黑洞史話10：黑洞的真容

你有沒有想過，電影《星際穿越》裏那個令人屏息的黑洞，並不是藝術家憑空想象的產物？我和你們一樣好奇，科學家究竟是如何“算出”黑洞樣子的——而這背後，是一場科學與視覺的驚人碰撞。

諾蘭的難題與索恩的直覺

當大導演克里斯托弗·諾蘭找到了物理學家基普·索恩，問他能不能給自己的電影打造一個史上最真實的黑洞形象時，基普·索恩的內心，是既興奮又忐忑的。興奮的是，終於有一位頂級的電影製作人，願意以前所未有的嚴肅態度，去追求一個科學上“正確”的黑洞形象。而忐忑的是，他自己也並不知道，這個問題的確切答案。

基普·索恩和導演克里斯托弗·諾蘭

“基普，如果一個黑洞正在吞噬周圍的氣體，形成一個明亮的吸積盤，那麼一個宇航員在它旁邊，到底會看到什麼？”諾蘭一見到索恩，便開門見山地問。

索恩聽完問題，沉思了起來。

因爲，這個問題，聽起來簡單，其實非常困難。它卻像一把鑰匙，直接捅進了廣義相對論最核心、也最詭異的殿堂。長久以來，即使是物理學家們自己，對黑洞的想象，也大多停留在藝術家的畫筆下：一個黑色的圓球，周圍環繞着一圈像土星環一樣扁平的光環。然而，黑洞真的是這樣的嗎？

傳統概念中的黑洞藝術圖

索恩的物理學直覺告訴他，這個圖像，肯定是錯的。

索恩沉思了片刻，回答道：

“克里斯，真實的景象，可能會比你想象的任何畫面，都要壯麗，也要離奇得多。黑洞，不僅僅是一個引力陷阱，它還是一個宇宙中最強大的‘哈哈鏡’。它會把光線像揉麪團一樣任意地扭曲、拉伸、複製。我們看到的，將不再是一個簡單的光環，而是一場由引力導演的、最宏大的時空幻象。不過，我現在也無法準確回答你黑洞到底是什麼樣，我不僅需要時間，還需要大量的算力。”

“算力？”諾蘭不解地問。

“是的，克里斯。我們需要用計算機模擬天文數字的光子，我們需要很多很多的 CPU。”

“到底需要多少？”

“我也不知道，總之，很多很多。”

從愛丁頓日食到愛因斯坦環

爲了將這個“幻象”精確地呈現出來，索恩和諾蘭的特效團隊——也就是大名鼎鼎的“雙重否定”（Double Negative）公司——開啓了一段長達一年的、科學與藝術完美結合的傳奇旅程。他們決定，不靠想象，只靠計算。他們只做兩件事情，設定起始參數，編寫算法，剩下的就全部交給計算機運算，他們不需要藝術家的參與。換句話說，他們要用愛因斯坦留下的引力場方程，去一個像素一個像素地“追溯”從黑洞周圍發出的每一條光線，看看它們最終會匯聚成一幅什麼樣的畫面。

這個過程，所需要的計算量是恐怖的。據說，團隊的一些渲染程序，單次運行就需要 100 個小時，整個項目最終產生的數據量，高達 800TB！

而當第一幅嚴格根據廣義相對論渲染出的黑洞圖像，出現在電腦屏幕上時，在場的所有人，包括基普·索恩自己，都徹底被震撼了。

他們看到的，是一個前所未見的宇宙奇觀。

那麼，黑洞爲什麼會呈現出這樣一幅景象呢？明明只有一個吸積盤的黑洞，爲什麼看上去會有兩個互相垂直的吸積盤呢？

這是因爲，黑洞會產生極強的“引力透鏡”效應。這個詞你可能聽說過，但你未必瞭解這個詞背後的科學原理。讓我們先回到 1919 年，回到那個讓愛因斯坦一戰成名的偉大實驗。

萬有引力這個詞是牛頓創造的，他發現，只要是有質量的物體，相互之間就一定會產生吸引力。在牛頓看來，引力是物體之間的私事，只對有質量的物體起作用。光既然沒有靜止質量，自然就能“逍遙法外”，永遠走直線。但愛因斯坦的看法，則要顛覆得多。在他的廣義相對論中，引力不再是一種“力”，而是質量對時空的“彎曲”。想象一張拉平的蹦牀，你在上面放一個很重的保齡球，蹦牀的表面就會凹陷下去。這時，如果你在蹦牀的邊緣，讓一顆彈珠滾過去，彈珠的運動軌跡就會因爲蹦牀的凹陷而發生彎曲。

愛因斯坦說，宇宙就是這樣一張四維的“時空蹦牀”。當然，我們用二維的蹦牀來比喻四維的時空，是一種無奈的簡化，但它的核心思想是準確的。恆星、行星、星系這些大質量的天體，就像一個個保齡球，把它們周圍的時空給壓彎了。而光，雖然沒有靜止質量，但它依然要在這張彎曲的時空蹦牀上前進。所以，當光線經過一個大質量天體附近時，就好像經過一個透鏡一樣，它的路徑，也必然會發生彎曲。這種效應就被稱爲引力透鏡效應。

