如果我們真的靠近一個黑洞，會發生什麼？是瞬間被撕裂，還是闖入另一個時空？相信經常看科幻片的人一定都想過這個問題。你可能覺得黑洞離我們很遠，但其實啊，科學家們早就找到了“偷看”黑洞祕密的方法——比如盯着那顆每隔 16 年就敢在黑洞邊上“跳舞”的 S2 恆星……

上篇文章我們說到，當安德烈婭·蓋茲和萊因哈德·根澤爾的團隊，像繪製尋寶圖一樣，將銀河系中心那顆 S2 恆星的軌道完美地描繪出來時，整個天體物理學界都沸騰了。科學家們就像哥倫布抵達了新大陸。人類，第一次擁有了一個如此接近超大質量黑洞的“天然實驗室”。S2 恆星就像一個被我們派往龍潭虎穴的勇敢信使，每隔 16 年，它都會替我們進行一次“死亡俯衝”，用它自身發出的光，向我們實時播報那個宇宙中最極端環境的“天氣狀況”。

銀河系中心恆星的軌道週期，其中黃色曲線爲 S2 的完整軌道週期，圖源：UCLA Galactic Center Group

這個發現，對於加州理工學院的基普·索恩教授來說，簡直是天大的好消息。他終於等到了一個可以用真實數據來檢驗他們那些瘋狂理論的終極舞臺。長久以來，索恩和學生們只能在黑板上、在計算機裏推演黑洞周圍的時空會如何扭曲，雖然計算結果無比優美，但那畢竟是虛擬的。而現在，他們終於有了一個“可觀測”的黑洞。

不過，索恩很快就開始不滿足，因爲 S2 離黑洞還是太遠。S2 運行的區域實際上是在距離黑洞數千倍史瓦西半徑之外。而真正讓索恩着迷的是，如果，我們能乘坐一艘宇宙飛船，無限地逼近那個神祕的黑洞邊界，也就是科學家們稱之爲事件視界（Event Horizon）的地方，能看到怎樣一番風景呢？

事件視界：宇宙的“時空瀑布”

這也是索恩最喜歡在課堂上問學生們的問題。在微笑着聽完學生們的發言，他總是會拿起粉筆，在黑板上畫一個巨大的瀑布。然後解釋說：

“你們想象一下”，這時候的索恩，他的聲音充滿了感染力，彷彿他自己就置身於那艘小船上，他說：“你正坐在一艘小船裏，順流而下。一開始，河流平緩，你甚至可以打個盹，或者輕鬆地划槳，逆流而上。但是，隨着你越來越接近瀑布的邊緣，你會感覺到水流開始變得湍急。你需要用盡全力划槳，才能勉強保持原地不動。終於，你漂到了一個臨界點。在這個點上，水流的速度恰好等於你划船能達到的最大速度。”

他用粉筆在瀑布的上方，畫了一條清晰的橫線。

“這條線，就是‘事件視界’。一旦你的小船越過了這條線，那麼對不起，game over。無論你的引擎有多麼強大，無論你如何拼命地划槳，你都再也無法回到上游了。爲什麼？因爲在這裏，水流，正以一種比你能達到的最快速度還要快的速度，帶着你衝向下面的深淵。你的命運已經註定，再也無法改變。對於上游的朋友來說，你已經永遠地‘消失’了。”

“黑洞的事件視界，就是這樣一個宇宙級的‘時空瀑布’的邊緣。只不過，在那裏，充當‘水流’的，是時空本身；而你小船能達到的最大速度，不再是划槳的速度，而是宇宙中最快的速度——光速。”

索恩的比喻，讓在場的所有學生都倒吸了一口涼氣。他們第一次如此直觀地理解了事件視界的恐怖本質：它不是一堵牆，不是一個可以觸摸的實體表面。它是一個純粹由時空本身的性質所定義的、無形的、單向的“膜”。一個一旦跨過，就永無歸途的臨界點。

圖源：NASA

有學生繼續追問：“教授，那如果我的飛船正好停在事件視界的邊緣，我會看到什麼？我會感覺到什麼？”

索恩笑了，他搖了搖頭：“這是一個非常好的問題。而它的答案，恰恰是廣義相對論中最違反我們日常直覺，也最迷人的地方。答案是——你什麼也感覺不到，什麼也看不到。在你看來，周圍的時空，和你家後院的時空，沒有任何區別。”

