黑洞的实际大小是多少？

宇宙中，大小绝对很重要。演化的红巨星、我们的太阳和白矮星都可以有相同的质量，但这三类物体之间的大小差异是巨大的。虽然可能有一些量子效应对非常小的物体起作用——在能量、位置、寿命等方面。— 无论存在任何不确定性，有些属性都保持不变。无论是在微观上还是在宏观上，稳定的物体都可以用可测量的属性来描述，例如质量、体积、电荷和自旋/角动量。
但是“大小”有点棘手，特别是如果你的对象非常小。就密度而言，最极端的物体是黑洞，但对它们来说，大小不一定是一个明确定义的属性。毕竟，如果形成黑洞的所有质量和能量都不可避免地坍缩成一个中心奇点，那么“大小”的概念到底意味着什么？事实证明，黑洞的大小实际上不止一个定义，它们都有其用途。从外到内，让我们来看看黑洞的大小可以告诉我们什么。

而不是一个空的，空白的，三维的网格，放下质量会导致本来是“直线”的线变成弯曲的特定量。在大质量之外，超过一定距离的空间曲率保持不变，即使改变内部质量所占据的体积也是如此。
图片来源：Networkology and the Pratt Institute 的 Christopher Vitale
关于黑洞，你必须知道的第一件事是：就它的引力效应而言，特别是在远离它的地方，黑洞与任何其他质量没有什么不同。如果我们以某种方式用一个等质量、等角的动量物体代替我们的太阳，那就是：
一颗膨胀的次巨星，
一颗巨大的红巨星，大小与金星的轨道相当，
退化白矮星，
一颗超压缩中子星，
或黑洞，
我们在地球上感受到的引力效应是绝对不变的。
除非你是专业的天体物理学家，否则这可能会让你大吃一惊！毕竟，我们被教导说，黑洞具有不可抗拒的引力，它们不可逆转地将任何离它们附近的物质吸入其中。但事实是，黑洞不再比任何其他质量“吸”物质。事实上，黑洞与任何其他物体之间的唯一主要区别是密度：黑洞可以具有与任何其他物体相同的质量和角动量，但它的小物理尺寸意味着你可以更接近它，这就是这些奇异的引力效应出现的地方。

黑洞事件视界之外严重弯曲的时空插图。当你越来越接近质量的位置时，空间变得更加严重弯曲，最终导致一个连光都无法逃脱的位置：事件视界。在远距离上，对于质量相等的黑洞、中子星、白矮星或任何其他质量相当的物体，空间曲率是无法区分的。
学分：约翰逊马丁/Pixabay
我们大多数人都知道黑洞的事件视界，它代表了物体理论上可以从其引力中逃脱的地方与任何物体将不可避免地被吸引到中心奇点之间的边界，无论它做什么。如果你的黑洞仅由质量组成——没有电荷，没有角动量，也没有其他固有的“奇异”成分——那么事件视界的大小由所谓的史瓦西半径给出：逃逸速度等于光速的半径。
然而，在现实中，大多数（如果不是全部）物理存在的黑洞确实具有某种固有的角动量：证明它们围绕某个旋转轴旋转的证据。当黑洞旋转时，它不再只有一个有意义的表面，它是可以逃脱和不能逃脱之间的边界;相反，出现了许多重要的边界，其中许多可以声称是黑洞的大小，这取决于你想做什么。从外到内，让我们来看看它们。

克尔（旋转）黑洞最内层稳定轨道外的单个测试粒子轨道的动画。请注意，粒子与黑洞中心的径向范围不同，具体取决于方向：你是对齐还是垂直于黑洞的自旋轴。
图片来源：Yukterez（Simon Tyran，维也纳）/维基共享资源
1.） 我可以制作一个稳定的圆形轨道吗？这是任何想要花时间绕另一个物体引力运行的人的梦想：无需不断增加能量或推力来保持轨道。就像一颗绕地球运行得太近的卫星会因为我们脆弱的外层大气的摩擦力而被拖回我们的星球一样，一个绕黑洞运行的物体，在内部有一定距离，会螺旋进入黑洞，穿过事件视界，被拉入中心奇点。这个距离，你可以有一个稳定的轨道，被称为ISCO：最里面稳定的圆形轨道。
这比事件视界本身要远得多：是史瓦西半径的三倍，史瓦西半径适用于非旋转黑洞。如果你的黑洞在旋转，你必须走得更远：如果你相对于黑洞的自旋逆行（相反方向）移动，距离是史瓦西半径的4.5倍，以获得允许的最大旋转速率。但另一方面，顺行运动更容易，当旋转接近最大值时，您的半径可以略有减小。尽管如此，这个边界在尺寸上比黑洞的事件视界本身要大得多，虽然你可以被限制在特定的空间体积内，但你不会简单地停留在一个稳定的圆形轨道上。

