密度有極限嗎?

恐懼認清自我質疑一切


在理論中,密度是沒有極限的,理論上是存在著密度無限大的物體的,比如說奇點,就是一個體積無限小,密度無限大的物體。


我們熟悉的水,密度為1克/立方厘米,而黃金的密度達到了19.26克/立方厘米,是水的密度的幾十倍,在我們看來,黃金的密度已經是大得可怕了,地球上密度最大的物質是金屬鋨,密度達到了22.59克/立方厘米。但是放眼全宇宙,這點密度還真的算不了什麼,宇宙中有的是物體,它的密度簡直就是天文數字。

為什麼物體密度的差異如此之大呢?這是因為原子中是存在著很大的空隙的,原子直徑的數量級大概是原子核直徑數量級的10000倍,可見原子的內部還是非常空曠的,所以只要是原子可以被強大的力量所擠壓,它的密度理論上就可以增大。如果將原子核比作是一個小鋼珠的話,那麼原子就相當於一個足球場這麼大。一般說來,相對原子質量越大的金屬,其密度也就越大,當然這不是一定的,因為這還跟其原子的空間排列有關。


正是因為原子中間存在著那麼大的空隙,所以這就是地心物質密度遠遠高於地球表面物質的原因,在地球的內部,由於受到了強大的壓力,這裡鐵和鎳的密度達到了15克/立方厘米,比正常狀態下的要大上不少。在木星壓強極大的核心,氣體氫被壓縮成了金屬氫,在太陽系中,密度最大的地方位於太陽的核心,這裡的密度達到了150克每立方厘米,是水的150倍!

在宇宙中,存在著一種名為白矮星的星體,是演化到生命末期的恆星,在自身強大的引力作用下,白矮星上的原子物質,原子核外的電子被壓縮到原子核表面,形成一種名為電子簡併態的物體,白矮星上物體的密度為1000000g/立方厘米,也就是一噸每立方厘米,密度大的可以達到幾十噸每立方厘米。而比白矮星更進一步的,就是中子星了,中子星是宇宙可怕程度僅次於黑洞的天體,在中子星上,壓力是如此之大,以至於電子都被壓縮進了原子核中,也就是意味著中子星就像是一個巨大的中子一樣,而它的密度就更可怕了,典型的中子星密度為每立方厘米1億噸以上,是水的密度的100億倍,而這也是原子核的密度。在中子星之上的,那就是黑洞了,理論上黑洞的密度是無限大的。


鏡像宇宙


密度在物理學裡指的是單位體積內物質質量的多少。例如水的密度是每立方厘米1克,黃金的密度是每立方厘米19.26克。地球上密度最大的物質是鋨。密度達到了每立方厘米22.59克。

圖:鋨

在微觀世界上來觀測原子,會發現原子核只佔了極小的一部分空間,而主要質量卻集中在原子核上。所以,密度有進一步提升的空間。

圖:太陽結構

在太陽系中,物質密度最大的地方就在太陽的核心處。由於太陽的質量非常的巨大,在其核心處壓力達到了3300億個大氣壓,使得這裡的密度達到了每立方厘米150克,是水的150倍,鋨的6.64倍。

圖:白矮星



當太陽核心處的燃料耗盡後,就不會產生輻射壓來抵擋重力的壓縮作用了。這時會發生重力坍縮,直到將外層電子壓縮到最低能量軌道上,這時形成了電子簡併態物質。電子簡併壓能夠抵擋住1.44倍太陽質量的壓力。這時太陽就成為了白矮星。白矮星的物質密度達到了每立方厘米1噸。

圖:中子星

如果質量超過了1.44個太陽質量,電子簡併壓就抵擋不住重力的壓縮了。電子會被壓縮到原子核內部,形成了中子簡併態物質。這就是中子星。中子星的密度達到了每立方厘米8000萬噸~20億噸。

圖:雙黑洞合併

當質量超過了3.2倍太陽質量,就沒有什麼能夠抵擋得住重力坍縮了。它會坍縮成奇點。奇點的密度被認為是無限大的。但實際上是不會出現無限大的。


講科學堂


“凡是具體的,都是有限的;只有抽象的,才是無限的。”這是我們人類認識的一個基本原則,是我們判斷認識正確與否的一個標準。因為,零或無窮大的事物,在現實的世界中都是無法想象的。

