密度有极限吗?

恐惧认清自我质疑一切


密度有极限吗?

在现代科学的理论体系下,物质的密度是没有上限的!在自然界中,水的密度是1克/立方厘米,或者说1吨/立方米,但这有一个温度条件,因此如果要准确的描述水的密度特性时需要如此定义:1g/cm³或者10³千克/m³(t=4℃),而水银的密度则高达13.6g/cm³,而黄金的密度则是19.26克/cm³,自然界中密度之王是金属锇,密度达到了22.59克/cm³!

一、原子之间的间隙

上图是孔径光栅拍到的原子照片,图片来自网络。也许在这个级别下,看起来有些模糊,但事实上原子之间是下图这样的!

尽管看起来比较有规律,但能清晰的看到原子之间是存在比较大间隙的,因此这就是地心物质密度远高于地表物质的原因!地心的铁镍质物质受到巨大压力之后,原子之间的间隙减少,密度增加,达到了15克/cm³,这个密度是正常铁镍质的2倍左右!

二、原子内部的巨大空间

上图是原子的量子力学模型,从原子到原子核之间是巨大的空间,甚至原子核只占微不足道的一部分,因此在特定的条件下,物质的密度可以增加到更高,甚至达到难以想象的程度!而白矮星就是这微观世界中密度增加道路上得第一位明星!8-10倍太阳质量的恒星在晚期并不会导致超新星爆发,但内核依然在巨大的压力下坍缩为白矮星,其物质原子中的电子被压到距离原子核很近的位置,以一种电子简并压支撑的状态!白矮星的密度达到了10吨/cm³!

三、原子核内部的世界

当恒星的质量继续增加,比如小于25-30倍太阳质量的恒星,红巨星后期的超新星爆发时,内核将处在巨大质量下极度高压状态,将电子压入了原子核和质子中和成了中子,简单一点说即可电子原子内部的巨大的空间将不复存在,电子也不再存在,整个天体就剩下了中和电荷后的中子,当然中子星并不都是中子组成,它也有着自己的结构!

表层离子和自由电子!厚度为0.3-0.5KM,而往下则是电子、种子和原子核,再往下则是费米种子超流体,在内部还可能是夸克胶子等离子体!中子星的平均密度高达1亿~10亿吨/cm³!

四、夸克的世界?

在中子星的内核我们猜测有一种夸克胶子等离子体的物质,那么在中子星黑黑洞之间是否存在夸克星呢?当然这仅仅是天文学家预言中的天体,我们无从了解其密度,但有一点很清楚,它的密度明显是高于中子星的密度上限10亿吨/cm³的!也许未来我们将证实这种天体是否存在!

五、黑洞地盘?

大于30太阳质量的恒星内核将最终坍缩成黑洞,我们无从计算黑洞的密度,但据说黑洞的密度也不是无穷大,因为在描述黑洞密度时也存在诸多矛盾的结论!但无论哪种定义,它的密度都将超过传说中的夸克星!也许已经不能密度来形容这种在三维空间中犹如BUG一般存在的天体,或者用空间扭曲程度来形容似乎更合适一些!

到了黑洞我们再无无法就密度问题前进一步,黑洞已经将我们能理解的物质密度上限给封死了,还有比黑洞密度更大的物质吗?


星辰大海路上的种花家


密度在物理学里指的是单位体积内物质质量的多少。例如水的密度是每立方厘米1克,黄金的密度是每立方厘米19.26克。地球上密度最大的物质是锇。密度达到了每立方厘米22.59克。

图:锇

在微观世界上来观测原子,会发现原子核只占了极小的一部分空间,而主要质量却集中在原子核上。所以,密度有进一步提升的空间。

图:太阳结构

在太阳系中,物质密度最大的地方就在太阳的核心处。由于太阳的质量非常的巨大,在其核心处压力达到了3300亿个大气压,使得这里的密度达到了每立方厘米150克,是水的150倍,锇的6.64倍。

图:白矮星

当太阳核心处的燃料耗尽后,就不会产生辐射压来抵挡重力的压缩作用了。这时会发生重力坍缩,直到将外层电子压缩到最低能量轨道上,这时形成了电子简并态物质。电子简并压能够抵挡住1.44倍太阳质量的压力。这时太阳就成为了白矮星。白矮星的物质密度达到了每立方厘米1吨。

图:中子星



如果质量超过了1.44个太阳质量,电子简并压就抵挡不住重力的压缩了。电子会被压缩到原子核内部,形成了中子简并态物质。这就是中子星。中子星的密度达到了每立方厘米8000万吨~20亿吨。

图:双黑洞合并

当质量超过了3.2倍太阳质量,就没有什么能够抵挡得住重力坍缩了。它会坍缩成奇点。奇点的密度被认为是无限大的。但实际上是不会出现无限大的。


讲科学堂


密度无极限,奇点就是密度无限大,因此是无限的。

目前认知的奇点有两种,一种是宇宙大爆炸前的奇点,一种是黑洞中心的奇点。这两种奇点的共性就是体积无限小,密度无限大,时空曲率无限大。这后面几个无限,完全是前面那个体积无限小引申出来的。我们想想,既然一个没有办法衡量体积的东西,小到无的东西,即使里面只有一个质子,也会压缩成无限密度了。

所以密度是无限的。但地球上所有物质都是有限的,因为只要在地球上,就没有办法达到那么高的压力。而且在宇宙中除了奇点,密度也都是有限的。

我们常见的物质都是有密度的,物质的密度比较实际上就是同体积所包含质量的多少。

气体密度是最小的。比如空气,密度为每立方米1.293公斤,也就是每立方厘米0.001293克;而氢每立方米只有0.08342公斤,每立方厘米就只有0.00008342克。