這個答案往往會出乎學生們的意料。

“這就是愛因斯坦的‘等效原理’最極致的體現。”索恩解釋道，“在一個自由下落的電梯裏，你是感覺不到重力的。同樣，當你自由地、跟隨着時空的‘水流’一起衝向黑洞時，在你自己的參考系裏，你也是感覺不到任何異常的，你手裏的咖啡依然會漂浮在空中。你會平滑地、毫無感覺地穿過那道看不見的‘不歸點’之門。對你而言，事件視界並不存在於空間中，它只存在於時間的‘未來’裏。你穿越的不是一條線，而是一個註定的命運。在你穿過它的那一瞬間，你和整個宇宙的因果聯繫，就已經被不可逆轉地切斷了。”

潮汐力與“意大利麪化”

“不過，在你飛向黑洞的邊界的過程中，你會感到潮汐力越來越大。因爲黑洞的中心奇點到你的船頭和船尾的距離不同，所以，黑洞對船頭和船尾的引力大小也是不同的，這種引力差被稱爲潮汐力。離黑洞越近，潮汐力也就越大。”

想象一下，你的身體正頭朝下腳朝上地向一個恆星級黑洞墜落。由於你的頭比腳更靠近黑洞，你的頭會受到比腳強大得多的引力。同時，你身體兩側的引力，都指向黑洞的中心，所以你身體的左右兩邊還會被向內擠壓。

最終的結果就是，你的身體將不再是你自己的。引力會像無數只無形的手，從四面八方抓住你身體的每一個原子。它會把你的頭和腳向相反方向無限拉伸，同時把你的左右兩肩向內死死擠壓。你不再是一個三維的人，而是一根被拉向奇點的、滾燙的原子細絲。這個過程被物理學家們戲稱爲“意大利麪化”（Spaghettification），在真正觸及事件視界之前，你就早已化爲烏有。

正在落入黑洞的太空人（意麪效應示意圖），圖源：wikipedia

但是，對於像我們銀河系中心這樣的超大質量黑洞，情況就完全不同了。因爲它的質量太大了，它的事件視界也極其巨大，銀心黑洞的事件視界直徑約 2400 萬公里，比水星的軌道還要大。這意味着，在它的事件視界附近，引力的變化是相對平緩的。

所以，一個宇航員在墜入一個超大質量黑洞時，他感受到的潮汐力會非常微弱。他完全可以毫髮無傷地、平穩地穿過事件視界，而絲毫感覺不到自己已經踏上了一條不歸路。這，也正是電影《星際穿越》中，庫珀能夠安全進入黑洞“卡岡圖雅”的物理學基礎。

《星際穿越》劇照

時間膨脹與引力紅移

廣義相對論可以幫助科學家們清晰地描述，一個人在黑洞邊界看到的奇景。

要理解這種遠超我們日常經驗的奇景，我們必須先深入地理解兩個由廣義相對論所預言的、最核心的物理效應：引力時間膨脹和引力紅移。

首先，我們來給你講講什麼是引力時間膨脹。

愛因斯坦的理論告訴我們，引力的本質，是質量對時空的彎曲。而時間的流逝速度，並非像牛頓所認爲的那樣，是宇宙中一個恆定不變的“節拍器”。時間的流逝，會受到引力場強度的影響。如果用一句最簡單的話來說，就是：引力越強的地方，時間流逝得越慢。

這是一個已經被無數實驗精確驗證了的物理事實。比如，我們每天都在使用的 GPS 全球定位系統，就必須對這個效應進行精確的修正。GPS 衛星位於距離地面約 2 萬公里的高空軌道上，那裏的引力比地面要弱一些。因此，衛星上的原子鐘，每天會比地面上的時鐘快大約 45 微秒。同時，由於衛星的高速運動，根據狹義相對論，它的時鐘每天又會比地面慢大約 7 微秒。

一快一慢，綜合下來，GPS 衛星上的時鐘，每天會比地面上的時鐘快大約 38 微秒。這個差異雖然微小，但如果不進行修正，GPS 系統的定位誤差，每天就會累積大約 10 公里！

