01
银河系中心的黑洞
你眼前是我们银河系中心的黑洞。天文学家叫它人马座A*，其中“A*”读作“A星”。它离地球约2.7万光年，质量约是太阳的430万倍。它周围有一圈薄薄的热气体在旋转，这就是吸积盘。中间那个黑色的圆，就是黑洞本身。圆的边缘叫事件视界。一旦越过这条线，什么都回不来，连光也不例外。从中心到这条边约有1270万千米，大约是太阳半径的18倍。光走完这段路，需要约42秒。
这个黑圆并不是一个表面。它是黑洞的阴影，也就是天空中的一片区域，那里的光一丝也到不了你眼前。光从黑洞旁边经过时会被弯折，吸积盘把这一点展现得很清楚。盘的后半边本该藏在黑洞背后。可你却看到它浮在黑圆的上方和下方，因为它的光在奔向你的路上，从黑洞的上面和下面绕了过来。吸积盘的右半边也比左半边亮。那里的气体正朝你冲来，速度有光速的好几成，所以它的光显得更亮、更蓝。
画面里有两位旅行者。一个小小的探测器带着一只钟和一个会闪光的信标，停在离中心5倍视界半径的地方。它马上就要开始下落，笔直地掉进黑洞。一艘飞船在20倍视界半径外的圆形轨道上等着，船上有一只一模一样的钟。两只钟都从零开始计时。这个模型做了几处简化。探测器和飞船被画得比实际大了几千倍，这样你才看得见。黑洞画成了不自转的，因为还没有人测出真实的人马座A*转得多快。拖动时间轴，可以跟着探测器下落；拖动画面，可以转动视角。
真实的人马座A*比这幅画面暗得多。它的光全部加起来，只相当于约200个太阳。对430万个太阳的质量来说，这点光少得可怜。它每年吞下的物质，也只有太阳质量的约一亿分之一。这里把吸积盘画得这么亮，是为了让你看清光是怎么弯的。不过，真实的阴影确实已经被拍到了。2022年，事件视界望远镜拍下了它周围那圈发光的环。这台“望远镜”其实是由遍布全球的射电天线组成的观测网。那个环宽约52微角秒。1微角秒是百万分之一角秒，而1角秒只是1度的3600分之一。可见这个环小得惊人。
02
越走越不一样的两只钟
0:00，探测器开始下落。它是从静止出发的。真实的探测器只有开着发动机才能做到这一点，因为黑洞附近的一切都运动得很快。不过无论怎样出发，两只钟的表现都一样，所以模型就用了最简单的做法。在这么远的地方，吸引探测器的只是普通的引力，没有别的。探测器一开始慢慢往里飘，然后越落越快。按它自己的钟，它在约11:53到达视界，再过约30秒到达中心。飞船在20倍视界半径外的轨道上，它的钟走得几乎和远离一切黑洞的钟一样。
探测器的钟每走10秒，信标就闪一次。这个间隔是模型自己定的，真实的信标想多快闪都可以。每次闪光都飞向飞船，飞船记下它到达的时刻。刚开始时，闪光到达的间隔就已经比发出时长了约8%。越往里，间隔越长。到了3倍视界半径处，探测器上的1秒差不多等于飞船上的2秒。到了2倍视界半径处，差不多等于3秒。时间被这样拉长，叫作时间膨胀。拖动滑块，按距离移动探测器，看看两只钟的读数怎样越差越多。
这里有两个效应叠加在一起。第一个是引力：一只钟如果停在引力井的深处，就会比远处的钟走得慢。停在2倍视界半径处，钟走得只有远处的约71%那么快；停在1.1倍视界半径处，只有约30%。第二个是运动。探测器落得越来越快，每次闪光都要顶着引力往外爬，而发出它的探测器正飞速远去。这两个效应都会把光拉向更低的频率，让间隔变得更长。两者合在一起，就是飞船测到的红移：闪光不但来得更晚，颜色也更红。
这些现象一点也不稀奇。全球定位系统卫星上的钟，也受着同样两种效应的影响。卫星在约2万千米的高空运行，那里的地球引力更弱，所以钟每天快约45微秒。卫星还以每小时约1.4万千米的速度飞行，这又让钟每天慢约7微秒。两相抵消，每天净快约38微秒，系统会把这点误差修正掉。如果不修正，你的定位每天会偏出约10千米。2010年，美国国家标准与技术研究院的科学家比较了两只钟，一只比另一只高33厘米。结果高处那只走得更快，一辈子下来会快约90纳秒。
