黑洞的壽命是多少?

反迷你x界



宇宙中沒有什麼是永恆的,黑洞也不例外,雖然黑洞是宇宙中最極端的天體,但是研究表明黑洞也是會蒸發的,而且越小的黑洞蒸發的越快,如果人類未來通過加速器製造出黑洞,那麼這種黑洞在生成的一瞬間就會蒸發。

宇宙中天然存在的黑洞大部分都是由大質量恆星在死亡後由於引力太強坍縮而成的,黑洞的引力強大到連光都跑不出去,就好比火箭飛出地球引力範圍必須要達到11.2km/s以超過地球逃逸速度一樣,想逃出黑洞的引力範圍也必須要超過光速才行,而我們的宇宙中光速就是最快的速度,所以人類永遠無法在可見光波段看見黑洞。


卡爾.史瓦西通過廣義相對論得知黑洞的存在後,物理學界一直以為黑洞的壽命是無限的,因為黑洞在不斷的吞噬物質而不向外噴出物質。但是霍金根據量子的不確定性原理得出黑洞其實是會向外輻射能量的,也就是說黑洞並不是只吃不吐。

雖然霍金的黑洞蒸發讓人們知道黑洞的壽命並不是無限的,但是除了人類可能在加速器中製造的黑洞會瞬間蒸發外,宇宙中所有天然存在的黑洞的壽命都要比宇宙的壽命還要長,有的甚至達到上萬億年,而宇宙的年齡才138億年,有可能直到宇宙末日也不會有任何一個天然黑洞蒸發。


宇宙探索未解之迷


宇宙中的天體有生必有亡,即便是黑洞也會有壽終正寢的那一天。不過,黑洞號稱有進無出,就連光都能吞噬,那它們是如何毀滅的呢?

雖然黑洞似乎是無所不吞,但有一種現象可以從黑洞那裡帶走質量,這就是霍金輻射。在量子力學看來,絕對真空是不存在的,其中會產生一對能夠相互湮滅的虛粒子對。如果這種事件發現在黑洞表面,那麼,負能反粒子會被黑洞的引力拽到黑洞內部,而正能粒子這會帶著黑洞的質量逃到遠方,從而產生霍金輻射。

因此,如果沒有物質被黑洞吞噬,那麼,黑洞的質量就會逐漸降低,直至在空間中完全蒸發殆盡。通過理論推導可得如下的黑洞壽命公式:

上式中,除了黑洞質量M是變量之外,其他參數——萬有引力常數G、約化普朗克常數ћ、光速c,均為常數。可見,黑洞的壽命與其質量呈正相關。更明確地說,黑洞通過霍金輻射蒸發掉的時間跟它質量的三次方呈正比例關係,所以質量越大的黑洞壽命也就越長。

從目前的觀測結果來看,恆星級黑洞是最小的黑洞,它們的質量下限是太陽質量的3倍。通過計算可知,最小的恆星級黑洞所擁有的壽命至少長達5.66×10^68年。相比之下,宇宙誕生到現在才過去了138億年,所以宇宙中還沒有哪個恆星級黑洞已經蒸發掉。不過,理論上,早期宇宙中可能產生過一些質量很小的原初黑洞,它們或許早就通過霍金輻射而從宇宙中消失。


火星一號


黑洞是恆星的最終歸宿,一般人會認為黑洞會永遠存活下去,但黑洞的霍金輻射卻表明,黑洞也有壽命,黑洞的壽命和其質量有關,質量越大的黑洞壽命越長,質量越小壽命越短。這和動物世界差不多,大型動物普遍壽命長一點,小型動物普遍短一點,微型動物細菌什麼的幾個小時就生老病死全套走完了,其實整個宇宙莫不如此。

那麼壽命最長的黑洞能存在多久,最短的又能存在多久呢?

在霍金證明黑洞能發出輻射之前,黑洞被認為只會貪婪地吸取周圍的一切,甚至連光都不放過,不會發射出任何東西,因而所有落入黑洞的物質和信息都不能出來,黑洞的最終命運是什麼誰也不知道。這就帶來一個問題,既然我們無從得知黑洞最終會怎樣,我們又如何知道宇宙最終會走向什麼方向呢?

