大家好，我是超自然現象探索官，感謝您的觀看，希望能得到您的一個"關注"

在宇宙中，大小確實很重要。巨星、太陽和白矮星可能具有相同的質量，但這三類物體之間的大小差異卻很大。盡管非常小的物體的一些量子效應可能會在能量、位置、壽命等方面發揮作用，但無論有任何不確定性，還是有一些屬性保持不變。在微觀和宏觀層面上都穩定的物體是通過可測量的屬性來描述的，例如質量、體積、電荷和扭矩。

該圖顯示了光子如何在黑洞引力的影響下在黑洞周圍彎曲。黑洞陰影的大小不同于事件視界的大小，事件視界的大小不同于中心奇點的大小，也不同于圍繞黑洞穩定軌道上的粒子所追蹤的路徑。。在這種情況下，“尺寸”有多種定義。

但“大小”是一個棘手的話題，尤其是當你的主題非常小時。密度最極端的物體是黑洞，但對它們來說，大小不一定是明確定義的屬性。畢竟，如果進入黑洞的所有質量和能量都不可避免地塌縮成一個中心奇點，那麽“大小”到底意味著什麽呢？事實證明，黑洞的大小有不止一種定義，而且它們都有各自的用途。讓我們從外部開始看看黑洞的大小能告訴我們什麽。

質量的放置不是空的、平坦的三維網格，而是導致“直線”彎曲一定量。即使改變內部質量所占據的體積，超過一定距離的大質量外部的空間曲率也保持不變。

關于黑洞，您需要了解的第一件事是，就其引力效應而言，尤其是在距黑洞很遠的地方，黑洞與任何其他質量沒有什麽不同。如果我們以某種方式用一個質量相等、角動量相等的物體代替太陽，那就是：

一顆膨脹的亞巨星，

一顆巨大的紅巨星，大小與金星軌道相當，

簡並白矮星

超壓縮中子星，

或黑洞

我們在地球上經曆的引力效應將保持完全不變。

如果您不是專業的天體物理學家，這可能會讓您感到驚訝！畢竟，我們被告知黑洞具有不可抗拒的引力，它們不可避免地會吸入任何離它們太近的物質。但事實是，黑洞並不比任何其他質量更多地“吸入”物質。事實上，黑洞與任何其他物體之間的唯一主要區別是密度：黑洞可以具有與任何其他物體相同的質量和角動量，但由于其較小的物理尺寸，您可以更接近它，並且這就是這些奇異的引力效應發生的地方。

黑洞視界外高度彎曲時空的圖示。隨著質量體位置的接近，空間變得越來越彎曲，最終到達一個連光都無法逃脫的點：事件視界。在遠距離處，空間曲率與同等質量的黑洞、中子星、白矮星或任何其他質量相當的物體無法區分。

我們大多數人都知道黑洞的事件視界，它是一個物體在理論上可以逃脫其引力的地方和任何物體無論其行爲如何都會被無情地拉向中心奇點之間的邊界。如果黑洞僅由質量組成——沒有電荷，沒有角動量，也沒有其他“奇異”成分——事件視界的大小由所謂的史瓦西半徑決定：在該半徑處，其逃逸速度等于光。

然而，實際上，大多數（如果不是全部）物理存在的黑洞都具有一定的角動量，這表明它們圍繞某種旋轉軸旋轉。當黑洞旋轉時，它不再只有一個重要的表面，即可以逃逸和不能逃逸的邊界；相反，出現了許多重要的邊界，其中許多邊界可以假裝成黑洞大小，具體取決于您想要做什麽。讓我們從外面看一下它們。

