在宇宙中，大小确实很重要。巨星、太阳和白矮星可能具有相同的质量，但这三类物体之间的大小差异却很大。尽管非常小的物体的一些量子效应可能会在能量、位置、寿命等方面发挥作用，但无论有任何不确定性，还是有一些属性保持不变。在微观和宏观层面上都稳定的物体是通过可测量的属性来描述的，例如质量、体积、电荷和扭矩。
该图显示了光子如何在黑洞引力的影响下在黑洞周围弯曲。黑洞阴影的大小不同于事件视界的大小，事件视界的大小不同于中心奇点的大小，也不同于围绕黑洞稳定轨道上的粒子所追踪的路径。。在这种情况下，“尺寸”有多种定义。
但“大小”是一个棘手的话题，尤其是当你的主题非常小时。密度最极端的物体是黑洞，但对它们来说，大小不一定是明确定义的属性。毕竟，如果进入黑洞的所有质量和能量都不可避免地塌缩成一个中心奇点，那么“大小”到底意味着什么呢？事实证明，黑洞的大小有不止一种定义，而且它们都有各自的用途。让我们从外部开始看看黑洞的大小能告诉我们什么。
质量的放置不是空的、平坦的三维网格，而是导致“直线”弯曲一定量。即使改变内部质量所占据的体积，超过一定距离的大质量外部的空间曲率也保持不变。
关于黑洞，您需要了解的第一件事是，就其引力效应而言，尤其是在距黑洞很远的地方，黑洞与任何其他质量没有什么不同。如果我们以某种方式用一个质量相等、角动量相等的物体代替太阳，那就是：
一颗膨胀的亚巨星，
一颗巨大的红巨星，大小与金星轨道相当，
简并白矮星
超压缩中子星，
或黑洞
我们在地球上经历的引力效应将保持完全不变。
如果您不是专业的天体物理学家，这可能会让您感到惊讶！毕竟，我们被告知黑洞具有不可抗拒的引力，它们不可避免地会吸入任何离它们太近的物质。但事实是，黑洞并不比任何其他质量更多地“吸入”物质。事实上，黑洞与任何其他物体之间的唯一主要区别是密度：黑洞可以具有与任何其他物体相同的质量和角动量，但由于其较小的物理尺寸，您可以更接近它，并且这就是这些奇异的引力效应发生的地方。
黑洞视界外高度弯曲时空的图示。随着质量体位置的接近，空间变得越来越弯曲，最终到达一个连光都无法逃脱的点：事件视界。在远距离处，空间曲率与同等质量的黑洞、中子星、白矮星或任何其他质量相当的物体无法区分。
我们大多数人都知道黑洞的事件视界，它是一个物体在理论上可以逃脱其引力的地方和任何物体无论其行为如何都会被无情地拉向中心奇点之间的边界。如果黑洞仅由质量组成——没有电荷，没有角动量，也没有其他“奇异”成分——事件视界的大小由所谓的史瓦西半径决定：在该半径处，其逃逸速度等于光。
然而，实际上，大多数（如果不是全部）物理存在的黑洞都具有一定的角动量，这表明它们围绕某种旋转轴旋转。当黑洞旋转时，它不再只有一个重要的表面，即可以逃逸和不能逃逸的边界；相反，出现了许多重要的边界，其中许多边界可以假装成黑洞大小，具体取决于您想要做什么。让我们从外面看一下它们。
克尔（旋转）黑洞最内层稳定轨道附近的一个测试粒子的轨道动画。请注意，粒子相对于黑洞中心具有不同的径向范围，具体取决于方向：是与黑洞的自转轴对齐还是垂直于它。
1.) 是否有可能创建一个稳定的圆形轨道？这是任何想要通过引力绕另一个天体运行的物体的梦想：无需不断添加能量或推力来维持轨道。正如一颗离地球太近的卫星会因稀薄的外层大气的摩擦而被拉回地球一样，在一定距离内绕黑洞运行的物体也会螺旋进入黑洞，穿过事件视界并落入黑洞。中心奇点。可以拥有稳定轨道的这一距离称为 ISCO：内圆稳定轨道。
这比事件视界本身要远得多：比适用于非旋转黑洞的史瓦西半径远三倍。如果您的黑洞正在旋转，您需要移动得更远：如果您以最大旋转速度沿与黑洞旋转相反的逆行方向（相反方向）移动，则最多比史瓦西半径远 4.5 倍。另一方面，顺行运动更容易，当旋转速度接近最大值时，您的半径可能会稍微减小。然而，这个边界的大小比黑洞的事件视界本身大得多，虽然你可能仍然被限制在一定的空间内，但你不会简单地保持在稳定的圆形轨道上。
2017 年 4 月 11 日，事件视界望远镜团队不仅发布了他们的第一张黑洞图像，还对他们期望看到的偏振特征进行了建模。当他们在几年后重建第一个观测到的偏振打开的黑洞图像时（左），它与模型完全一致（右）。这表明，围绕这些超大质量、旋转、富含等离子体的黑洞周围物质的物理学已经得到很好的了解。请注意，黑洞的“阴影”大于事件视界的大小。
2.) 当我看到这个时我会看到什么？由于事件视界望远镜取得了前所未有的成功，这有点自相矛盾。当我们直接拍摄黑洞的第一张图像时，我们并没有完全拍摄到事件视界。相反，我们捕捉到了黑洞附近光子因空间强烈曲率而弯曲时的效应。然后这些光子向不同的方向运动，我们观察到那些光子沿直线向我们的眼睛移动。我们可以看到这股光子流并精确定位它们的位置，看到它们形成了一个模糊的、扩大的环形结构，内部黑暗。