2017年4月11日，事件视界望远镜团队不仅发布了他们的第一张黑洞图像，还模拟了他们期望看到的偏振特征。当他们重建多年后第一个观察到的带有偏振的黑洞的图像时（左），它与模型（右）非常吻合。这表明，围绕这些超大质量，旋转，富含等离子体的黑洞的物质的物理学已经得到了很好的理解。请注意，黑洞的“阴影”大于事件视界的大小。
学分：Huib Jan Van Langevelde（EHT主任）为EHT合作
2.）当我看到它时，我会看到什么？这有点自相矛盾，因为事件视界望远镜取得了前所未有的成功。当我们直接创建黑洞的第一张图像时，我们并没有完全想象出事件视界。相反，我们想象的是黑洞附近光子被强烈空间曲率弯曲时的影响。然后这些光子向许多不同的方向发射，在那里我们观察到那些在我们的眼睛上沿直线传播的光子。我们可以看到光子通量并精确定位它们的位置，并看到它们形成一个漫射的、延伸的、环状的形状，内部只有黑暗。
但那个环不是事件视界的大小;相反，由于广义相对论的一些更复杂的效应，它大约是250%：略小于ISCO，但比史瓦西半径大得多。这些光子不在稳定的轨道上，而是双曲线轨道，在那里它们逃脱了黑洞的引力。然而，到达我们眼睛的并不代表事件视界的物理大小，而是事件视界实际直径的2.5倍：黑洞的“阴影”比黑洞本身大。

罗伊·克尔（Roy Kerr）在1963年发现了具有质量和角动量的黑洞的确切解，并揭示了不是具有点状奇点的单一事件视界，而是内部和外部事件视界，以及内部和外部的ergosphere，以及大半径的环状奇点。外部观察者无法看到外部事件视界之外的任何东西。
学分：M. Visser，克尔时空，2007
3.）在事件视界之外还有其他有趣的事情吗？是的！外面有一个位置——对于一个不旋转的黑洞，是史瓦西半径的1.5倍，对于一个最大旋转的黑洞，它上升到史瓦西半径的两倍——被称为光子球：光子将保持在黑洞周围的轨道上。但这不是无限期的;光子轨道不稳定，会落入黑洞。这并不违反 ISCO，因为“S”代表稳定;这是一个不稳定的轨道。
但是，如果你的黑洞在旋转，那么其他有趣的东西就会出现：所谓的外层ergosphere。由于黑洞的旋转，它外面的空间也会被拖曳。当然，空间总是被旋转的质量拖曳，但人体力圈是特殊的，因为它以等于光速的速度拖动空间。
在外层的磁流层中，进入该区域的粒子被迫以更快的速度运行，从而获得能量。如果他们获得足够的能量，他们甚至可以完全逃离黑洞，被踢出去，导致黑洞付出代价：失去能量。通常，这来自自旋能量，而不是质量能量，这是从黑洞中提取能量的已知方法之一。它被称为彭罗斯过程，被认为是宇宙中发现的一些最高能量粒子的原因。

旋转黑洞的阴影（黑色），视界和电流圈（白色）。图像中显示的a的数量各不相同，与黑洞角动量与其质量的关系有关。请注意，事件视界望远镜看到的黑洞的阴影（红色边框）比黑洞本身的事件视界或大气层（白色）大得多。
图片来源：Yukterez（Simon Tyran，维也纳）/维基共享资源
4.）事件视界呢？正如我们已经说过的，现实的黑洞不是不旋转的;它们以大量的角动量旋转。这种旋转具有迷人的数学效应：你得到的不是导致一个事件视界，而是两个解决方案，对应于“外部”和“内部”事件视界。尽管物理学家对这两种解决方案的含义存在争议，但普遍的共识似乎是外层肯定存在物理，而内层地平线可能不存在。
外视界的功能类似于非旋转情况下的标准事件视界，但旋转将其推得更远：沿着黑洞的“赤道”比在“两极”更远。黑洞旋转得越快，失真就越大，达到理论最大速率。然而，正如我们之前所讨论的，旋转过快的黑洞将从彭罗斯过程中释放出自旋能量，向更慢、更长期的稳定状态旋转，进一步减小事件视界的大小。