霍金認為,在真空中由量子漲落產生的虛粒子對,其中一顆有可能在湮滅之前落入黑洞,另一顆就必然會被提升為實粒子。這就違背了能量守恆定律,因此這顆粒子的質量一定是從黑洞本身質量而來,這樣黑洞就形成了一種輻射,這種輻射以霍金的名字被命名為霍金輻射。

一般黑洞由於不斷吸取周圍的物質,吸收的物質比發出的要多得多,因而可以存活非常長的時間。科學家們測算,一般恆星死亡產生的黑洞可以存活10^66年,而超大質量黑洞則可以活10^99年,所以宇宙的歸宿至少得等所有的黑洞都蒸發掉才會明朗。

而小黑洞則輻射的能量比吸收的多,因而會逐漸失去質量。大爆炸模型表明,大爆炸後最初的一小段時間有著極高的溫度與壓強,因而物質密度的簡單波動就可能形成原初黑洞,但我們迄今沒有發現這類黑洞,很有可能就是因為它們質量太小,到現在已經蒸發殆盡。理論認為,大型強子對撞機也可能產生微型黑洞,但這類黑洞質量極小,在產生的瞬間就會蒸發,因而不會對地球造成任何威脅,所以也不會帶來世界末日。

由於黑洞的質量可以是普朗克質量以上的任何質量,所以最小黑洞的質量應該和普朗克質量差不多,那麼它的壽命差不多也就是普朗克時間稍長一點吧,5.39X10^-44秒,小到你連人生都無法懷疑。

需要說明的是,霍金輻射是第一個令人信服的量子引力理論,但目前還未實際觀察到霍金輻射的存在。霍金曾經說過,如果能驗證霍金輻射確實存在,他就可以得諾貝爾獎了。


徐德文O戴維科學


一般說來質量大於3個太陽質量的恆星演化晚期就會形成黑洞。因此,可以說黑洞是大質量恆星的歸宿。

從經典物理的角度來看,黑洞作為大質量恆星的“終態”,壽命是永恆的。這並不難理解,畢竟“黑洞”這個名字的由來便是因為它只吸收物質卻不會放出物質這一特性來起的。所以直到上世紀70年代以前,物理學家普遍認為黑洞就像不死的幽靈一樣,隱藏在宇宙的黑暗角落裡。

不過這一觀點在上世紀70年代發生了革命性的轉變,著名的物理學家霍金在經典引力中考慮了量子效應,通過彎曲時空量子場論的方法證明了黑洞實際上並非“有進無出”的。黑洞存在熱輻射——輻射譜滿足黑體輻射的性質!由於這一過程會使得黑洞的質量減少,我們又形象地把這個過程稱為“黑洞蒸發”。這徹底改變了物理學家對黑洞的看法,黑洞不再是一個永恆的物體。

現在我們就可以利用黑洞蒸發理論估算黑洞“壽命”。

考慮最簡單的史瓦西黑洞,這是一類不帶電、不旋轉的球對稱黑洞。

黑洞的溫度跟它的質量成反比。因此一個確定質量的黑洞可以確定它的溫度。

有了溫度以後,根據黑體輻射理論中斯特凡-玻爾茲曼定律可以計算出單位時間單位面積的黑洞熱輻射帶走的能量,從而得到黑洞的“壽命”。

我給出的計算結果如下(具體推導過程需要用到3點,首先是黑洞的面積與質量的平方成正比,其次是黑洞的能量與質量成正比,最後是黑體輻射的斯特凡-玻爾茲曼定律):


我們得到黑洞的“壽命”與其質量的立方成正比

據以上的公式可以估算得到,一個原子核大小的黑洞,它的壽命跟目前的宇宙年齡幾乎一樣大。而一個太陽質量的黑洞,它的壽命約為十的65次方年,比宇宙的年齡大十的54次方倍!

