黑洞的壽命是多少?

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就人類已知的事物來看,萬事萬物都有著自身的“壽命”,當然,壽命這東西是人類定義的概念。

黑洞是廣相預言的奇異天體,之前人們認為黑洞就像是一個吝嗇鬼,只吃不吐,越長越大。但是上世紀七十年代後,霍金提出了霍金輻射理論,首創性的將量子力學納入進來解釋。

在黑洞視界邊緣,由於量子的不確定性,會憑空出現相互可湮滅的虛粒子對,負能的粒子被黑洞強大的引力吸引到內部,而另一個正能粒子則會飛速的逃離黑洞,它從哪裡獲得的能量呢?

必然是從黑洞那裡獲得的能量,因此依然遵守能量守恆定律。黑洞的霍金輻射以消耗自身質量為代價,不斷輻射出能量。

這樣的話,黑洞會不斷損失質量,如果一個黑洞周邊沒有物質供黑洞吞噬了,那麼黑洞的質量會越來越低,而一個三倍於太陽質量的黑洞,也就是典型的恆星級黑洞,它的壽命長到無法想象的地步,長達10^68年。而我們的宇宙至今才138.2億年。

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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。


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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。


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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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黑洞是廣義相對論預言的特殊天體,黑洞給我們的感覺就是一直在吞噬宇宙中的物質,簡單的說就是隻進不出。

但是根據霍金輻射和海森堡不確定性原理,真空中可以產生一對正負粒子,憑空產生瞬間憑空消失。但是如果在黑洞周圍就會發生不同的狀況,負粒子被黑洞吞噬,正粒子高速逃離。根據宇宙能量守恆,正粒子攜帶的是黑洞的能量。換一句話說也就是黑洞在損失能量,質量在減下,在這種情況下黑洞質量減小到一定程度就會爆炸死亡。


現在宇宙中的黑洞大體上有三類一就是常見的恆星級別的黑洞;二是超大質量黑洞,位於星系中心;三就是原初黑洞,起源於宇宙大爆炸。

其中第三種是推測尚未真正觀測到,即使有現在應該也都衰減爆炸了,因為這類黑洞質量較小。而另外兩類黑洞質量較大,輻射溫度遠低於宇背景微波輻射,也就是即使不在吞噬物質,也在宇宙中吸收能量。這類黑洞的壽命比宇宙的年齡都要長。


以上是我的簡單回答,這裡是科學黑洞,感謝你們的關注與點評!圖片來源網絡侵刪。


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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


對於黑洞的形成,目前大致有兩種說法:一種認為是恆星塌縮形成很小的質量點,引力巨大,光線也無法逃脫,果真如此,試問又如何向外輻射、最後消失,顯然難以自圓其說?另一種認為是眾多星系在萬有引力作用下彙集在一起,形成旋渦、即黑洞。這個過程類似強颱風,並經過中間洞<蟲洞>,從白洞噴出,形成新的星系,當週邊物質被黑洞吞食貽盡後,再沒物質補充了,最後黑洞、中間洞連並白洞一起噴出,也形成新生星系,從而灰飛煙滅!鄙人更認同後一個觀點!詳情可參閱本頭條<原創新觀點之五:宇宙模型假說>。共同探討!




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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


準確地說,誰也不知道黑洞的壽命,因為理論上黑洞的壽命可以與宇宙相媲美,有一種觀點是,黑洞終結的那天就是宇宙的末日!

在很多人眼裡,黑洞智慧吞噬物體,它怎麼會滅亡呢?簡單說,任何天體都有滅亡的一天,黑洞也不例外!

宇宙的物質畢竟是有限的,而且當黑洞大到一定程度就會停止“進食”,在漫長的歲月裡(漫長到我們想象不到),通過“霍金輻射”無情的作用,即使強大去黑洞也會慢慢蒸發掉!

霍金輻射是什麼?簡單解釋下,真空並不是“真的空”,根據海森堡不確定性原理,會清空出現一對正反虛粒子,在黑洞事件視界外也是如此。正常情況下正反虛粒子會瞬間湮滅,但有一定幾率其中一個粒子被黑洞吸進去,另一個粒子就逃了出來不需要湮滅,那個粒子就獲得了能量,從外界看就像黑洞散發粒子一樣,就稱為“黑洞輻射”!

很多科學家持有這樣的觀點,黑洞會是宇宙中最後僅存的天體,當黑洞在“霍金輻射”的作用下蒸發掉之後,宇宙歸於終結,處於完全的無序狀態,時間也停止了!

至於宇宙的終結方式,目前有三種觀點,大撕裂,大崩塌和大熱寂!


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