1915年，愛因斯坦發(fā)表了廣義相對(duì)論，代替了牛頓的萬有引力，把引力由力的作用轉(zhuǎn)變?yōu)闀r(shí)空的幾何。因此，引力也成為了當(dāng)時(shí)宇宙最令人費(fèi)解的概念之一，它并非某種看不見的、超距的力，而是因?yàn)橛钪嬷械奈镔|(zhì)或能量扭曲了空間的結(jié)構(gòu)本身產(chǎn)生的幾何性質(zhì)。如果問宇宙中曲率最大的區(qū)域在哪，你可能都知道黑洞的曲率最大，因?yàn)楹诙吹馁|(zhì)量大。
圖：不同天體的時(shí)空曲率
不過，你有沒有想過一個(gè)問題，恒星在形成黑洞之前質(zhì)量超過黑洞，為什么我們不選擇它呢？還有另外一個(gè)問題，如果選擇黑洞的話？你是選擇質(zhì)量大的黑洞，還是選擇質(zhì)量小的黑洞，我們帶著這兩個(gè)問題繼續(xù)往下看。
圖：當(dāng)你越來越接近大質(zhì)量的物體時(shí)，空間會(huì)越來越彎曲，如果這個(gè)大質(zhì)量物體是一個(gè)黑洞，那它就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)連光都無法逃脫的區(qū)域——視界。
在我們?nèi)粘５恼J(rèn)知中，兩點(diǎn)之間可畫一條直線，然而這條幾何定律在宇宙的尺度下未必是對(duì)的。物質(zhì)告訴空間如何彎曲，彎曲的空間決定了物質(zhì)移動(dòng)的路徑。兩點(diǎn)之間的距離不一定是直線，有可能因?yàn)榭臻g扭曲變成曲線。
圖：在光經(jīng)過大質(zhì)量天體時(shí)，光線會(huì)發(fā)生了彎曲，從而導(dǎo)致我們觀察中的恒星位置與它們的實(shí)際位置不同。恒星光線的偏移角度大小由光線途徑的引力大小決定。
1919年的愛丁頓通過觀察日食，發(fā)現(xiàn)來自遙遠(yuǎn)恒星的光線被太陽(yáng)偏轉(zhuǎn)，從而證明了廣義相對(duì)論。引力透鏡效應(yīng)則更進(jìn)一步證明了廣義相對(duì)論，一個(gè)非常大的質(zhì)量(如類星體或星系團(tuán))會(huì)使空間產(chǎn)生嚴(yán)重彎曲，背景光因此被扭曲、放大并拉伸成多幅圖像。
圖：引力透鏡，遠(yuǎn)處恒星或者星系的光被大質(zhì)量天體扭曲。當(dāng)多個(gè)背景對(duì)象與相同的前景透鏡對(duì)齊時(shí)，正確對(duì)齊的觀察者可以看到多組多圖像。
但決定空間彎曲的程度并不是天體的總質(zhì)量，我們與天體的距離，而是在給定空間體積內(nèi)的總質(zhì)量。如果在距離我們的太陽(yáng)70萬公里處有一個(gè)半徑為70萬公里，總質(zhì)量和太陽(yáng)相同的物體，那么它光線偏轉(zhuǎn)只能達(dá)到0.0005度。
如果把太陽(yáng)壓縮成地球大小(類似于白矮星)，半徑大約6400公里。光經(jīng)過這個(gè)物體表面會(huì)偏斜大約100倍:0.05度。
如果把太陽(yáng)壓縮到大約35公里半徑的范圍內(nèi)(類似于中子星)。光會(huì)偏轉(zhuǎn)大約12度。
如果繼續(xù)壓縮太陽(yáng)使它變成一個(gè)半徑約3千米的黑洞，從它表面經(jīng)過的光就會(huì)被吞噬，而擦身而過的光會(huì)偏轉(zhuǎn)180度甚至更多。