因此,我們可以得到兩個結論:①因為恆星坍縮形成的黑洞質量都要大於3個太陽質量,因此這些大黑洞的壽命幾乎是無窮大的。②大黑洞的熱輻射是非常弱的,這也是為什麼天文學實驗中從未觀測到大黑洞的熱輻射。


作家張軒中


上海科技報科普問答主持人:主任記者 吳苡婷

黑洞,是宇宙中一種質量相當大的天體,產生過程類似於中子星的產生過程:某一個恆星在滅亡後,核心在自身重力的作用下迅速地收縮,塌陷,。當核心中所有的物質都變成中子時收縮過程立即停止,被壓縮成一個密實的星體,同時也壓縮了內部的空間和時間。當它的半徑一旦收縮到小於史瓦西半徑,黑洞就誕生了。它的質量之大,以至於連光子都無法逃逸,因此也就無法由天文學的手段直接觀測到。

黑洞是恆星在其生命週期的末期演化的結果。然而,並非所有恆星演化到末期都會形成黑洞,只有那些質量較太陽3倍以上的恆星最終才會形成黑洞。而像太陽那麼大的恆星,最終會演化稱為白矮星。

既然黑洞已經是恆星生命週期的末期了,那麼黑洞的壽命有極限嗎?

答案是有的。有一種黑洞叫做原初黑洞,它是宇宙早期膨脹之前,它的密度分佈不均勻。有某些密度非常大的區域,可以直接形成黑洞。因此,原初黑洞的質量可以小於一般恆星。而根據霍金所揭示的黑洞的特徵,黑洞以黑體輻射的形式蒸發,質量越小的黑洞,蒸發的速度越快,一些質量較小的黑洞可能已經蒸發掉了。而那些由恆星坍縮形成的,或者本身質量較大的黑洞(比如超大質量黑洞、中介質量黑洞、恆星黑洞),雖然本身有其壽命,但它們的蒸發時間要遠遠超過宇宙的年齡。


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答:黑洞會因為霍金輻射而損失質量,一般黑洞的壽命非常長,比我們宇宙年齡還要高几十個數量級。


科學家剛接觸黑洞時,認為黑洞只進不出,這也是廣義相對論的直接推論;但是在上世紀末,英國著名科學家霍金,通過理論研究發現,黑洞會因為量子力學效應向外輻射能量,既霍金輻射。

霍金輻射的原理:在量子力學中,由於時間和能量的不確定性原理,會導致真空在微觀尺度出現量子漲落,生成虛粒子;如果這一現象發生在黑洞視界處,就會產生實粒子脫離黑洞的情況,在外界看來,就是黑洞向外輻射了能量。

在相對論中,能量和質量是統一的,所以黑洞會因為霍金輻射損失質量,這一理論也叫做“黑洞蒸發理論”。


霍金老爺子經過計算發現,對於史瓦西黑洞,黑洞的輻射溫度和黑洞質量呈反相關,也就是說黑洞質量越大輻射溫度越高,黑洞質量越小輻射溫度越低。

如果黑洞不繼續吸收周圍的物質,那麼黑洞就會因為霍金輻射逐漸損失質量,當它質量損失完後就會徹底消失,這就是一個黑洞的理論壽命。


經過理論計算,大質量黑洞的壽命都是非常長的,比如:

1)十億噸質量的黑洞,史瓦西半徑只有原子核大小,壽命大約和我們宇宙年齡(138億年)差不多;

(2)地球質量大小的黑洞,壽命是10^48年數量級,是我們宇宙年齡的5萬億億億億倍之多;

(3)太陽質量大小的黑洞,壽命是10^65年數量級;

(4)宇宙中質量最大的黑洞,壽命是10^1000年數量級;

對於恆星演化末期形成的黑洞,質量都大於太陽質量的好幾倍,它們的壽命相對於我們宇宙年齡來說,幾乎就是無限長的,而且這些黑洞還在不斷地吸收周圍物質。

黑洞的質量理論上也可以很小,但是質量越小的黑洞,輻射溫度也越強,蒸發也越快;科學家預測在宇宙大爆炸時,產生了許多小質量黑洞,既原生黑洞,不過目前還沒有原生黑洞存在的實際證據。


