地走向奇点；避免奇点的不可能性只是阻止我们在时间上向前移动的不可能性。

坍塌的恒星的物质最终会消失在黑洞奇点中。这时，物质的所有细节都完全消失了；剩下的只是黑洞的几何特性。令人惊讶的是，这些属性可以与一组小的、固定的物理量相识别。

引人注目的无发定理使平衡状态下的黑洞完全由三个数字描述，这就产生了一个显著的后果，即无论任何坍缩形成黑洞的天体的细节如何，它可以是人们喜欢的复杂的、洛可可式的、由最奇特的材料组成的系统稳定下来达到平衡后的最终结果在各方面都将与任何其他具有相同总质量、角动量和电荷的天体坍缩形成的黑洞相同。

由于这种极端的简单性，钱德拉塞卡称黑洞是 "宇宙中最完美的宏观物体"。它们的物理状态完全由三个数字来描述，这在为黑洞赋予热力学特性方面起着重要作用。

黑洞不仅本身是最简单的物体。它们对宇宙中的所有其他物体也强制执行简单性，不管离自己有多远。从某种意义上说，时空流形本身最基本的结构之一，即它的拓扑结构，在行为良好的黑洞之外的任何地方都是尽可能简单的。

就其本身而言，它提出了关于时空中拓扑结构与格律结构的关系的迷人问题，这些问题几乎完全没有被哲学家们所探索。

对于一个对时空的性质感兴趣的哲学家来说，其不同结构之间的关系和相互制约的方式必须具有根本重要性。