03.03 密度有極限嗎?

恐懼認清自我質疑一切


最近看到好多關於黑洞的問題,很多人都對黑洞有這樣描述:黑洞的體積無限小,密度無限大。而現在這個問題問到了物質的密度的極限,很自然的就與人類目前間接看到的極端天體--黑洞有關。

黑洞之所以被稱為黑洞,是因為這種天體非常緻密,引力非常強大,強大到連光都無法逃脫其引力範圍(更準確的說法是光在其事件視界內無法逃脫),實際上所有的天體都有其事件視界,這個範圍也叫做史瓦西半徑,只不過一般的天體的史瓦西半徑小於實體半徑,而黑洞的史瓦西半徑卻大於實體半徑。

關於黑洞的形成原因,目前來說可能會是三種途徑,一種是大質量恆星在滅亡的時候,由於引力坍塌直接形成;一種通過中子星形成,比如中子星的引力就非常強大,不斷吸收周圍的物質,當其質量超過奧本海默極限時也會引起進一步的引力坍塌形成黑洞。或者兩顆中子星合併直接形成黑洞;最後還有一種黑洞的形成原因,就是原生黑洞(或太初黑洞)是由於宇宙大爆炸時的碎片直接形成的,當然這一種目前也只是猜測而已,因為科學家們發現了一些質量非常巨大的黑洞,按前兩種方式形成後,通過不斷的吸積達到這樣的質量所用的時間會超過137億年,所以產生了這種黑洞形成原因的猜測。

上面大致說了一下黑洞有關的問題,現在回到問題本身來,物質的密度極限問題。因為我們目前能夠想到的最緻密的天體就是黑洞,所以黑洞內部(事件視界以內)的密度也就有可能是本題的答案了,那麼黑洞的密度存在極限嗎?黑洞內部真的只有一個奇點嗎?

已經有認根據黑洞的史瓦西半徑和質量計算了黑洞的密度,卻發現了一個奇異的現象,那就是黑洞的質量越大密度卻越小,反之質量越小的黑洞密度越大!很神奇嗎?我認為這個結果一點也不神奇,相反這樣的結果是很奇葩的。

因為黑洞的事件視界以內對於人類目前的科技來說全部都失效了,我們不知道其內部到底是什麼?由什麼樣的微粒組成?是什麼結構的?有溫度嗎?是不是存在一個所謂的蟲洞?有沒有體積?密度是否無限大?等等都無法做出回答,胡亂猜測無法驗證!

那我們能回答什麼?以下是個人觀點部分,僅供閱讀不供參考:實際上我們不能回答出黑洞的密度有無極限,但我們卻可以計算出黑洞的密度下限,也就是黑洞的最低密度。

前面提到,對於黑洞的形成原因中,有一種是中子星質量超過奧本海默極限時會引起進一步的引力坍塌從而形成黑洞。那麼這樣形成的黑洞也許就是黑洞的質量下限,也就是說這樣的黑洞的密度是黑洞密度的最小值了。

奧本海默極限中的中子星與黑洞的臨界質量大約是3個太陽質量,而其史瓦西半徑大約是10公里左右,這樣我們就可以通過體積計算公式算出體積,進一步計算出其密度:大約是1.95*10^18千克/立方米,也就是每立方米大約有19500000億噸!


九心逍遙


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。


鏡像科普


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



首先,密度是有上限的。

其次,密度=質量÷體積。

又次,質量有上限,現代科學認為,宇宙是有限的,全宇宙的質量也是有限的。

再次,體積是有下限的,量子力學認為,空間並非無限可分,它的最小值是普朗克長度,體積的下限就是普朗克體積。

所以,密度的上限就是全宇宙的質量壓縮到普朗克體積這樣一個小球裡面。

沒錯,宇宙大爆炸的最初,就是這樣的狀態。


萬華天鏡


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


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


現實物理是沒有無窮的,0和無窮都是數學概念。

我早就說過,呼吸是黑洞的存在狀態。科學家的觀測也證實了我的預言。黑洞吸的時候,就達到了物質世界的密度上限。這個上限肯定不是無窮大。

什麼是黑洞的呼吸呢?黑洞內部是極不平靜的。首先黑洞由於自重產生擠壓,體積變小。這個過程就是黑洞的“吸”。黑洞壓力過大時,黑洞物質分解,萬有引力消失,黑洞因此膨脹,這就是黑洞的“呼”。黑洞膨脹到一定程度後,黑洞物質又重新生成,萬有引力產生,使黑洞回縮,產生新一輪的“吸”。

到這裡,你要說我毫無根據胡說八道了。萬有引力怎麼會消失呢?這一點,我已經在關於萬有引力本質的多個問答裡回答過了,篇幅較長,這裡略作提及:萬有引力是基礎微粒的震盪產生的,黑洞將基礎微粒壓壞,震盪消失,引力跟著消失。