所以，引力導致時間變慢，不是一個理論猜想，而是我們日常生活中實實在在的工程學應用。

現在，讓我們把這個效應，應用到黑洞這個引力的終極怪物身上。

想象一下，你是一位勇敢的宇航員，正乘坐着一艘強大的飛船，從遙遠的、引力可以忽略不計的深空中，慢慢地靠近一個黑洞。你的任務，是在不同的距離上，懸停下來，然後向地球發回報告。

當你懸停在距離黑洞很遠的地方時，你手錶上的時間，和地球上你同事手錶上的時間，幾乎是同步的。你看一秒，地球上也過一秒。

接着，你啓動引擎，頂着黑洞強大的引力，懸停在一個更近的位置。這時，詭異的事情發生了。你低頭看自己的手錶，它依然在正常地滴答作響，一秒一秒地走着。但在地球上的同事看來，你的所有動作，都開始變得像電影裏的慢動作一樣。你發回的信號，頻率也變慢了。他們看到，他們自己的手錶走過了兩秒，甚至十秒，你手錶上的秒針才艱難地跳動一下。

在他們眼中，你的時間，變慢了。

你繼續向黑洞靠近，懸停在一個離事件視界只有一步之遙的地方。在這裏，引力已經強大到了不可思議的地步，你需要開動飛船所有的引擎，才能勉強讓自己不掉下去。

這時，在地球上的同事眼中，你已經幾乎“靜止”了。他們看到，你手錶上的秒針，彷彿被凍住了一樣，需要幾百年，甚至幾萬年，才能艱難地跳動一下。你發回的信號，波長被極大地拉長，能量也衰減到了幾乎無法探測的程度。

最終，當你耗盡了所有燃料，無可奈何地被引力捕獲，開始向事件視界墜落時，在地球上的同事看來，你的影像會永遠地、越來越暗淡地“凝固”在事件視界的那一層膜上，彷彿變成了一張被無限拉伸的、永恆的紅色剪影。你發出的最後一句“我很好”，在他們聽來，第一個音節和最後一個音節之間，可能隔了數千年。你的存在，被拉伸成了一段永恆的上古傳說。

因爲，在事件視界上，對於一個遠方的觀測者來說，時間是完全靜止的。

而對於你自己呢？正如我們前面所說，你不會有任何特別的感覺。你的手錶依然在正常地走時，你會平滑地、在有限的時間內，穿過那個無形的邊界。

這就是廣義相對論描繪的、最詭異的場景之一：同一個事件（你穿越事件視界），對於兩個不同的觀察者（你和地球上的同事），卻有着截然不同的時間描述。你的“現在”，對於他們來說，卻是無限遙遠的“未來”。

與引力時間膨脹相伴相生的，是另一個效應，叫做引力紅移（Gravitational Redshift）。

這個效應說的是，光在從強引力場中向外傳播時，會損失能量。而光的能量，又和它的頻率成正比。能量損失，就意味着頻率降低。在光譜上，頻率降低，就意味着向紅色的一端移動。

所以，引力紅移，本質上就是引力時間膨脹在“光”身上的體現。因爲遠方觀察者看到你的時間變慢了，所以他接收到你發出的光的頻率，自然也就變慢了（紅移了）。

當你的飛船懸停在事件視界邊緣時，你打開手電筒，向着地球射出一束藍色的激光。但這束激光，在奮力爬出黑洞那深不見底的“引力陷阱”時，它的能量會被引力一點一點地“偷走”。當它最終到達地球時，它可能已經不再是藍光，而是變成了能量更低的紅光、紅外線、甚至是無線電波。

而如果你恰好在事件視界的那一刻，向外發出最後一束光，那麼這束光，將在爬升的過程中，損失掉它全部的能量。它的波長，會被拉長到無窮大，頻率則會降低到零。也就是說，對於遠方的觀測者來說，什麼也看不到。

這就是爲什麼黑洞是“黑”的另一個更深刻的物理解釋。不是因爲光被“擋住”了，而是因爲從事件視界上發出的光，在到達我們這裏之前，能量已經衰減爲零了。

廣義相對論的終極論證

現在，我們已經瞭解了黑洞邊界的時空扭曲效應。但這些，都還只是理論推導。在我們用這些理論去想象更瘋狂的景象之前，我們必須先回答一個問題：愛因斯坦的理論，在銀河系中心那樣極端的環境中，還適用嗎？