克爾（旋轉）黑洞最內層穩定軌道附近的一個測試粒子的軌道動畫。請注意，粒子相對于黑洞中心具有不同的徑向範圍，具體取決于方向：是與黑洞的自轉軸對齊還是垂直于它。

1.) 是否有可能創建一個穩定的圓形軌道？這是任何想要通過引力繞另一個天體運行的物體的夢想：無需不斷添加能量或推力來維持軌道。正如一顆離地球太近的衛星會因稀薄的外層大氣的摩擦而被拉回地球一樣，在一定距離內繞黑洞運行的物體也會螺旋進入黑洞，穿過事件視界並落入黑洞。中心奇點。可以擁有穩定軌道的這一距離稱爲 ISCO：內圓穩定軌道。

這比事件視界本身要遠得多：比適用于非旋轉黑洞的史瓦西半徑遠三倍。如果您的黑洞正在旋轉，您需要移動得更遠：如果您以最大旋轉速度沿與黑洞旋轉相反的逆行方向（相反方向）移動，則最多比史瓦西半徑遠 4.5 倍。另一方面，順行運動更容易，當旋轉速度接近最大值時，您的半徑可能會稍微減小。然而，這個邊界的大小比黑洞的事件視界本身大得多，雖然你可能仍然被限制在一定的空間內，但你不會簡單地保持在穩定的圓形軌道上。

2017 年 4 月 11 日，事件視界望遠鏡團隊不僅發布了他們的第一張黑洞圖像，還對他們期望看到的偏振特征進行了建模。當他們在幾年後重建第一個觀測到的偏振打開的黑洞圖像時（左），它與模型完全一致（右）。這表明，圍繞這些超大質量、旋轉、富含等離子體的黑洞周圍物質的物理學已經得到很好的了解。請注意，黑洞的“陰影”大于事件視界的大小。

2.) 當我看到這個時我會看到什麽？由于事件視界望遠鏡取得了前所未有的成功，這有點自相矛盾。當我們直接拍攝黑洞的第一張圖像時，我們並沒有完全拍攝到事件視界。相反，我們捕捉到了黑洞附近光子因空間強烈曲率而彎曲時的效應。然後這些光子向不同的方向運動，我們觀察到那些光子沿直線向我們的眼睛移動。我們可以看到這股光子流並精確定位它們的位置，看到它們形成了一個模糊的、擴大的環形結構，內部黑暗。

但這個環並不對應于事件視界的大小；相反，由于廣義相對論的一些更複雜的影響，它大約大 250%：略小于 ISCO，但明顯大于史瓦西半徑。這些光子並不處于穩定的軌道上，而是處于雙曲線軌道上，它們逃離了黑洞的引力。然而，我們看到的並不是事件視界物理尺寸的表示，而是比事件視界實際直徑大2.5倍的直徑：黑洞的“陰影”比黑洞本身還要大。

羅伊·克爾 (Roy Kerr) 于 1963 年發現了具有質量和角動量的黑洞的精確解，並揭示了它不是具有點奇點的單個事件視界，而是內部和外部事件視界、內部和外部能層以及環顯著半徑的 形奇點。外部觀察者看不到外部事件視界之外的任何東西。

3.) 事件視界之外有什麽有趣的東西嗎？是的！外面有一個地方——對于不旋轉的黑洞來說是史瓦西半徑的 1.5 倍，對于最大旋轉的黑洞則增加到史瓦西半徑的兩倍——被稱爲光子球：光子可以留在黑洞周圍軌道上的區域。然而，這並不是無限期的；光子軌道不穩定，光子最終會落入黑洞。這並不違反 ISCO，因爲“S”代表穩定性；這是一個不穩定的軌道。

但如果你的黑洞旋轉，其他有趣的東西就會隨之而來：所謂的外能層。由于黑洞的旋轉，它周圍的空間也被吸入。當然，空間總是被旋轉質量吸入，但能層很特殊，因爲它以等于光速的速度吸入空間。

在外能層中，進入該區域的粒子被迫更快地旋轉，從而獲得能量。如果它們獲得了足夠的能量，甚至可以離開黑洞，飛出黑洞，讓黑洞付出代價：失去能量。這通常來自旋轉能而不是質量能，並且是從黑洞提取能量的已知方法之一。這被稱爲彭羅斯過程，被認爲是宇宙中發現的一些最高能粒子的原因。