圖：大質(zhì)量天體坍縮成黑洞瞬間，視界內(nèi)的所有東西都會(huì)縮成一維的奇點(diǎn)。在極度扭曲的程度不會(huì)向外無限擴(kuò)散，而是固定在一定半徑內(nèi)，半徑內(nèi)的質(zhì)量分布不會(huì)以任何方式改變?cè)摪霃酵獾那省?/p>
我們可以發(fā)現(xiàn)，同樣是太陽(yáng)，總質(zhì)量相同，但是隨著從恒星一步步壓縮到黑洞，空間彎曲程度越來越嚴(yán)重。這種現(xiàn)象產(chǎn)生的原因只是我們一步步使它的質(zhì)量更加集中。
我們?cè)倏紤]另外一種情況，如果衡量的標(biāo)準(zhǔn)不是經(jīng)過天體的表面，而是離天體中心相同的距離，那么無論太陽(yáng)被壓縮成什么，光線的偏轉(zhuǎn)角度又會(huì)回到0.0005度。因此，光線偏轉(zhuǎn)的程度劇烈只是因?yàn)樵絹碓娇拷旅艿馁|(zhì)量。
圖：光子在黑洞附近的路徑的效果圖。
在光線通過黑洞時(shí)，越過視界半徑的光線會(huì)沿著極度扭曲的空間走向黑洞奇點(diǎn)，而剛好掠過視界半徑的光線會(huì)發(fā)生最大程度的彎曲，我們的視界望遠(yuǎn)鏡因此可以根據(jù)跑掉但極度扭曲的光線描繪出黑洞的陰影范圍。還有一部分沒有被捕獲的光子，但短時(shí)間內(nèi)也無法逃離的光子會(huì)沿著視界的邊緣形成一個(gè)光子球。
圖：史瓦西黑洞視界半徑
雖然每個(gè)黑洞都有一些看起來相同的度量標(biāo)準(zhǔn)，但并不是所有的黑洞都是一樣的。每個(gè)黑洞都有一個(gè)視界，而這個(gè)視界是由光的逃逸速度半徑來定義的。在視界之外，光仍然可以自由飛翔，而在視界內(nèi)，任何物質(zhì)都會(huì)被黑洞吞噬。但是黑洞質(zhì)量越大，它的視界半徑就越大，質(zhì)量加倍，視界半徑也加倍。當(dāng)然有很多事情還是一樣的:
視界上的逃逸速度仍然是光速，
光的偏轉(zhuǎn)量遵循同樣的質(zhì)量-半徑關(guān)系，
如果我們能拍攝到它們，它們就會(huì)呈現(xiàn)出我們第一次在視界望遠(yuǎn)鏡合成的甜甜圈一樣形狀。
圖：人類通過射電望遠(yuǎn)鏡得到的第一張黑洞照片，虛線代表光子球的邊緣，而視界則是中間的黑暗區(qū)域。
雖然我們無法進(jìn)入到黑洞內(nèi)部，但根據(jù)廣義相對(duì)論對(duì)時(shí)空的描述，不同質(zhì)量的黑洞中，內(nèi)部的性質(zhì)也會(huì)有極大的不同。如果你掉向黑洞的視界，你會(huì)體驗(yàn)到一種力，這種力會(huì)試圖把你往黑洞中心拉去，同時(shí)在垂直方向上壓縮你，你就如同拉面師傅手上的面團(tuán)，這種力叫做潮汐力。
如果你掉進(jìn)了上面我們拍攝到的大質(zhì)量黑洞（M87星系中心的黑洞），你頭上受到的力和你腳上受到的力之間的差別會(huì)很小，因此你不會(huì)被拉成面條。但是如果你掉進(jìn)一個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量大小的黑洞，潮汐力同樣不會(huì)把你拉成苗條，而是直接把你以原子，甚至更小的粒子為單位撕碎。