大自然，再一次通過 S2 恆星，給了我們答案。

根據牛頓的萬有引力定律，一個行星圍繞太陽運行的軌道，應該是一個完美的、封閉的橢圓。也就是說，每一次公轉，行星都會精確地回到原來的軌跡上。

但是，廣義相對論告訴我們，這個軌道，並不會是完美封閉的。因爲太陽的質量，讓它周圍的時空產生了彎曲。行星在這個彎曲的時空中運行，它的軌道，會發生一個非常微小的、整體的旋轉。這個現象，叫做“近日點進動”。

水星，作爲距離太陽最近的行星，它感受到的時空彎曲效應最強，所以它的近日點進動也最明顯。天文學家們早在 19 世紀，就已經觀測到了水星軌道的這種異常進動，但用牛頓的理論怎麼也解釋不了。而愛因斯坦的廣義相對論，完美地、精確地解釋了這個偏差。這也成爲了廣義相對論的又一個關鍵證據。

水星近日點進動示意圖

現在，讓我們回到銀河系中心。S2 恆星，正圍繞着一個 400 萬倍太陽質量的黑洞運行。它在近心點處感受到的時空彎曲，比水星在近日點處感受到的，要強上無數倍！

所以，它的軌道，也必然會發生一個極其劇烈的“進動”。它的橢圓軌道，每一圈都不會是封閉的。整個橢圓，會像一個花瓣一樣，在空間中不斷地旋轉。

在 2020 年，也就是蓋茲和根澤爾獲得諾貝爾獎的那一年，他們的團隊同時宣佈了一個歷史性的觀測結果：經過長達 27 年的持續追蹤，他們終於精確地探測到了 S2 恆星軌道的“史瓦西進動”！

S2 恆星軌道的“史瓦西進動”藝術渲染圖，圖源：歐洲南方天文臺（ESO）

觀測到的進動數值，與廣義相對論的理論預言，完美地吻合。當最後一個數據點落在屏幕上，與廣義相對論畫出的那條優雅曲線完美重合時，據說觀測室裏一片寂靜，隨即爆發出了經久不息的掌聲。那是對愛因斯坦最崇高的致敬，也是對人類耐心和智慧的終極獎賞。

這個發現的意義，無比重大。它就像是在物理學法庭上，呈上的一份由宇宙親自出具的、無可辯駁的鑑定報告。它告訴我們：是的，愛因斯坦的理論，即使在宇宙中最極端的引力環境中，依然堅如磐石。

這個偉大的證實，爲基普·索恩和所有的理論物理學家們，注入了前所未有的信心。它意味着，他們完全可以信賴廣義相對論這本地圖，去探索黑洞周圍那些更奇特、更不爲人知的“風景”。

既然我們已經確認了物理定律在這裏依然有效，那麼，一個更具誘惑力的問題就浮現了：如果我們真的飛到銀河系中心附近，近到足以讓我們用肉眼看到黑洞，黑洞到底會呈現出什麼樣子呢？

這個問題，在很長一段時間裏，都只停留在科學家的想象和藝術家的畫筆下。

講起來你可能不信，在 2014 年之前，黑洞的形象五花八門，遠不是我們今天一講起黑洞，大家腦子中都會浮現出來的那個標準照。

這要歸功於著名的克里斯托弗·諾蘭導演和基普·索恩共同完成的科幻電影里程碑——《星際穿越》。

2011 年，諾蘭找到基普·索恩，他說，他想在他的新電影《星際穿越》中，呈現一個有史以來最真實、最符合物理學原理的黑洞。

他問索恩：“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？”

這個問題，開啓了一段科學與藝術完美結合的傳奇。爲了回答它，索恩和他的團隊，編寫了全新的計算機渲染程序，花費了整整一年的時間，進行了人類歷史上第一次對黑洞視覺效果的嚴格科學模擬。

而模擬的結果，一舉顛覆了所有人（包括物理學家們自己）的想象。電影《星際穿越》在 2014 年上映後，由索恩領銜完成的真實黑洞形象傳遍全世界，成了黑洞的標準形象照。

《星際穿越》中的黑洞

不過，在這次對黑洞視覺形象的探索過程中，索恩還發現了更多黑洞的奧祕。科學有故事，我們下期接着聊。