但这个环并不对应于事件视界的大小；相反，由于广义相对论的一些更复杂的影响，它大约大 250%：略小于 ISCO，但明显大于史瓦西半径。这些光子并不处于稳定的轨道上，而是处于双曲线轨道上，它们逃离了黑洞的引力。然而，我们看到的并不是事件视界物理尺寸的表示，而是比事件视界实际直径大2.5倍的直径：黑洞的“阴影”比黑洞本身还要大。
罗伊·克尔 (Roy Kerr) 于 1963 年发现了具有质量和角动量的黑洞的精确解，并揭示了它不是具有点奇点的单个事件视界，而是内部和外部事件视界、内部和外部能层以及环显着半径的 形奇点。外部观察者看不到外部事件视界之外的任何东西。
3.) 事件视界之外有什么有趣的东西吗？是的！外面有一个地方——对于不旋转的黑洞来说是史瓦西半径的 1.5 倍，对于最大旋转的黑洞则增加到史瓦西半径的两倍——被称为光子球：光子可以留在黑洞周围轨道上的区域。然而，这并不是无限期的；光子轨道不稳定，光子最终会落入黑洞。这并不违反 ISCO，因为“S”代表稳定性；这是一个不稳定的轨道。
但如果你的黑洞旋转，其他有趣的东西就会随之而来：所谓的外能层。由于黑洞的旋转，它周围的空间也被吸入。当然，空间总是被旋转质量吸入，但能层很特殊，因为它以等于光速的速度吸入空间。
在外能层中，进入该区域的粒子被迫更快地旋转，从而获得能量。如果它们获得了足够的能量，甚至可以离开黑洞，飞出黑洞，让黑洞付出代价：失去能量。这通常来自旋转能而不是质量能，并且是从黑洞提取能量的已知方法之一。这被称为彭罗斯过程，被认为是宇宙中发现的一些最高能粒子的原因。
旋转黑洞的阴影（黑色）、地平线和能层（白色）。图像中显示的 a 值的变化与黑洞的角动量与其质量的比率有关。请注意，事件视界望远镜看到的黑洞阴影（红色框）比黑洞本身的事件视界或能层（白色）大得多。
4.) 事件视界怎么样？正如我们所说，现实中的黑洞并不是不旋转的，而是不旋转的。它们以显着的角动量旋转。这种旋转具有令人着迷的数学效应：最终得到的不是一个事件视界，而是对应于“外部”和“内部”事件视界的两个解决方案。尽管物理学家对这两种解决方案的含义存在争议，但普遍的共识似乎是外视界确实物理存在，而内视界可能不存在。
外视界充当非旋转黑洞的标准事件视界，但旋转将其推得更远：沿着黑洞的“赤道”比“两极”更远。黑洞旋转得越快，畸变就越大，最高可达理论最大值。然而，正如我们之前讨论的，旋转太快的黑洞会由于彭罗斯过程而失去旋转能量，减速到更慢、更稳定的状态，从而进一步减小事件视界的大小。
在史瓦西黑洞的事件视界内部和外部，空间要么像移动走道，要么像瀑布一样流动，具体取决于您想要如何可视化它。在事件视界，即使你以光速奔跑（或游泳），也无法克服将你拉入中心奇点的时空流动。然而，在事件视界之外，其他力（例如电磁力）通常可以克服重力，甚至导致下落的物质逃逸。
您最终到达的奇点将是一个点状奇点，并且因此具有无限的密度（和无限小的体积）。虽然我们不知道奇点会发生什么——我们需要量子引力理论才能确定——但很明显，我们已知的物理定律正在被违反，只产生毫无意义的答案。
然而，如果你让黑洞旋转，也就是说，不仅有内部质量，还有角动量，一切都会改变。
6.) 黑洞的现实奇点是什么？首先，如果添加旋转，奇点将不再是零维点，而是展开成一维结构：环。当你落入一个旋转的黑洞时，你会走向一个奇点，但时空的旋转性质会将你拉伸成一个漩涡状的形状；它就像“意大利面条化”，但带有卷曲。你的轨迹会将你身体的每个单独的量子投射到沿着这个线性环分布的不同点。
但这里有一个有趣的警告：有一些理论表明，当你穿过外部事件视界并走向内部事件视界时，相当于在黑洞内部诞生了一个新宇宙。许多相对主义者对我们推导出来的许多性质的含义争论不休。
你最终会处于类似于我们预期在宇宙膨胀期间发生的状态吗？您遇到的边界似乎可能被映射到导致另一次热大爆炸的边界吗？它是否像一个虫洞，你从你所占据的空间中“出来”，并在另一个地方（和时间）的某个新空间中重生？这些可能性是令人兴奋的，它们表明，如果你的黑洞在旋转，你可能永远不会遇到那个奇点。
从黑洞外部，所有下落的物质都会发出光并且始终可见，而事件视界之外的任何物质都无法逃脱。旋转黑洞的事件视界应该仅取决于其质量和旋转，但我们尚未弄清楚旋转黑洞如何（或是否）与外部宇宙相关。
然而，尽管物理学家在我们讨论所有这些问题以及确定黑洞“大小”的各种方法时保持谨慎，但当我们在日常生活中谈论它时，我们往往会粗心大意。通常，当物理学家谈论黑洞的大小时，他们指的是黑洞的史瓦西半径，无论旋转如何，并忽略空间曲率、表观阴影大小或粒子行为的任何其他影响。只需将黑洞视为一个点质量，计算其逃逸速度等于光速的半径，就可以了。即使您仅使用牛顿引力进行计算，您的结果也会出人意料地准确。
