如果真的掉进黑洞，过程和看到的景象是《星际穿越》中所演的这样吗？

iabajofbwe

或者说掉进黑洞是怎么样的一种体验？
请结合科学理论描述一下~~~
感谢@赵鸿斌  的假设 ：假如人是刚体的，不会被黑洞撕成粒子流。

conanwchen2

相对论的视觉效应是一项非常有趣、却在科研中常常被忽略的内容。 科研中出现的图画大都是效果图，正式叫法是“艺术家眼中的印象图”，是为了表现体系的某个或某些特色而作。除非另有声明，所引的图都是效果图。 很多时候， 尤其在广义相对论中， 印象图甚至可能是所谓“上帝视角”，即从高维空间（通常是三维）观察嵌入低维空间（通常是两维）的时空弯曲。

先说狭义相对论，即高速运动物体的视觉效应
狭义相对论认为高速（v ～ c）运动的物体其尺度会沿运动方向收缩（尺缩效应），所以在伽莫夫著名的《物理世界奇遇记》里面，高速动体的视觉效应被描述成扁扁的 （图一）。

图一：《物理世界奇遇记》中的动体的尺缩效应效果图

直到1924年，奥地利物理学家安东兰帕才意识到这不是动体的视觉效应，因为眼睛（和照相机）看到的像是由同时到达眼睛（和相机）的光形成的。直到1959年，这个现象被泰瑞和彭罗斯再次发现以后才引起人们关注。一般来说，由于相对论效应，高速运动的物体的像会产生畸变和转动（图二）。在最简单的情况下，球形物体仅有转动，这种效应称为彭罗斯－泰瑞转动。

图二：低速（下）运动与高速运动（上）的骰子的畸变效应效果图。 图片来源：Space Time Travel

另外一种效应是多普勒频移。也就是说，物体的颜色会产生变化（图三）。

图三：多普勒效应示意图

现在，这些狭义相对论的视觉效应已经很常见，譬如下面这个相对论视觉引擎截图：


图三又二分之一：游戏 Slower Speed of Light 的截图（MIT GameLab）

你可能会觉得，人们既然几十年前终于弄懂了动体的视觉效应，在画图时应该会考虑到吧。完全不是。几乎所有涉及到高速运动的图中，人们都忽视了这些效应 —— 这不仅包括闪电侠、超人等漫画和科研电影还包括了严肃的科研报告。比如相对论性重离子对撞的讲座中，大家还是画两个“盘子”代表洛伦兹收缩以后的相对论性重离子 —— 即高速运动的原子核（图四）。 在重离子领域，几乎所有的示意图都画成图四这样 —— 气人的是，你说他们不精细吧，重离子里面的核子他们还给你画成3D的，还上了色（显然这个颜色不是为了展示多普勒效应）。

图四：相对论性重离子碰撞过程的效果图

广义相对论和引力场中动体的视觉效应
引力场中动体的视觉效应其实比较复杂。首先，光在引力场中会产生偏折，这会带来物体图像的畸变、放大或缩小，该现象叫做引力透镜效应（回忆透镜成像的原理就是偏折光线）。引力透镜效应一般是很复杂的，但可以通过光线追踪法来加以计算。黑洞的引力透镜效应尤其强。如果仅考虑黑洞的引力透镜效应，且假设观察者和成像的天体都在远处（即黑洞附近没有特别明亮的光源），效果大致如图五所示，这也是常见的（史瓦兹谢尔德）黑洞的形象。

图五（甲）：远处观察者眼中黑洞对远处星系的引力透镜效应效果图甲。

图五（乙）：黑洞引力透镜效应效果图乙。

图五（丙）：基于Thorne公式的黑洞引力透镜效应效果图。

这当然不是全部。另外，引力，尤其是强引力会对附近射入光产生蓝移、射出的光产生红移。因此周围物体的颜色也会相应改变。这些还都不是困难的地方。麻烦的是黑洞附近有什么。首先黑洞会有霍金辐射，而且会有落入黑洞的天体因释放引力势能被加热到甚高温，在天文观测上表现为，黑洞是很好的X光射线源，这表明黑洞四周是非常明亮的，这引发了类似图六的示意图。

图六：黑洞霍金辐射效果图，未考虑黑洞的引力透镜效应

并且像大多数大质量天体一样，黑洞会大量捕获附近的物质在它周围产生较大的吸积盘和相对论性喷流，因而会引发了类似图七的示意图，而由于这些物质和霍金辐射的存在，黑洞附近必定进行着非常复杂、非常强大的电磁学过程，而弯曲时空的电动力学是很复杂的现象，这些都需要加以考虑。注意，图六、图七都没有考虑前面所说的引力透镜效应和引力频移。

图七：黑洞四周的吸积盘和喷流效果图，未考虑黑洞的引力透镜效应。

Interstellar的一大贡献是它们考虑到了引力透镜效应和引力频移对吸积盘的成像的影响（图八）。他们的说法是，引力透镜效应使得背后的盘能够被看到，而高能量的X射线使得所有频率的光的亮度都很高，因此吸积盘显得非常明亮 —— 这些都是非常合理的假设。 当然宇宙飞船必须能防护这些高能射线。另外，在遥远的地方看，吸积盘的颜色可能有些颜色，而不一定非要是白色。

图八：星际中的黑洞效果图 （该值越大表示黑洞自旋越快，其值应当小于1）。这是真正的艺术家们的印象图。Credit: Oliver James et al 2015, Gravitational lensing by spinning black holes in astrophysics, and in the movie Interstellar, Class. Quantum Grav. 32 065001 doi:10.1088/0264-9381/32/6/065001。

不过，根据James等人的说法，这张图片也不是真正的黑洞视觉效应图。为了满足电影效果，他们根据导演的要求，去掉了多普勒频移、引力频移等效应，并添加了光晕效果。更加真实的黑洞效果图，可以参看James-Tunzelmann-Franklin-Thorne 文章的图15c.