比如,宇宙是膨脹的,那麼宇宙的體積就一定是有限的。體積為零或無窮大的膨脹,是沒有物理意義的。

實際上,零或無窮大僅只是數學上的抽象概念。在現實的世界中,不存在零或無窮大的事物。

對於密度這一具體的物理概念而言也是如此,不存在密度為零或無窮大的物體。

對於不存在密度為零的物體,是比較好理解的,就是不存在絕對的真空。否則的話,就只是虛無,是沒有物理意義的。

對於人類來說,虛無只是暫時沒有認識和感應到存在的物理意義,而不是真的存在虛無的空間。

比如,古希臘時期的原子論,認為原子是最小的實體,原子之間的空隙就是虛無。然而,後來隨著人類認識的進步,逐步發現了空氣和空間。前者是由離散的氣體分子構成的,而後者則是由離散的不可再分的最小粒子——量子構成的。

至於物體的密度,也隨著人類發現粒子的逐漸細小和基本,而不斷地增大。

比如,當認識到原子層次時,發現的天體是太陽,其密度與地球🌍上的物質密度大體相當;

後來又認識到存在著靠電子的簡併壓形成的白矮星,其密度大了許多倍,據說一個火柴盒大小的白矮星有幾噸重;

再往後,認識到存在著中子星,即電子和質子被擠壓成中子。於是,中子星的密度又大了很多倍,其相當於基本粒子的密度。

最後,科學家👩‍🔬們根據萬有引力公式,距離為零時,引力無窮大,推斷出了密度無窮大的奇點。對於具體的天體來說,就形成了連光也無法逃逸的黑洞;對於我們的宇宙來說,就由奇點產生反轉,形成了超過光速的巨大爆炸。

對於最後一點是存疑🤨的,因為密度無限大的奇點失去了具體的物理意義。其問題就出在萬有引力公式,在作用距離為零時的無窮大。

在現實的世界中,不存在距離為零的情況。而且,在距離為零的情況下,不存在空間效應,超距的萬有引力也就因此而消失了。

實際上,我們每發現密度增大的天體,都是由更為基本的粒子構成的,其密度的上限是該粒子本身的密度。粒子的半徑限制🚫了密度的進一步增大。

對於我們的宇宙來說,其密度的極限就是不可再分的最小粒子——量子之間的距離等於零。

由於普朗克常數h的存在,其物理量綱為粒子的角動量,是量子的本徵參量,說明量子的質量和半徑都是大於零的。根據計算,量子的半徑等於3.58x10-21釐米。

所以,作為一個相對獨立的封閉體系,我們的宇宙是由離散的量子構成的,宇宙中所含有的量子數目是不變的。只是由於宇宙的膨脹,使量子之間的距離也越來越大,充斥於整個宇宙。

當宇宙收縮時,量子之間的距離又會不斷地減小。宇宙收縮的極限就是量子的間距等於零。於是,宇宙開始了反轉,形成了宇宙的大爆炸。因此,宇宙不存在奇點,宇宙密度的上限就是量子本身的密度。

總之,具體而有限的宇宙,是由不可再分的最小粒子——量子構成的。宇宙密度的下限是量子間距的無窮大,此時宇宙消亡了;宇宙密度的上限是量子之間的距離為零,即宇宙開始了反轉,產生劇烈的膨脹。


淡漠乾坤


你的問題很有深度,不僅挑戰了現代科學,而且挑戰了人類的哲學思維。密度有極限嗎?嚴謹的告訴你,沒有人知道!提到密度的極限,不得不說黑洞,這是人類發現的密度最大的天體。

黑洞,不得不談史瓦西半徑。按照廣義相對論場方程式解得的史瓦西半徑,隨著向點狀引力源的趨近,時空幾何出現奇異行為。更驚奇的是,奇異性在臨界距離 r=2GM/c^2 處開始出現,這裡M是中心星的質量,G是牛頓的萬有引力常數,c是光速(以下將這個公式簡化為r=2M),這個臨界距離與引力質量成正比,對太陽質量是3公里,對100萬倍太陽質量是300萬公里,對地球則是1釐米(9mm)。這個距離就叫做史瓦西半徑,它不是別的,正是按照牛頓方式計算的表面逃逸速度達到光速的星體尺度。

按照史瓦西解,在臨界半徑r=2M以內,空間和時間都喪失了自己的特徵。在這個半徑以內用以測量距離和時間的規則都失效了,時間變成0,而距離趨於無限。

根據史瓦西半徑,如果一個重力天體的半徑小於史瓦西半徑,天體將會發生坍塌。在這個半徑以下的天體,其間的時空彎曲得如此厲害,以至於其發射的所有射線,無論是來自什麼方向的,都將被吸引入這個天體的中心。因為相對論指出任何物質都不可能超越光速,在史瓦西半徑以下的天體的任何物質——包括重力天體的組成物質——都將塌陷於中心部分。一個有理論上無限密度組成的點組成重力奇點。

今年的黑洞照片,直接證實了黑洞這種天體確實存在。但目前人類還不能深入研究黑洞內部,黑洞內部理論上是密度無限的奇點,那麼,如果宇宙是奇點大爆炸產生的,說明密度有極限,當奇點密度達到一定極限才會爆炸,要不黑洞不是早爆炸了嗎?

