物質的密度有極限嗎?

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

物質的密度有極限嗎?

上圖是孔徑光柵顯微鏡獲取到的原子照片,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!

物質的密度有極限嗎?

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

物質的密度有極限嗎?

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

物質的密度有極限嗎?

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!

物質的密度有極限嗎?

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?

物質的密度有極限嗎?

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

物質的密度有極限嗎?

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!

物質的密度有極限嗎?

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?


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