當提到密度最大的時候，我們總是想到黑洞，因為在很多的科普書裡，都彷彿告訴我們黑洞是宇宙中密度最大的天體，甚至在很多人的印象中，黑洞就是一個密度無限大的天體。
但我們往往忽略了一點，科普書裡說的那個密度無限大的其實並不是黑洞，而是黑洞裡的奇點！
電子簡併態
科普書裡的準確描述是：當一顆恆星結束核聚變，沒有能量繼續抗衡引力坍縮，恆星會在引力作用下向內坍縮，當其剩餘質量小於錢德拉塞卡極限（約1.44倍太陽質量），恆星會在電子簡併壓作用下停止坍縮，成為一顆電子簡併態的白矮星。
中子簡併態
當其剩餘質量大於錢德拉塞卡極限，恆星會在強大的引力作用下突破電子簡併壓，使核外電子壓入原子核內，與質子合併成為中子，當其質量小於奧本海默極限（最高約3.2倍太陽質量），恆星會在中子簡併壓作用下停止坍縮，成為一顆中子簡併態的中子星。
奇點
當恆星的剩餘質量大於奧本海默極限，恆星會在強大的引力作用下突破中子簡併壓繼續向內坍縮，而此時將沒有任何已知的物理機制能阻止恆星繼續坍縮，它最終會坍縮成一個無限小的點——奇點。由於奇點無限小，因此它的密度是無限大的。
視界之內——黑洞
根據廣義相對論，當恆星塌縮到一定半徑的時候，其表面的逃逸速度將達到光速，從而形成一個光速不能逃離的時空區域，科學家稱之為事件視界，簡稱視界。我們平常聽到的黑洞就是視界包裹著的那個時空區域。而視界的半徑並非是無限小的，因此它的密度也並不是無限大。根據科學家的估算，一顆一倍太陽質量的白矮星的半徑約為數千公里，而一顆1倍太陽質量的中子星半徑則只有約10公里，一個1倍太陽質量的黑洞半徑則只有約3公里。看起來黑洞跟中子星的大小差不太多，在同一個量級，因此照這麼看，黑洞依然是宇宙中密度最大的天體。
?黑洞密度之謎
然而，跟我們理解的一般的物質不同，甚至跟一般的大質量天體也不同，黑洞的密度並不是恆定的，甚至不像白矮星和中子星這種緻密天體一樣質量越大密度越大。黑洞是反過來，質量越大密度反而越小……
這是怎麼回事呢？我們知道，一般的物質，在相同的密度下，質量會與體積成正比，也就是質量增加，體積會等比例增加。但黑洞不一樣，由於根據廣義相對論，黑洞的視界半徑有個很奇怪的特點，就是它與質量是成正比的。這怪異的結果由史瓦西半徑公式給出：
這公式看起來沒什麼特別的，因為如果把裡面的c換成v，然後變換一下字母位置，它實際上就是一條逃逸速度公式。然而，當告訴你這是一個天體的半徑計算公式，這就很詭異了，你發現這公式裡質量M與半徑R是成正比的！如果你還沒看出來哪裡詭異，那你再看看球體積公式：
體積與半徑3次方成正比，而史瓦西半徑公式裡質量與半徑成正比……再根據密度公式：ρ＝m/V，這意味著，同樣質量下，體積越大密度越小。當你把三條公式放一起就會發現，質量增加1倍，體積將增加3次方倍，很顯然，密度就變小了。因此對於一個以視界界定的黑洞，它的質量越大，密度就越小。
而黑洞在理論上是沒有上限的，不過在現實中，它的質量上限會受周圍物質總量所限制。科學家現在已經發現高達數百億倍太陽質量的黑洞了，根據公式計算，這些黑洞的密度甚至比空氣還低……
當提到密度最大的時候，我們總是想到黑洞，因為在很多的科普書裡，都彷彿告訴我們黑洞是宇宙中密度最大的天體，甚至在很多人的印象中，黑洞就是一個密度無限大的天體。
但我們往往忽略了一點，科普書裡說的那個密度無限大的其實並不是黑洞，而是黑洞裡的奇點！
電子簡併態
科普書裡的準確描述是：當一顆恆星結束核聚變，沒有能量繼續抗衡引力坍縮，恆星會在引力作用下向內坍縮，當其剩餘質量小於錢德拉塞卡極限（約1.44倍太陽質量），恆星會在電子簡併壓作用下停止坍縮，成為一顆電子簡併態的白矮星。
中子簡併態
當其剩餘質量大於錢德拉塞卡極限，恆星會在強大的引力作用下突破電子簡併壓，使核外電子壓入原子核內，與質子合併成為中子，當其質量小於奧本海默極限（最高約3.2倍太陽質量），恆星會在中子簡併壓作用下停止坍縮，成為一顆中子簡併態的中子星。
奇點
當恆星的剩餘質量大於奧本海默極限，恆星會在強大的引力作用下突破中子簡併壓繼續向內坍縮，而此時將沒有任何已知的物理機制能阻止恆星繼續坍縮，它最終會坍縮成一個無限小的點——奇點。由於奇點無限小，因此它的密度是無限大的。
視界之內——黑洞
根據廣義相對論，當恆星塌縮到一定半徑的時候，其表面的逃逸速度將達到光速，從而形成一個光速不能逃離的時空區域，科學家稱之為事件視界，簡稱視界。我們平常聽到的黑洞就是視界包裹著的那個時空區域。而視界的半徑並非是無限小的，因此它的密度也並不是無限大。根據科學家的估算，一顆一倍太陽質量的白矮星的半徑約為數千公里，而一顆1倍太陽質量的中子星半徑則只有約10公里，一個1倍太陽質量的黑洞半徑則只有約3公里。看起來黑洞跟中子星的大小差不太多，在同一個量級，因此照這麼看，黑洞依然是宇宙中密度最大的天體。
?黑洞密度之謎
然而，跟我們理解的一般的物質不同，甚至跟一般的大質量天體也不同，黑洞的密度並不是恆定的，甚至不像白矮星和中子星這種緻密天體一樣質量越大密度越大。黑洞是反過來，質量越大密度反而越小……
這是怎麼回事呢？我們知道，一般的物質，在相同的密度下，質量會與體積成正比，也就是質量增加，體積會等比例增加。但黑洞不一樣，由於根據廣義相對論，黑洞的視界半徑有個很奇怪的特點，就是它與質量是成正比的。這怪異的結果由史瓦西半徑公式給出：
這公式看起來沒什麼特別的，因為如果把裡面的c換成v，然後變換一下字母位置，它實際上就是一條逃逸速度公式。然而，當告訴你這是一個天體的半徑計算公式，這就很詭異了，你發現這公式裡質量M與半徑R是成正比的！如果你還沒看出來哪裡詭異，那你再看看球體積公式：
體積與半徑3次方成正比，而史瓦西半徑公式裡質量與半徑成正比……再根據密度公式：ρ＝m/V，這意味著，同樣質量下，體積越大密度越小。當你把三條公式放一起就會發現，質量增加1倍，體積將增加3次方倍，很顯然，密度就變小了。因此對於一個以視界界定的黑洞，它的質量越大，密度就越小。
而黑洞在理論上是沒有上限的，不過在現實中，它的質量上限會受周圍物質總量所限制。科學家現在已經發現高達數百億倍太陽質量的黑洞了，根據公式計算，這些黑洞的密度甚至比空氣還低……
閱讀更多 阿街娛樂 的文章
關鍵字: 2019未來科學大獎 核聚變 黑洞