旋轉黑洞的陰影（黑色）、地平線和能層（白色）。圖像中顯示的 a 值的變化與黑洞的角動量與其質量的比率有關。請注意，事件視界望遠鏡看到的黑洞陰影（紅色框）比黑洞本身的事件視界或能層（白色）大得多。

4.) 事件視界怎麽樣？正如我們所說，現實中的黑洞並不是不旋轉的，而是不旋轉的。它們以顯著的角動量旋轉。這種旋轉具有令人著迷的數學效應：最終得到的不是一個事件視界，而是對應于“外部”和“內部”事件視界的兩個解決方案。盡管物理學家對這兩種解決方案的含義存在爭議，但普遍的共識似乎是外視界確實物理存在，而內視界可能不存在。

外視界充當非旋轉黑洞的標准事件視界，但旋轉將其推得更遠：沿著黑洞的“赤道”比“兩極”更遠。黑洞旋轉得越快，畸變就越大，最高可達理論最大值。然而，正如我們之前討論的，旋轉太快的黑洞會由于彭羅斯過程而失去旋轉能量，減速到更慢、更穩定的狀態，從而進一步減小事件視界的大小。

在史瓦西黑洞的事件視界內部和外部，空間要麽像移動走道，要麽像瀑布一樣流動，具體取決于您想要如何可視化它。在事件視界，即使你以光速奔跑（或遊泳），也無法克服將你拉入中心奇點的時空流動。然而，在事件視界之外，其他力（例如電磁力）通常可以克服重力，甚至導致下落的物質逃逸。

您最終到達的奇點將是一個點狀奇點，並且因此具有無限的密度（和無限小的體積）。雖然我們不知道奇點會發生什麽——我們需要量子引力理論才能確定——但很明顯，我們已知的物理定律正在被違反，只産生毫無意義的答案。

然而，如果你讓黑洞旋轉，也就是說，不僅有內部質量，還有角動量，一切都會改變。

6.) 黑洞的現實奇點是什麽？首先，如果添加旋轉，奇點將不再是零維點，而是展開成一維結構：環。當你落入一個旋轉的黑洞時，你會走向一個奇點，但時空的旋轉性質會將你拉伸成一個漩渦狀的形狀；它就像“意大利面條化”，但帶有卷曲。你的軌迹會將你身體的每個單獨的量子投射到沿著這個線性環分布的不同點。

但這裏有一個有趣的警告：有一些理論表明，當你穿過外部事件視界並走向內部事件視界時，相當于在黑洞內部誕生了一個新宇宙。許多相對主義者對我們推導出來的許多性質的含義爭論不休。

你最終會處于類似于我們預期在宇宙膨脹期間發生的狀態嗎？您遇到的邊界似乎可能被映射到導致另一次熱大爆炸的邊界嗎？它是否像一個蟲洞，你從你所占據的空間中“出來”，並在另一個地方（和時間）的某個新空間中重生？這些可能性是令人興奮的，它們表明，如果你的黑洞在旋轉，你可能永遠不會遇到那個奇點。

從黑洞外部，所有下落的物質都會發出光並且始終可見，而事件視界之外的任何物質都無法逃脫。旋轉黑洞的事件視界應該僅取決于其質量和旋轉，但我們尚未弄清楚旋轉黑洞如何（或是否）與外部宇宙相關。

然而，盡管物理學家在我們討論所有這些問題以及確定黑洞“大小”的各種方法時保持謹慎，但當我們在日常生活中談論它時，我們往往會粗心大意。通常，當物理學家談論黑洞的大小時，他們指的是黑洞的史瓦西半徑，無論旋轉如何，並忽略空間曲率、表觀陰影大小或粒子行爲的任何其他影響。只需將黑洞視爲一個點質量，計算其逃逸速度等于光速的半徑，就可以了。即使您僅使用牛頓引力進行計算，您的結果也會出人意料地准確。