03
光绕着黑洞拐弯
光总是走它能走的最直的路。可在黑洞附近，空间本身是弯曲的，最直的路也就跟着弯了。这就是引力透镜。吸积盘后半边的光，本该被黑洞挡住。可它从黑洞的上方和下方绕过来，拐向你这边，所以你看到的后半边，变成了阴影上下的两道弧。黑洞背后的星星被拉成一道道弧线，也是这个原因。仔细看，你还能发现吸积盘的第二个像，它更暗一些，紧贴着阴影的边缘。那是绕黑洞转了半圈才逃出来的光。
在1.5倍视界半径处，光可以绕着黑洞转圈。这个地方叫光子球。光如果以恰好合适的角度到达这里，就会一圈又一圈地绕下去。其中有一点点光漏向你，成了紧贴阴影的那道细细的亮环。正因为有这道环，阴影看起来比视界大。只要光瞄准的方向离中心不到约2.6倍视界半径，就会被黑洞捕获。所以你看到的黑斑宽约5.2倍视界半径，是视界本身宽度的两倍多。在人马座A*周围，光子球离中心约1900万千米。
再往外，在3倍视界半径处，是最内稳定轨道。在它外面，气体和恒星可以一直绕着黑洞转，想转多久都行，就像行星绕着太阳转。在它里面，没有稳定的轨道：任何东西只要稍微往里飘一点，就会一路落下去。所以吸积盘到3倍视界半径就到头了，那里离中心约3800万千米。内边缘的气体，速度约为光速的一半。在这样的速度下，朝你飞来的气体看起来比远离你的气体亮几十倍。点一下对应的按钮，就能让探测器跳到这几个位置。
这些都不只是画出来的，而是实实在在测到的。恒星S2每16年绕人马座A*转一圈。2018年5月，它掠过离黑洞最近的一点。那里到黑洞的距离约是日地距离的120倍，也就是约1400倍视界半径。它当时的速度约为每秒7700千米，约是光速的2.6%。黑洞的引力和它自身的速度，一起把它的光拉向更红的颜色。这个偏移相当于约每秒200千米，大小正好符合广义相对论的预言。之后，这颗恒星又毫发无损地飞了出去。黑洞并不会把东西吸进去，东西是绕着它转的。
04
飞船永远看不到它越过视界
现在，你坐在飞船上看探测器下落。它的闪光间隔越拉越长，每一次都比上一次更红、更暗。靠近视界时，这种变化会一发不可收拾。在1.2倍视界半径处，探测器上的1秒，到飞船上要将近10秒。到了1.05倍视界半径处，要约36秒。闪光的颜色从白色变成橙色，再变成深红，然后越过红色，进入红外，你的眼睛就再也看不见了。下面的读数会随着最新到达的闪光更新。这一章的播放速度放慢了，好让你看清它是怎样暗下去的。
在飞船看来，探测器永远到不了视界。它的影像越来越慢，一点点挪向黑色的边缘，然后定格在那里，慢慢暗成一片黑。越过视界前发出的最后一次闪光，要爬很久很久才能出来。而在视界上或视界内发出的闪光，一次也到不了。探测器离视界每近十倍，它的光就要多花约98秒才能到达飞船，永无止境。远处的时间里，没有哪一刻对应探测器越过视界的瞬间，所以读数里的飞船时钟只显示“永不”。
可探测器确实越过了视界，按它自己的钟，是在约11:53。这两件事怎么会同时成立？飞船看到的并不是探测器本身，而是探测器发出的光。这里的时间膨胀，说的是这些光什么时候能到达飞船，而不是探测器自己有什么感受。视界上发出的光永远出不来，所以飞船看到的画面就停在那里，尽管探测器早已继续往里走了。这其中并没有矛盾：两只钟在不同的地方，测的是不同的东西。而广义相对论能精确地告诉你，两个读数是怎么对应的。
如果你悬停在离视界很近的地方，和朋友们相比，你的一生真的会被拉长。停在1.1倍视界半径处的钟，只按远处约30%的速率走。在电影《星际穿越》里，米勒星球上的1小时等于别处的7年，相差约6万倍。在人马座A*周围，这是做不到的。对不自转的黑洞来说，稳定轨道只存在于3倍视界半径以外。那里的钟每走1秒，远处最多过约1.4秒。电影里那颗行星需要一个质量约1亿个太阳的黑洞，它的自转速度和上限只差100万亿分之一，而行星的轨道几乎擦着视界。