有吸积盘的黑洞很可能自己带有较大的角动量，这种黑洞叫做克尔黑洞。原本在若黑洞附近物体轨道半径大于黑洞视界时，可以绕黑洞打转，但是在史瓦兹歇尔德黑洞附近半径小于两倍视界的轨道是不稳定的，转圈的物体很快就会落入黑洞之中。 而克尔黑洞附近小于两倍视界时则存在稳定轨道，因此图九中吸积盘延伸到接近克尔黑洞视界的地方。 如果黑洞带电荷，那就更复杂些，其电磁现象也会更重要些。黑洞还可能会产生引力波，这个会不会产生视觉效应，我就更不知道了。

图九：没自旋的黑洞与有自旋的黑洞的效果图

还有一些其他的问题。涉及到黑洞的基本性质。这里仅仅举一个例子，就是黑洞信息佯谬。人们认为信息是守恒的，但黑洞视界以内既然无法探知，落入黑洞的物质携带的信息也就永远失去了，更要命的是，加入两个粒子处于纠缠态，一个粒子落入黑洞，纠缠态必然会消失否则我们可以以此来探测黑洞内部信息，但纠缠态凭空消失又是量子力学所无法理解的。为了解决这个矛盾，有人认为纠缠态会被破坏，但是代价是放出巨大的能量——大到可以打破广义相对论或量子力学，因此结论是，黑洞视界周围是一圈“火墙”（图十），代表巨大的能量释放过程。

图十：黑洞信息悖论与火墙模型示意图

这还仅仅是黑洞未解之谜的一个例子。事实上，黑洞，尤其是奇点附近的物理可能需要量子引力来理解，广义相对论已经不再适用。因此我们对黑洞实际上非常的不了解。更不用谈黑洞到底看起来是什么样。

上面所引用的图大多数没有完全考虑所有的引力效应，特别是引力透镜和引力红移。 而且这些图都是远处观察者所看到的。 至于进入黑洞能看到什么，所需要考虑的物理是相同的，只不过所选用的参考系不太一样罢了。网上有一些视频介绍这些，注意这些视频也并非将这里提到的所有效应都考虑全了。第一个和第三、四个来自科罗拉多大学天体物理学家安德哈密顿（显然这个家伙开发了一个黑洞飞行模拟器，但目前是闭源的，URL：Inside Black Holes），大致认为落入黑洞的人仍然一直能看到黑洞外的世界，只不过黑洞黑外被一个伪视界分开。第二个视频来自VSause的分钟物理，大致认为，落入黑洞的人看到的外面的视界会越来越小直到消失，眼前的黑洞洞越来越大直到什么都看不见。 其中第四个视频号称是真实场景的模拟，不仅仅是艺术家眼中的印象。

1. 进入史瓦兹歇尔德黑洞的旅行





                              
进入黑洞的旅行               
http://v.youku.com/v_show/id_XMzkyMjE4MTg4.html
                          

2. 煎蛋小学堂08：跳进一个黑洞会怎样？





                              
煎蛋小学堂08：跳进一个黑洞会怎样？               
http://v.youku.com/v_show/id_XNDgzNTEzODUy.html
                          
3. Journey into and through a Reissner-Nordstrm black hole 进入雷斯勒-诺德斯特洛姆黑洞，该黑洞视界内有个虫洞，将旅人送到宇宙的其他地方。





                              
Journey%20into%20and%20through%20a%20Reissner-Nordstrm%20bla...               
http://v.youku.com/v_show/id_XODI2ODU5MDQw.html
                          
4. 落入一个真实的黑洞。





                              
relativistic visualization of a disk and jet around a black hole               
http://v.youku.com/v_show/id_XODI2ODU2ODY4.html
                          
5. PBS 2006: 星河中的怪兽

http://www.nytimes.com/2006/02/28/science/28prof.html?_r=0

6. Single Video Player

关于引潮力（tidal force）
引潮力（显然是一个三维张量）与曲率张量有关，，这里是黎曼张量，是速度。黎曼张量大致正比于黑洞的密度。黑洞的半径（视界），正比于质量，而密度，因此黑洞的密度

悦刈

               
小科普：掉入黑洞的2.5种死法               
http://v.youku.com/v_show/id_XNjk1MDQwMzQ0.html
                          请看视频。

FENGER106

《星际穿越》的的制片人之一是Kip Thorne，此人是史蒂芬·霍金的朋友和同事， 天体物理和相对论领域领军人物之一，研究黑洞几十年，《星际穿越》的导演诺兰花了很长时间跟他讨教。
另外探索频道最近播了一部纪录片《The Science of Interstellar》，里面阐述了很多关于《星际穿越》涉及的科学问题，采访了不少科学家，可以找来看看。
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11/15 update:该纪录片在线观看（暂无字幕）：探索频道【《星际穿越》 的科学（The Science of Interstellar）】  PS：该纪录片由《星际穿越》男主角Matthew McConaughey献声解说。下图为该片截图，左边是《星际穿越》的特效总监，右边是 Kip Thorne。

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别闹了，自然不是罗曼蒂克…你知道死亡的体验是什么么，就是这个…