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艾伯史密斯


一般黑洞被蒸發掉的時間很難估量,但一些小黑洞幾乎是瞬間就被蒸發掉了。

由霍金依據量子力學所揭示的微型黑洞的基本特徵,即以黑體輻射形式的質量蒸發,這看起來是探測這類黑洞的主要希望之所在。

密度漲落理論表明,低質量黑洞只能在宇宙早期形成,而黑洞的質量越小,蒸發得就越快(黑洞的壽命與其質量的立方成正比)。質量為100萬噸的黑洞能存在10年。只有那些壽命比宇宙年齡(150億年)長的微型黑洞才能維持到今天,這些黑洞的初始質量最少得有10億噸,這大約是一座山的質量,而黑洞半徑只有質子大小。

質量更大的黑洞的蒸發時間就比宇宙年齡要長得多,因為蒸發是一種量於現象,只發生在與基本粒子直徑相當的極小尺度上。因此,對於那些質量比一座山大的黑洞來說,蒸發是完全無關緊要的,無論這些黑洞是在宇宙早期形成的還是後來在超新星爆發時形成的。實際上,大黑洞質量增大的速率超過蒸發的速率。

從理論上:由於黑洞有輻射,所以可以推測黑洞也是有壽命的。

黑洞暗輻射溫度公式:T=h*c^3/8Pi*k*G*M

T為黑洞暗輻射溫度c為光速h為普朗克常數

G是牛頓引力常數

k是玻爾茲曼常數

M是黑洞質量

上式說明只有黑洞質量無窮大時才不具有輻射,但實際上並沒有可能,所以雖然黑洞越大,壽命越長(由式子可看出黑洞黑洞暗輻射溫度是和其質量成反比的。)但也是有壽命的。


風火連城當空舞


什麼?黑洞還還有壽命?不錯,宇宙中沒有什麼是永恆的,黑洞也一樣,黑洞並不是永恆的,黑洞也會有壽命枯竭的那一天。


黑洞可以通過輻射而被蒸發掉,不同大小的黑洞完全蒸發的時間不一樣,但是那些質量小的黑洞可以說是很快就蒸發掉了。簡而言之,黑洞的質量越大,那麼它的壽命也就更長,因為黑洞吞噬物質的同時,也在不斷向外輻射,輻射的過程中體積會變小,甚至還會爆炸。

根據霍金依據量子力學揭示的微型黑洞的基本特徵,黑洞以黑體輻射為形式進行質量蒸發。而低質量的黑洞只能夠在宇宙創生的早期誕生,對於這類質量小的黑洞,蒸發也就越快。理論計算表明,黑洞的壽命和其質量的三次方成正比,舉個例子,質量為100萬噸的黑洞只能存在10年,如果質量更小的話可能一瞬間就可以蒸發,而如果一個黑洞的初始質量有10億噸的話,那麼它就可以維持到今天,並且在這個過程中黑洞還會因為不斷吸收物質而質量增大。


實際上,討論黑洞的壽命基本上是沒有意義的,因為小質量的黑洞只能夠在宇宙早期誕生,而大質量的黑洞,雖然它也可以通過輻射損失質量,但是它的質量增大的速度卻是大於蒸發的速率的。這樣一來是不是大質量的黑洞出不存在壽命一說呢?質量大的黑洞比如說星系黑洞,其蒸發確實很慢,所以壽命也會很長很長,哪怕是宇宙毀滅了黑洞都不會蒸發完,所以一般認為這樣的黑洞的壽命是超過了宇宙的壽命的。

黑洞是廣義相對論預言存在的天體,對於這樣一種天體,它的引力場異常強大,強大到哪怕是光進入了其視界半徑之內,都無法逃逸。在我們的印象中,黑洞就是一個只吸不吐的無底洞,但是後來霍金髮現了黑洞其實是可以蒸發的,會以輻射的形式損失質量。