05
平静地越过视界
现在切换到探测器的视角。它靠近视界时，什么也没发生。没有墙，没有闪光，也没有颠簸。事件视界不是一个摸得到、看得见的表面，它只是一条界线：过了这条线，光就再也逃不出去。进到里面后，你完全察觉不到自己已经越过了它。探测器的钟照常滴答走着，在约11:53越过了视界。读数显示的是，按探测器自己的时间，还要多久到达中心。这一章按实时播放，所以最后这几秒，过得和探测器亲身经历的一样慢。
天空会变黑吗？不会。外面的光仍然跟在探测器后面落进来，所以星星和吸积盘都还看得见，只是被弯折了，颜色也变红了。探测器也不会看到宇宙的全部未来一闪而过。它自己的时间到了中心就结束了，所以它只能收到在那之前追上它的光。视野也不会缩成一个越来越小的窗口。停在视界附近不动的探测器，会看到整片天空挤在头顶上方。可下落的探测器往里冲得太快，一种叫光行差的效应又把天空重新铺开了。
进了视界，每条路都通向中心。按探测器的钟，约30秒后就会到达。早在那之前，黑洞对探测器近端的拉力就已经比远端大。这种拉伸就是潮汐力，和地球上掀起潮水的是同一种效应。在这么大的黑洞的视界上，潮汐力小得很：在两米的跨度上约为万分之一个g，小到根本感觉不到。要到离中心只有约二十分之一视界半径的地方，也就是很深的内部，它才达到1个g。一个人越过人马座A*的视界时，什么也感觉不到。
换成小黑洞，情况就反过来了。天鹅座X-1的质量约为21个太阳，视界半径只有约63千米。那里的潮汐力，在两米的跨度上约有500万个g。一个人落进去，还没到视界就会被扯碎，像面条一样被拉得又细又长。从5倍视界半径落到底，整个过程只要几毫秒。大黑洞的边缘很温和，小黑洞的边缘却很凶猛。这是因为潮汐力取决于引力在你身体两端变化得有多剧烈，而视界越大，这种变化就越小。
06
黑洞越大，边缘越温和
打开橡皮膜，画面就变成了那幅常见的图：一张平平的网格被压成一个漏斗。这就是描绘空间的橡皮膜画法。它说对了一件事：黑洞附近的距离被拉长了。沿着漏斗放一把尺子，量出的长度比平面上的圆圈看上去要长。但也仅此而已。它既不能表示时间怎么走，也不能表示是什么在拉。没有什么东西会顺着膜滚下去，漏斗只是把拉长的空间画到屏幕上的一种办法。探测器下落时，膜上的标记会跟着往下滑。
这几个按钮可以比较三个真实的黑洞。人马座A*就是你一直在看的这个，质量约430万个太阳。M87*位于巨型星系M87的中心，质量约65亿个太阳，视界半径约190亿千米，约是日地距离的128倍。天鹅座X-1的质量约21个太阳，视界半径约63千米，相当于一座城市那么大。视界半径和质量同步增长：质量翻一倍，半径也翻一倍。
越大越温和。黑洞越大，视界上的潮汐力就越弱。在M87*，它弱到任何探测器都测不出来；而在天鹅座X-1，它能把东西撕碎。同样的下落，在大黑洞里也要花更久。从5倍视界半径开始下落，探测器到达中心所需的时间是：人马座A*约12分钟，M87*约13天，天鹅座X-1只要几毫秒。任何质量都有一个视界半径，叫作史瓦西半径。把这些质量压进这个半径以内，就成了黑洞。太阳的史瓦西半径约2.95千米，地球的约8.9毫米。
光走的时间，也能说明这些黑洞有多大。光走过人马座A*的一个视界半径，要约42秒。在M87*，同样的路程要约18小时；在天鹅座X-1，只要约五千分之一秒。M87*比人马座A*重约1500倍，而人马座A*又比天鹅座X-1重约20万倍。可从地球上看，这两个巨无霸在天空中几乎一样大，因为M87*离我们远得多。事件视界望远镜最先拍到的是M87*的环，那是在2019年，环宽约42微角秒。