科學家的觀測印證了我的理論。科學家發現,黑洞體積越大,密度越小,目前尚無理論解釋。但是用我的黑洞呼吸理論,恰好能解釋這一現象:黑洞減小的密度,來自消失的引力和質量。而黑洞內的物質,並沒有絲毫的減少。

這裡略作延伸:所謂宇宙大爆炸,就是黑洞經過漫長時間的吸積,質量越來越大,呼吸作用越來越劇烈。當其呼氣的範圍超出史瓦西半徑時,在其呼氣時由於超出史瓦西半徑和質量減少的雙重效果,噴發速度超過了萬有引力形成的速度,就會產生遠超光速的大噴發(基礎微粒比磁子小得多,磁子比光子小得多)。

由於解說過於簡略,對於給大家造成的閱讀困難表示抱歉。


民科尖兵


目前來說。物質密度是沒有極限的,如果真有物質密度極限一說,那麼黑洞的密度就不在是沒有極限的。但理論上,黑洞是一個體積無限小,密度無限大的天體。目前宇宙觀測密度最大的是中子星,其質量最大可達20億噸每立方厘米。相當於指頭大點的東西就有20億噸。


許多朋友會說,怎麼可能。密度無限大,那麼體積就是無限小。那能比史瓦西半徑如何解釋,太陽的史瓦西半徑約為3千米,地球的史瓦西半徑只有約9毫米。這應該是一個物體壓縮的極限了吧。事實上,史瓦西半徑就是黑洞臨界值,比史瓦西半徑還小的,就是黑洞。

還有一個普朗克長度,這個長度是目前物理學中的長度最小極限,即1.6x10的負33次方釐米,是一個質子直徑10的22次方分之一。不可達到。一切小於這個長度的物質都沒有任何意義。



所以就目前而言,不管是史瓦西半徑和普朗克長度,都可以說是還在人類物理定律和理論範疇。但人類所有物理定律在黑洞面前都是無用的。都是失效的。所以黑洞用史瓦西半徑和普朗克長度衡量對比,二者根本不能做比較,至少目前為止黑洞實際密度是一個迷。


壹點科譜


黑洞密度的奇點是無窮大的,到這是宇宙中的一種的特殊存在。除開這個,已知的穩定存在的最的密度的物質就是中子星了,中子星是質量還沒有達到形成黑洞的恆星經過坍縮形成的超高密度星體,密度為每立方厘米8^14~10^15克,相當於每立方厘米重1億噸以上。一顆中子星的質量是太陽的1.35到2.1倍,半徑則在10至20公里之間。中子星也是宇宙中的極端天體,有一本小說曾經就描述過中子星作為可控制的武器的可怕程度,稱為中子戰星。





科學旅行者


物質是由能量內在凝結凝聚產生形成的,物質是外在能量運動凝結轉化形成的內在能量循環旋轉環繞結構組織運動形式。物質各種運動結構組織就是各種物質粒子。物質各種結構組織運動粒子都有其相應的運動結構空間限制。因此各種物質都有其相應的結構組織空間和密度限制。物質最微小最緻密的結構組織空間是物質最初產生形成的無窮微小的元初普朗克粒子物質,這種無窮微小的普朗克粒子即是無窮微小的粒子黑洞,其粒子內在能量運動速度即是內在閉合循環旋轉的光速,也就是外在開放旋轉前進的光子能量達到閉合循環旋轉環繞運動條件轉化形成的。只是這種最基礎微小的物質元初普朗克粒子的空間組運動結構已經微小到人類目前能力無法認識理解和觀測的無窮小10一33cm。而人們常識中的黑洞也是由這種無窮微小的普朗克粒子形成的普朗克粒子星,其仍是有一定物質粒子空間組織結構的,並不存在所謂的"奇點"。

黑洞的質量引力壓力超過物質最微小的普朗克粒子組織結構承受能力條件,會使物質最微小的普朗克粒子結構破裂毀壞粉碎,轉化釋放還原為形成物質的純能量熱能能量,而由純能量熱能能量的轉化釋放疊加使熱能能量溫度斥力無限升高,而達到熱能能量與引力臨界平衡穩定的熱平衡狀態,平衡阻擋黑洞無窮引力。使黑洞由黑洞引力與普朗克粒子結構承受力的黑洞普朗克粒子結構冷寂冷平衡轉化為熱能與引力熱平衡並向外輻射釋放無窮熱能能量的白洞。黑洞的質量引力密度極限就是物質最微小的普朗克粒子結構能承受的限制,在這個限制以內就是冷寂死寂的黑洞一一普朗克粒子星,超過普朗克粒子結構承受能力限制,黑洞普朗克粒子結構粉碎毀滅轉化為純能量熱能,形成熱能能量與引力熱平衡輻射釋放無窮熱能能量的白洞。現實宇宙中有著無窮神秘能量無比明亮的古老類星體就黑洞質量引力溫度壓力達到物質最微小的普朗克粒子粉碎毀滅轉化為純能量熱能能量的白洞。


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