綜上所述,我認為人類談密度有無極限,為時尚早。等人類把黑洞研究透了,答案自然而然的就知道了。


癲濟哥


密度有極限嗎?

在現代科學的理論體系下,物質的密度是沒有上限的!在自然界中,水的密度是1克/立方厘米,或者說1噸/立方米,但這有一個溫度條件,因此如果要準確的描述水的密度特性時需要如此定義:1g/cm³或者10³千克/m³(t=4℃),而水銀的密度則高達13.6g/cm³,而黃金的密度則是19.26克/cm³,自然界中密度之王是金屬鋨,密度達到了22.59克/cm³!

一、原子之間的間隙

上圖是孔徑光柵拍到的原子照片,圖片來自網絡。也許在這個級別下,看起來有些模糊,但事實上原子之間是下圖這樣的!

儘管看起來比較有規律,但能清晰的看到原子之間是存在比較大間隙的,因此這就是地心物質密度遠高於地表物質的原因!地心的鐵鎳質物質受到巨大壓力之後,原子之間的間隙減少,密度增加,達到了15克/cm³,這個密度是正常鐵鎳質的2倍左右!

二、原子內部的巨大空間

上圖是原子的量子力學模型,從原子到原子核之間是巨大的空間,甚至原子核只佔微不足道的一部分,因此在特定的條件下,物質的密度可以增加到更高,甚至達到難以想象的程度!而白矮星就是這微觀世界中密度增加道路上得第一位明星!8-10倍太陽質量的恆星在晚期並不會導致超新星爆發,但內核依然在巨大的壓力下坍縮為白矮星,其物質原子中的電子被壓到距離原子核很近的位置,以一種電子簡併壓支撐的狀態!白矮星的密度達到了10噸/cm³!

三、原子核內部的世界

當恆星的質量繼續增加,比如小於25-30倍太陽質量的恆星,紅巨星後期的超新星爆發時,內核將處在巨大質量下極度高壓狀態,將電子壓入了原子核和質子中和成了中子,簡單一點說即可電子原子內部的巨大的空間將不復存在,電子也不再存在,整個天體就剩下了中和電荷後的中子,當然中子星並不都是中子組成,它也有著自己的結構!

表層離子和自由電子!厚度為0.3-0.5KM,而往下則是電子、種子和原子核,再往下則是費米種子超流體,在內部還可能是夸克膠子等離子體!中子星的平均密度高達1億~10億噸/cm³!

四、夸克的世界?

在中子星的內核我們猜測有一種夸克膠子等離子體的物質,那麼在中子星黑黑洞之間是否存在夸克星呢?當然這僅僅是天文學家預言中的天體,我們無從瞭解其密度,但有一點很清楚,它的密度明顯是高於中子星的密度上限10億噸/cm³的!也許未來我們將證實這種天體是否存在!

五、黑洞地盤?

大於30太陽質量的恆星內核將最終坍縮成黑洞,我們無從計算黑洞的密度,但據說黑洞的密度也不是無窮大,因為在描述黑洞密度時也存在諸多矛盾的結論!但無論哪種定義,它的密度都將超過傳說中的夸克星!也許已經不能密度來形容這種在三維空間中猶如BUG一般存在的天體,或者用空間扭曲程度來形容似乎更合適一些!

到了黑洞我們再無無法就密度問題前進一步,黑洞已經將我們能理解的物質密度上限給封死了,還有比黑洞密度更大的物質嗎?