不同質量的黑洞其輻射形式也是不一樣的,大質量黑洞其蒸發的速率是很小的,蒸發的同時會以更快的速率吸收物質,簡而言之它還會繼續擴張;而小質量的黑洞,很快就可以蒸發掉,只要質量足夠小的話,一瞬間就可以蒸發掉。而目前形成的黑洞似乎都不會存在有小質量的,因為黑洞是由大質量的恆星塌縮形成的,這個質量遠遠大於10億噸,所以現在形成的黑洞其壽命是比宇宙壽命更長的,而小質量的黑洞只有一種形成方式,那就是在宇宙創生初期誕生,但是這類黑洞,按道理說早就蒸發完了,所以我們也很難證明這種有壽命的黑洞是否真的存在。


鏡像宇宙


本來黑洞的壽命應該是無限的,因為在早期計算中,它是個只吃不吐的怪物,只會不斷吸入物質能量,而不會放出任何輻射。既然不會只進不出,當然只有變大的份了,既然只能變大,壽命自然就天長地久了(◔◡◔)

後來有個蘇聯人發現自轉黑洞會往外幅射能量,不過他在與當時的相對論權威基普索恩(就是電影《星際穿越》的科學顧問,去年因引力波發現得了諾貝爾物理學獎的那個)討論時,被索恩潑了幾盆冷水,就放棄了繼續研究,然後交給了他的兩個研究生繼續研究。結果被霍金知道了這事,霍金憑藉炒雞牛鼻的計算能力後來居上,先於兩位研究生髮表了計算結果,後面的事大家都知道了,這個現象被以霍金的名字命名為霍金輻射。但霍金也確實不負眾望,他不單漂亮地證明了自轉黑洞能產生輻射,同時任何不自轉的黑洞也能產生輻射。

並且他也給出了具體的計算公式,目前這條霍金輻射的計算公式就刻在霍金對墓碑上。

看不清來張特寫:



T=(hc³)/(8πGMk)

注意,這裡的T並不是表示時間,而是表示溫度(temperature)_(:D)∠)_可以看到黑洞的溫度是與其質量成反比的,溫度越高意味著輻射越高,當然這些輻射並不是從視界內發出的,而是從視界外發出的。這個在很多霍金輻射的科普文裡有介紹在此就不多作解釋了。

而黑洞的輻射溫度決定了黑洞的壽命,溫度越高輻射能量就越大,黑洞蒸發就越快壽命也就越短了。我找到的數據是:

一個太陽質量的黑洞輻射的溫度大約60nK,遠低於宇宙微波背景輻射的溫度,也就是它在目前的宇宙背景溫度下質量只增不減。

一個月球質量的黑洞輻射的溫度大約2.7K,剛好相當於宇宙微波背景輻射的溫度,所以它剛好在平衡狀態,在霍金輻射下質量既不增也不減。

只有少於這個質量的黑洞才會在目前的宇宙背景下蒸發,這小於月球質量的黑洞只能在大爆炸初期產生,現在應該已經死得差不多了(◔◡◔)

所以問題答案是:黑洞的壽命不確定,要根據質量、背景溫度、周圍物質丰度等諸多因素綜合計算。反正隨便一個恆星級黑洞的壽命都比目前的宇宙年齡長。


星宇飄零2099


所有人都一致以霍金輻射來計算黑洞壽命,通通到碗裡去了。不是說沒有霍金輻射,而是要具備霍金輻射的黑洞條件,微乎其微。


很簡單的道理,將鐵原子在黑洞條件製成U235,需要吸收無限的能量,特別是將一顆死星製成單原子,其吸收的能量簡直是個無底洞,何況還得將其碾壓成普朗克球。

所以,黑洞的溫度並不是無限大,而是絕對零下的無限小。光線並不是其引力原因出不來,而是這種溫度讓其完全喪失了能量。


具備霍金輻射條件,起碼其溫度得超過3k以上溫度,黑洞打飽呃了。黑洞是越吃肚子越餓的,要讓黑洞打飽呃,幾乎是不可能的事。


相對論說,速度越快,其質量越大。黑洞裡的東西,因引力縮綁,都處於完全靜止狀態,其質量也因為不運動而喪失,只靠強力令其在一起。這種平衡一旦打破,黑洞將立即“卟”的一聲爆炸,這才是其生命的終結。

黑洞具體壽命,還是交給專家去演算了,那才權威。


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