圖：物體中心的力將等于平均凈力，而遠(yuǎn)離中心的不同點(diǎn)體驗(yàn)凈力不同，這就是潮汐力的由來。黑洞質(zhì)量越小，潮汐力越大，對(duì)“面條”的拉伸作用越大。
還有一個(gè)差異化—霍金輻射（從未實(shí)際觀察到過），在簡(jiǎn)化版本中霍金輻射是黑洞附近粒子與反粒子自發(fā)產(chǎn)生過程中，某些粒子對(duì)在沒有來得及互相湮滅掉，偶爾其中一個(gè)粒子會(huì)不小心墜入黑洞，另一個(gè)則逃逸。
圖：粒子-反粒子對(duì)在黑洞的視界內(nèi)外不斷地出現(xiàn)和消失。
真實(shí)的版本情況要復(fù)雜得多，因?yàn)橐a(chǎn)生粒子對(duì)溫度至少需要高達(dá)幾十億度。而黑洞的溫度來源于質(zhì)量（能量），質(zhì)量越大的黑洞溫度輻射越低，因此黑洞自身并不足以形成反粒子對(duì)。
圖：黑洞霍金輻射噴流
在宇宙各處存在量子場(chǎng)，因此即使在完全真空的空間中也具有最低的能量，這種狀態(tài)稱為“真空量子能”。在這種狀態(tài)下產(chǎn)生的實(shí)際為“虛粒子-反粒子”其中無論哪種粒子掉落黑洞都會(huì)使黑洞失去能量（質(zhì)量）。
圖：可視化真空量子能
真空量子能在非彎曲（曲率為0）的真空空間中產(chǎn)生的粒子對(duì)是一樣的，曲率不同則不同，曲率差異越大，真空量子能差別越大，這就是霍金輻射的真正來源。
圖：在不同曲率中產(chǎn)生不同能量的粒子對(duì)，當(dāng)粒子對(duì)的其中一個(gè)粒子掉入黑洞，帶有不同的能量差的正反粒子發(fā)生碰撞就會(huì)釋放出光子
這意味著，如果我們想要最顯著、最亮、能量最大的霍金輻射，就要找到的質(zhì)量最低，視界的空間曲率最強(qiáng)的黑洞。如果拿M87中心黑洞與這種理想黑洞相比較，M87會(huì)比它：
溫度要低數(shù)十億倍
亮度降低了約20個(gè)數(shù)量級(jí)
蒸發(fā)時(shí)間要長(zhǎng)30個(gè)數(shù)量級(jí)
從數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)如果存在這樣的宇宙中曲率最大的中質(zhì)量最低的黑洞，或許我們可以建造靈敏的實(shí)驗(yàn)室來測(cè)試愛因斯坦廣義相對(duì)論的極限。
圖：宇宙中最小黑洞臆想圖
綜上所述可以得到一個(gè)非常反直覺的結(jié)論，宇宙中質(zhì)量最小的黑洞比星系中心的超大質(zhì)量黑洞空間扭曲更嚴(yán)重。彎曲空間不僅僅是你在一個(gè)地方有多少質(zhì)量，因?yàn)榘霃绞芤暯缦拗?。最小的視界是存在于質(zhì)量最小的黑洞。對(duì)于像潮汐力或黑洞衰變這樣的度量，是否靠近中心奇點(diǎn)甚至比整體質(zhì)量更重要。
圖：星系中心黑洞
同時(shí)我們也能因此知道測(cè)試廣義相對(duì)論以及尋找量子引力的最佳觀測(cè)對(duì)象應(yīng)該為最小的黑洞。目前人類所知的最低質(zhì)量黑洞來自于中子星合并形成的黑洞，只有太陽(yáng)的2.5到3倍。最小的黑洞是空間扭曲程度最大是我們對(duì)宇宙理解的下一個(gè)重大突破的關(guān)鍵所在。
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