星辰大海路上的種花家


在理論中,密度是沒有極限的,理論上是存在著密度無限大的物體的,比如說奇點,就是一個體積無限小,密度無限大的物體。

地球密度相關介紹


我們熟悉的水,密度為1克/立方厘米,而黃金的密度達到了19.26克/立方厘米,是水的密度的幾十倍,在我們看來,黃金的密度已經是大得可怕了,地球上密度最大的物質是金屬鋨,密度達到了22.59克/立方厘米。但是放眼全宇宙,這點密度還真的算不了什麼。

物體密度差距原因



因為原子中是存在著很大的空隙的,原子直徑的數量級大概是原子核直徑數量級的10000倍,可見原子的內部還是非常空曠的,所以只要是原子可以被強大的力量所擠壓,它的密度理論上就可以增大。如果將原子核比作是一個小鋼珠的話,那麼原子就相當於一個足球場這麼大。一般說來,相對原子質量越大的金屬,其密度也就越大,當然這不是一定的,因為這還跟其原子的空間排列有關。


正是因為原子中間存在著那麼大的空隙,所以這就是地心物質密度遠遠高於地球表面物質的原因,在地球的內部,由於受到了強大的壓力,這裡鐵和鎳的密度達到了15克/立方厘米,比正常狀態下的要大上不少。在木星壓強極大的核心,氣體氫被壓縮成了金屬氫,在太陽系中,密度最大的地方位於太陽的核心,這裡的密度達到了150克每立方厘米,是水的150倍!

宇宙中那些驚人密度物體



在宇宙中,存在著一種名為白矮星的星體,是演化到生命末期的恆星,在自身強大的引力作用下,白矮星上的原子物質,原子核外的電子被壓縮到原子核表面,形成一種名為電子簡併態的物體,白矮星上物體的密度為1000000g/立方厘米,也就是一噸每立方厘米,密度大的可以達到幾十噸每立方厘米。



而比白矮星更進一步的,就是中子星了,中子星是宇宙可怕程度僅次於黑洞的天體,在中子星上,壓力是如此之大,以至於電子都被壓縮進了原子核中,也就是意味著中子星就像是一個巨大的中子一樣,而它的密度就更可怕了,典型的中子星密度為每立方厘米1億噸以上,是水的密度的100億倍,而這也是原子核的密度。


在中子星之上的,那就是黑洞了,理論上黑洞的密度是無限大的。


番茄炒蛋VS西紅柿炒蛋


物質密度可以認為是沒有上限的,比如黑洞奇點,目前認為就是一個密度無限大的無體積的點。但這並不意味著結論不可推翻,或者說有待人類更進一步的理論和實際探索。

密度這個概念,可能是物理學習中最先碰到的知識點之一。它代表著某種物質單位體積內包含的質量多少,數值越高代表著該物質密度越大,比如我們日常生活中常見的物質:水的密度取1噸每立方米,空氣的密度取1.29千克每立方米,鐵的密度取7.8噸每立方米,金的密度取19.32噸每立方米等等,當然了,這些數值都是在特定環境(溫度、氣壓等)下的取值,不過在日常應用中,環境因素是不大考慮的。

但這些密度相比於宇宙中那些“恐怖天體”,僅僅是小巫見大巫。比如一些恆星演化後期變成的白矮星,密度能高達10噸每立方米;但這僅僅是個開始,一旦白矮星的質量超過1.44倍太陽質量,那麼它就會變成中子星,雖然體積不大(一般星球半徑是在30公里以內),但卻因為極高的密度(在每立方厘米8000萬到20億噸之間),是個名副其實的引力怪物。

但這還沒盡頭,如果一箇中子星的質量超過了2到3倍太陽質量這個範圍區間,那麼它就無法保持穩定,將會進一步坍縮,變為黑洞(目前有理論認為,這中間或許還會存在一個被稱為夸克星的天體)。而黑洞的質量會集中於一點,被稱為奇點,它的密度無限大。

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賽先生科普


答:現有理論之下,密度是沒有極限的。


密度公式為ρ=m/v,表示單位體積內包含的物質質量;比如在標況下,空氣密度為0.001293克/立方厘米,水的密度為1克/立方厘米,鐵的密度為7.9克/立方厘米。

一立方厘米大約就是一個骰子大小,在宇宙中,存在很多極端的情況,比如下面幾個:

地球核心

密度高達15克/立方厘米,是水密度的15倍,主要成分是鐵和鎳,由於巨大的壓力,使得鐵鎳原子之間的間隙縮小。


金屬鋨

地球上密度最大的物質是金屬鋨 ,密度高達22.6克/立方厘米。


太陽核心

太陽核心的密度,高達150克/立方厘米,是太陽系中密度最高的地方;但是太陽整體的平均密度很低,只有1.41克/立方厘米。


白矮星

白矮星密度高達10噸/立方厘米,白矮星是中小質量恆星在演化末期的產物;比如我們太陽在60億年後就會演化為白矮星,白矮星由於自身強大的引力,使得內部原子的外層電子被嚴重擠壓,處於電子簡併態。