引力透鏡示意圖。光線從遙遠的光源繞過一個大質量物體時發生彎曲，白箭頭代表從光源真實位置發出的光線路徑

如果你對時空彎曲的概念還是充滿了問號的話，推薦你去看一下本系列的第二篇文章：彎曲的時空。

引力彎曲時空，這個預言，在當時聽起來，簡直是天方夜譚。

1919 年，英國天文學家亞瑟·愛丁頓爵士，決定用天文觀測去驗證愛因斯坦的瘋狂預言。他說服英國皇家學會資助了他的計劃，這堪稱一場與時間賽跑的科學豪賭。計劃是派兩支遠征隊，分別前往巴西的索布拉爾和非洲西海岸的普林西比島，在日全食那短短几分鐘的黑暗裏，去捕捉太陽背後恆星的微光。而愛丁頓自己，則親自帶隊前往非洲。

如果牛頓是對的，光走直線，那麼這些恆星的位置，應該和它們在夜空中出現的位置一模一樣。

但如果愛因斯坦是對的，太陽巨大的質量彎曲了周圍的時空，那麼，那些從恆星發出、恰好擦着太陽邊緣過來的星光，在到達地球之前，就會被太陽的引力“掰彎”一下。結果就是，我們看到的這些恆星，它們的位置，會比它們“真實”的位置，向外偏離一個微小的角度。

5 月 29 日，日全食如期而至。巴西團隊運氣非常好，當日晴朗無雲，他們拍到了完美的照片。但是愛丁頓的非洲團隊運氣不佳，當日是多雲，但好在日全食發生的那一刻，天空中的雲短暫裂開，他們還是拍到了幾張照片，雖然照片上的恆星數量不多，但依然有幾顆可以測量。

1919 年愛丁頓科考隊收集的日食照片

幾個月後，當他們將這些照片與半年前拍攝的同一天區的夜空照片進行比對時，歷史性的一刻到來了。他們發現，那些靠近太陽邊緣的恆星，它們的位置，真的發生了偏移！而且，偏移的角度，與愛因斯坦廣義相對論的計算結果，完美吻合。

這個消息，讓愛因斯坦一夜之間，從一個物理學界的專業學者，變成了全世界家喻戶曉的科學巨星。《泰晤士報》用巨大的標題宣告：“科學革命——宇宙新理論——牛頓思想被推翻”。

黑洞：宇宙的終極哈哈鏡

引力透鏡效應，從此不再是理論猜想，而成了一個被證實的、觀測宇宙的強大工具。天文學家們發現，宇宙中那些巨大的星系和星系團，就像一個個天然的“望遠鏡”，可以將它們背後更遙遠的、更闇弱的星系的光線放大、增強，讓我們得以窺見宇宙更深處的奧祕。

普通的恆星和星系，對時空的彎曲，還算是“溫柔”的。它們就像是在蹦牀上放了一個保齡球，雖然產生了凹陷，但還不至於把蹦牀戳破。

而一個黑洞，它對時空的彎曲，是災難性的。它相當於直接把蹦牀給戳穿了，形成了一個無底的深淵。所以，黑洞這個終極的引力怪物，也是一個宇宙中最強大、最完美的“引力透鏡”。它對周圍光線的扭曲，是如此的極端，以至於能產生一些普通引力透鏡無法產生的奇特景象。

想象一下，假如有一顆恆星正運行到黑洞的正後方。在通常情況下，它應該被黑洞完全擋住，我們什麼也看不到。

但是，由於黑洞強大的引力，這顆恆星發出的光，並不會直線前進。從恆星上方發出的光，會被黑洞的引力向下拉，彎曲後射入我們的望遠鏡；從恆星下方發出的光，會被黑洞的引力向上拉，同樣彎曲後射入我們的望遠鏡。

結果就是，我們不僅能看到這顆恆星，並且會同時在黑洞的上方和下方，看到兩個這顆恆星的像！

如果這顆恆星的位置，恰好完美地、精確地位於黑洞的正後方，那麼，它發出的光，會被黑洞的引力向四面八方均勻地彎曲，最終在我們的望遠鏡裏，形成一個完整的光環。這個美麗的光環，被稱爲“愛因斯坦環”。

哈勃太空望遠鏡於 2005 年拍攝到的一組愛因斯坦環。圖片來源：NASA、ESA

這還不是最奇特的。

在黑洞周圍，存在一個被稱爲“光子球層”（Photon Sphere）的魔幻邊界。在這裏，引力強大到恰到好處，足以把光線‘掰彎’成一個完美的圓形軌道，強迫光子像一顆顆微型的人造衛星一樣，身不由己地永遠圍繞着黑洞旋轉。所以，黑洞看起來就像一個光環形成的戒指。