在史瓦西黑洞的事件视界内外，空间像移动人行道或瀑布一样流动，这取决于你想如何想象它。在事件视界，即使你以光速奔跑（或游泳），也无法克服时空的流动，时空将你拖入中心的奇点。然而，在事件视界之外，其他力（如电磁）可以经常克服重力的拉力，甚至导致下落的物质逃逸。
学分：安德鲁·汉密尔顿/JILA/科罗拉多大学
5.）但是黑洞的外部事件视界内部呢？现在，对于注重细节的物理学家来说，事情变得非常有趣。如果我们的黑洞没有旋转，一旦你越过事件视界，你将不可避免地跌向中心奇点，别无选择。然而，你将无法看到来自太空中其他方向的其他一切;相反，黑洞内部因果相连的部分形成了一种特殊的数学形状：一条被称为心形的心形曲线。
你最终达到的奇点将是点状的，因此将具有无限的密度（以及无限小的体积）。虽然我们不知道奇点会发生什么——我们需要一个量子引力理论才能确定——但很明显，我们已知的物理定律被打破了，只产生了无意义的答案。
然而，如果你允许你的黑洞旋转，这意味着它不仅有固有的质量，还有角动量，一切都会改变。

在黑洞附近，空间像移动人行道或瀑布一样流动，这取决于你想如何想象它。与非旋转情况不同，事件视界一分为二，而中心奇点则被拉伸成一维环。没有人知道在中心奇点发生了什么。
学分：安德鲁·汉密尔顿/JILA/科罗拉多大学
6.）现实黑洞的奇点是什么样的？首先，如果你在混合中添加旋转，你的奇点就不再是一个零维点，而是分散成一个一维结构：一个环。当你掉进一个旋转的黑洞时，你确实会走向奇点，但时空的旋转性质会把你抹成一个漩涡状的形状;这就像“意大利面条化”，但有一个漩涡。你的轨迹会将你身体中的每个量子投掷到一个不同的点，沿着这个线性环分布。
但有一个有趣的警告：有一些理论迹象表明，当你越过外部事件视界并走向内部事件视界时，这相当于在黑洞内部诞生了一个新的宇宙。许多相对主义者争论我们推导出的许多性质意味着什么。
你最终会得到一个类似于我们预期在宇宙暴胀期间发生的状态吗？
你遇到的边界是否可以映射到导致另一个热大爆炸的边界上？
它是否类似于虫洞，在那里你“退出”你一直占据的空间，并在其他地方（以及其他时间）重新出现在某个新空间中？
这些可能性令人着迷，并表明如果你的黑洞旋转，你可能永远不会碰到那个奇点。

从黑洞外部，所有下落的物质都会发光并且始终可见，而事件视界后面的任何东西都无法逃脱。旋转黑洞的事件视界应该只取决于它的质量和自旋，但我们还没有弄清楚旋转的黑洞如何（或是否）与外部宇宙耦合。
学分：安德鲁·汉密尔顿，JILA，科罗拉多大学
然而，尽管物理学家在谈论所有这些问题以及定义黑洞“大小”的所有不同方式时都很谨慎，但当我们口语化时，我们往往会变得懒惰。通常，黑洞的大小，在物理学家的口中，意味着黑洞的史瓦西半径，与自旋无关，并且忽略了空间曲率，阴影的表观大小或粒子行为的任何其他影响。只要把黑洞看作一个点状质量，计算它的逃逸速度等于光速的半径，这就是你的大小。即使你只使用牛顿引力来计算它，你的结果也会非常准确。
当然，我们一直在考虑许多其他物理场景。
黑洞外的粒子会发生什么？
它们可以在哪里稳定地运行，而不是在哪里被弹出或吞噬？
当我们观察黑洞时，我们在物理上看到了什么？
当黑洞旋转时，空间的拖曳对黑洞外的物质有什么影响？
而且，如果你穿越黑洞的事件视界，你会继续体验或遇到什么？
所有这些问题都有不同的答案，对大小问题有不同的含义。重要的是，当我们谈论这些问题时，我们始终使用对我们正在探索的效果有意义的大小定义。其他任何事情都只会导致混乱。