中子星

典型的中子星密度高達1億~10億噸/立方厘米,這已經遠遠超過了地球物質的密度,相當於一個骰子大小的白矮星物質,就和一座山的質量相當;如果把地球壓縮到中子星密度,直徑只有大約20米。

中子星在1.44倍太陽質量到3倍太陽質量之間,由中子簡併壓力抵抗著萬有引力,如果中子星的質量繼續增加,中子星會繼續塌縮成夸克星或者黑洞。


夸克星

密度至少為10億噸/立方厘米,是天文學上預言的天體,目前還未被發現。


黑洞奇點

根據廣義相對論的描述,黑洞奇點的體積無窮小,密度無窮大。黑洞已被天文學證實存在,但是黑洞內部的情況,目前還沒有理論能夠定量描述;關於黑洞奇點的相關問題,也是當前物理學的難題。

對於黑洞密度無窮大的解釋,也存在很多爭議,或許是當前理論不完善導致的發散結果;就比如在牛頓力學,兩個物體無限接近時,萬有引力定律描述它們之間的引力無窮大,如果考慮量子力學的原子結構,就不會出現引力發散的情況。


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艾伯史密斯


密度是質量除以體積,體積是物體所佔空間的大小。但是空間如果被無限扭曲了,體積也就不存在意義了。而質量形成的根本是原子中的基本粒子間的相互作用力,所以當物質中的基本粒子已被分解成不存在相互作用力的量子泡沫時,那麼所謂的質量也就不存在了。

因此密度的概念是有侷限性的,在空間沒有被無限扭曲,物質基本粒子還存在的前提下,密度的概念是成立的。而正因為密度概念的相對存在性,密度的大小也應該是有極限的。

當然所有這些概念也只不過是人類根據自身的認識來衡量事物的標準。而與物質世界的真實情況是存在偏差的,前沿的量子引力理論的分支"超弦理論″認為物質的最基礎單元是形狀各異的"開弦″和"閉弦″,弦與弦之間的複雜纏合和振動形成最基本的粒子(比如夸克、電子),而這種弦是不存在體積的"點”能量。

所以我們所看見的整個物質世界,感覺是由實實在在的包含體積和質量的物質組成,而真實的情況是整個宇宙是由無窮無盡的"點″能量的振動的弦組成。密度只是能量弦纏合方式不同造成作用力不同的體現而已。

而當沒有體積的點能量彙集成黑洞中的奇點或宇宙大爆炸的奇點時,那這個奇點還是不存在體積。所以"奇點密度無限大″本身是個偽概念,所謂的質量無限大,引力無限大也只是奇點能量無限大的反映形式而已。(當然奇點也很有可能是高維宇宙與本宇宙之間的能量傳送門)


科學的奧秘


應該是存在某種極限的,類似於某種臨界狀態。

我們可能很多都受奇點這一概念的影響,認為也應該會存在有像奇點這樣,質量密度無限大,體積無限小的概念。

但這畢竟是理論上的概念,但我覺得這不可能存在。我們仔細觀察一下這個概念就可以發現,這代表的是一種單向性發展。即質量只是單方向聚集,質量空間也單方向縮小。

這個與我們的現實觀察是不一致的,因為我們知道有力就有反作用力,力不可能單向無限發展,它必然有反作用力相制衡而趨於某種平衡。而奇點理論是否定製衡而能單向直線發展的一種概念,這就像光有作用力而沒有反作用力一樣奇怪。

從物質角度來看,在有物質存在的條件下,施加於物質的力必然有反作用力,要否定這點要先推翻牛頓定律。那麼單向發展的力存在就成為難題。所以向著密度無限大體積無限小的方向發展則成為理論上的不可能。

但是奇點也可以從概念的另外一個方向解讀,比如無限的概念,我們不能僅作為無限大和無限小來理解,也可以作為無法利用計量概念來描述理解,即無量。

因此密度無限大,空間無限小的奇點。也可以認為是質量密度無法計量,空間大小也無法計量,也即是無量的存在。那麼這樣無量的存在,究竟存在嗎?

其實無處不在,我們看看我們周圍——虛空即是。

虛空如何量化?是有量還是無量?

所以物質密度的極限一定是某種虛空化,而不可能在保持物質形態下,單向增長下去。


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