黑洞是什么?黑洞里只有一个奇点吗?

青岛大疆守强

kimkk

对于黑洞是什么这样的问题，其实我往常都会讲一下它的历史，但由于关于黑洞的历史我已经讲过不止一次了，所以这篇回答我将完全不讲历史。
黑洞这个名字给人一种神秘感，觉得会是一个阴森森的神秘物体。不过事实上虽然它确实有点可怕，但其实它特简单，曾经有人说过黑洞是宇宙中最简单的天体，因为它只有三个物理量，也就是它只需要用三个物理量就可以被准确描述，这三个物理量分别是：质量、电荷和角动量。这三个物理量就是目前已知的黑洞的全部了。

不过绝大多数人听说过的黑洞其实只有一个物理量，那这是宇宙中最简单的天体了，它叫史瓦西黑洞。它是由史瓦西半径公式给出的一个只有质量这一个物理量的天体。通过把一定的质量代入史瓦西半径公式，就可以计算出一个半径，而当所有的质量都集中到这个半径以内时，这个天体就会变得不可见，因为宇宙中速度极限的光速也无法从这个半径范围内逃离了，这个半径构成的一个球面称为视界面，而这个视界面作为边界的球形天体就叫黑洞。严格说这个叫史瓦西黑洞。

根据广义相对论，黑洞的视界面是一个单向膜，视界面以内是单向的，所以不会有任何物体（包括光）会在视界内往视界跑。也就是说，所有落入视界的物体都会不可逆地落向黑洞中心的奇点。它之所以不可逆的原因就是在视界内时空发生了互换，从视界面到中心奇点的方向从空间方向变成了时间方向。所以落入视界的物体我外界看来并非沿空间方向落向奇点，而是沿着时间方向落向奇点。而奇点在广义相对论里被定义为时间为0的点，用人话讲就是时间的终点！

史瓦西黑洞是一种非常极端的黑洞，它要求的初始条件非常苛刻：总电荷为0，总角动量为0，用人话说就是不带电，不自转。这对于一个由生命末期的大质量恒星核心坍缩形成的大质量天体来说，基本上是不可能实现的，因此一般来说，自然界不存在严格意义上的史瓦西黑洞。
那么自然界的黑洞都是什么黑洞？可以确定的是一般都是带自旋的黑洞，这种称为克尔黑洞。至于带不带电，一般也认为会带电，但这个我们其实不好确定。

关于克尔黑洞，它其实就是一种高速旋转的史瓦西黑洞，也是相对简单的，但已经比史瓦西黑洞复杂很多了。科幻电影《星际穿越》里的黑洞就是一个极端的克尔黑洞，说它极端是因为它的自旋速度极高，已经接近其自旋速度的理论上限了。

上面这个就是《星际穿越》里的克尔黑洞——卡冈图雅，这是接近其自旋赤道面的视角，有没有发现它的左右是不对称的？这就是克尔黑洞的典型特征，我们看到的是黑洞的吸积盘，它会在克尔黑洞高速自旋所产生的时空拖拽下沿一个方向绕黑洞高速旋转，这将使其中一边的吸积盘高速靠近我们，而另一边则高速远离我们，这就产生了严重的多普勒效应，导致靠近一边的吸积盘比远离那一边的吸积盘更亮。

这种根据理论绘制的克尔黑洞更符合事实，不过可能这会导致黑洞缺乏美感，所以电影里并没有这样呈现。而关于克尔黑洞的奇异特性我们可以从电影里了解，因为这电影的科学顾问是顶级的广义相对论权威，2017年度诺贝尔物理学奖得主基普·索恩，所以你其实完全可以把这部电影当做一部科普启蒙电影来看。
在电影中，男主角库珀落入了高维文明放置在黑洞奇点旁的超体空间中，你没看错，那是一个奇点旁，但这个奇点并非史瓦西黑洞中的中心奇点，而是一个极端克尔黑洞特有的，绕中心奇点旋转的外飞奇点。在理论里，这个奇点时空曲率并没有中心奇点那么大，而且由于高速绕中心奇点旋转，所以当库珀与它相遇时会在极短时间内擦肩而过，库珀的身体得以保留。

从上图你看见什么？没错，还有一个下落奇点，它跟外飞奇点一样都是极端克尔黑洞里高速绕中心奇点旋转的，而那个给库珀传送奇点数据的AI塔斯所落经过并记录下数据的奇点就是下落奇点。
到这里是不是已经觉得黑洞其实一点也不简单了，其实还有更复杂的，就是带电的黑洞。

追风少年

通常认为黑洞的实体就是奇点，奇点是一个密度无限大而体积无限小的点，拥有极强的引力。那么这个奇点有多小呢？

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yuejunruirui

黑洞是一个密度很大的天体，而且引力非常强大。黑洞的密度非常大，里面没有奇点。

nczhangyun

黑洞是一个高速运动的天体，速度快到连光都无法逃过它的引力，所以看到的黑洞是一个黑色的空洞的星体。

Yannick

黑洞是大于太阳质量30倍以上的恒星重力崩溃形成的,在广义相对论中，奇点存在于黑洞中心，根据弦理论奇点可能由弦组成，见下图

奇点-内部结构模型图解


封闭型宇宙终结时会塌缩为宇宙奇点
宇宙奇点-内部结构模型图解

图中＋－号代表不可分割的最小正负弦信息单位-弦比特（string bit）
（名物理学家约翰.惠勒John Wheeler曾有句名言:万物源于比特 It from bit
量子信息研究兴盛后,此概念升华为，万物源于量子比特）
注：位元即比特