當然，這個軌道是極不穩定的，任何一點微小的擾動，都會讓光子要麼螺旋着墜入黑洞，要麼螺旋着飛離黑洞。

現在，讓我們再來想象一下，當你看着一個黑洞時，會發生什麼。

你看到的光，可能不僅僅是從光源直接彎曲過來的。有的光線，可能是在光子球層上，繞着黑洞轉了一圈、兩圈、甚至無數圈之後，才最終脫離軌道，射入你的眼睛。

這意味着什麼？這意味着，理論上，如果你用一個足夠強大的望遠鏡，看着黑洞的邊緣，你有可能看到來自宇宙中任何一個方向的光。

這就像是兩面相對擺放的鏡子，會產生無窮多個鏡像一樣。黑洞這個終極的引力透鏡，把它背後的整個宇宙，都變成了一場無窮無盡的、光怪陸離的幻象。我們看到的星空，在黑洞的邊緣，會被拉伸、被複制、被扭曲成一幅凡人無法想象的超現實主義畫作。

卡岡圖雅：科學與電影的里程碑

在電影《星際穿越》的劇本中，有一個超大質量黑洞“卡岡圖雅”。在電影上映之前，幾乎所有的科幻作品，描繪的黑洞吸積盤，都是一個扁平的、像土星環一樣的盤面，中間是一個黑色的洞。

但基普·索恩知道，這是錯的。

他告訴諾蘭和特效團隊：“你們必須考慮引力透鏡效應。吸積盤本身是扁平的，但黑洞會把它發出的光線給扭曲掉。”

於是，索恩帶領特效團隊，編寫了全新的渲染軟件。他們模擬了一個由無數發光氣體粒子組成的、扁平的、圍繞黑洞旋轉的吸積盤。然後，他們像一個虛擬的攝影師一樣，將“鏡頭”放在黑洞的旁邊，開始追蹤從這個吸積盤上每一點發出的光線，看看它們最終會如何到達鏡頭。

當第一幅模擬圖像生成時，所有人都被驚呆了。

《星際穿越》電影片段

他們看到，吸積盤正對着我們的那一面，看起來和我們想象的差不多，是一個圍繞着黑色陰影的、明亮的光環。但是，最不可思議的景象，出現在黑洞的上方和下方。

他們看到，在黑洞的頂部，出現了一個明亮的、拱形的光環，彷彿是戴在黑洞頭上的一頂“光之桂冠”。而在黑洞的底部，也出現了另一個一模一樣的光環。

這是什麼？難道黑洞周圍有三個環嗎？一個在中間，一個在上面，一個在下面？

並不是！其實只有一個環！你們在上面和下面看到的，根本不是一個獨立的光環。那是被黑洞的引力，從吸積盤的“背面”，給硬生生“拽”過來的影像！

也就是說，從吸積盤看不見的那一面（背面）發出的光，本來應該是背離我們飛走的。但是，黑洞那恐怖的引力，把這些光線給“掰彎”了 90 度，甚至更多。從盤面上方發出的光，會被黑洞像抽絲線一樣抽過來，越過黑洞的“頭頂”，然後射入我們的鏡頭；從盤面下方發出的光，也會被以同樣的方式，繞過黑洞的“腳底”，然後射入我們的鏡頭。

所以，我們在電影中看到的那個壯麗的、如同光暈一樣的結構，其實是吸積盤的“後腦勺”！黑洞這個宇宙哈哈鏡，把一個扁平的盤子，變成了一個立體的、發光的球體。

不僅如此，細心的觀衆還會發現，吸積盤的一側，看起來比另一側更亮、顏色也更偏藍。這也不是藝術加工，這同樣是精確的物理計算結果，它展示的是相對論性多普勒效應。吸積盤上的氣體，正在以接近光速的速度旋轉。正朝着我們運動的那一側，它發出的光，頻率會變高（藍移），亮度也會增強；而正在遠離我們運動的那一側，它發出的光，頻率會變低（紅移），亮度也會減弱。

《星際穿越》中的“卡岡圖雅”，就這樣，成爲了電影史上第一個，完全基於愛因斯坦廣義相對論方程，進行科學渲染的黑洞形象。它不僅僅是一個視覺奇觀，它更是一堂生動的、價值連城的物理課。

然而，索恩和諾蘭的探索，並沒有止步於此。他們知道，一個不旋轉的史瓦西黑洞，雖然能產生壯麗的引力透鏡效應，但它還不足以支撐起《星際穿越》那宏大的故事內核。

爲了讓米勒星球上“一小時等於地球七年”的極端時間膨脹成爲可能，爲了讓庫珀最終能夠安全地進入黑洞，他們需要的，是一個更復雜、更真實，也更瘋狂的天體——一個高速旋轉的克爾黑洞。

當黑洞旋轉起來時，它就不再只是一個被動的“哈哈鏡”了。它會主動地拖拽着周圍的時空，一起跳起一支狂野的華爾茲。在這支宇宙級的華爾茲中，又會誕生出怎樣一番更加離奇的景象呢？

科學有故事，我們下期接着聊。