液体比气体密度要大一些。比如水每立方米为1吨,每立方厘米(毫升)为1克,1升水1000毫升,就是1公斤。所以一般把水的密度称为1。所有物质密度都可以看作是水的比例,所以又称为比重。

汽油为0.7,就是同等体积的汽油相当于水质量的70%;酒精为0.79,就是1000毫升100%的酒精只有0.79公斤。所以兄弟们买酒时切记,同等价格1斤比500毫升更划得来。

以此类推,植物油根据不同原料制造出来约为0.9~0.93之间,人血为1.054,蜂蜜为1.4等等。液体中恐怕水银是密度最大的了,为13.6。这些都是以克为单位,比如酒精比重0.79就是每立方厘米0.79克。

固态物质常见的有:泡沫塑料为0.01~0.03,木材根据不同品种在0.4~0.9之间,冰为0.9,石蜡为0.9,玻璃为2.4~2.8,铁为7.8,铜为8.9,银为10.53,金为19.32。目前已知密度最大的金属元素就是锇,密度达到22.59。

从以上密度的比较我们可以看出,所谓密度实际上就是同等体积的东西越轻密度就越小,越重密度就越大。

地球是一个以水为主的世界,所以密度一个最直观的现象就是,凡是比水密度小的物质都能浮在水面上,凡是比水密度大的物质就只能沉下去了。根据这个原理,人类发明了船只。

开始是用比水密度小的木头做,后来人们发现用比水密度大的物质,只要做出足够的空间也能够漂浮,这是因为把重物质做成中空的箱形,整个体积平均密度就比水密度小了,当然就能够浮在水面上了。<strong>

还有一种方式可以把物资密度改变,甚至把物质变成另外的物质,这就是压力。在宇宙中一些极端压力状态下,就有一些密度很高的特殊物质。

比如地球地心,压力达到360万个,温度达到6800度,比太阳表面温度还高,那里的物质主要有铁镍组成,正常情况下铁的密度约7.9,镍的密度为8.9,但在地心高压下,密度达到12.5。

但地球相比太阳又是小巫见大巫了。太阳质量是地球的33万倍,中心压力达到3000亿大气压,温度达到1500万度,物质密度达到150,也就是150克一个立方厘米,1个立方米150吨。要知道太阳是一个气态的星球,中心进行着热核聚变的只是世界上最轻的氢元素。

但太阳比起中子星、白矮星又是小巫见大巫了,这两种天体是宇宙中极端的天体。白矮星上的物质已经不是普通物质,在巨大引力压力下,物质坍缩成为电子简并态,每立方厘米密度达到1~10吨;中子星上在极端的压力下,物质被压缩成为中子简并态,每立方厘米密度达到1~20亿吨。这是人类已知除了奇点以外密度最大的物质了。

科学界认为还可能有夸克星的存在,这种天体物质密度比中子星又要大若干数量级。但目前尚没有发现这种天体的真实存在。

这就是宇宙中物质的密度情况,欢迎大家一起来讨论。


时空通讯


答:现有理论之下,密度是没有极限的。


密度公式为ρ=m/v,表示单位体积内包含的物质质量;比如在标况下,空气密度为0.001293克/立方厘米,水的密度为1克/立方厘米,铁的密度为7.9克/立方厘米。

一立方厘米大约就是一个骰子大小,在宇宙中,存在很多极端的情况,比如下面几个:

地球核心

密度高达15克/立方厘米,是水密度的15倍,主要成分是铁和镍,由于巨大的压力,使得铁镍原子之间的间隙缩小。


金属锇

地球上密度最大的物质是金属锇 ,密度高达22.6克/立方厘米。


太阳核心

太阳核心的密度,高达150克/立方厘米,是太阳系中密度最高的地方;但是太阳整体的平均密度很低,只有1.41克/立方厘米。


白矮星

白矮星密度高达10吨/立方厘米,白矮星是中小质量恒星在演化末期的产物;比如我们太阳在60亿年后就会演化为白矮星,白矮星由于自身强大的引力,使得内部原子的外层电子被严重挤压,处于电子简并态。


中子星

典型的中子星密度高达1亿~10亿吨/立方厘米,这已经远远超过了地球物质的密度,相当于一个骰子大小的白矮星物质,就和一座山的质量相当;如果把地球压缩到中子星密度,直径只有大约20米。

中子星在1.44倍太阳质量到3倍太阳质量之间,由中子简并压力抵抗着万有引力,如果中子星的质量继续增加,中子星会继续塌缩成夸克星或者黑洞。


夸克星

密度至少为10亿吨/立方厘米,是天文学上预言的天体,目前还未被发现。


黑洞奇点

根据广义相对论的描述,黑洞奇点的体积无穷小,密度无穷大。黑洞已被天文学证实存在,但是黑洞内部的情况,目前还没有理论能够定量描述;关于黑洞奇点的相关问题,也是当前物理学的难题。

对于黑洞密度无穷大的解释,也存在很多争议,或许是当前理论不完善导致的发散结果;就比如在牛顿力学,两个物体无限接近时,万有引力定律描述它们之间的引力无穷大,如果考虑量子力学的原子结构,就不会出现引力发散的情况。


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艾伯史密斯


物质密度可以认为是没有上限的,比如黑洞奇点,目前认为就是一个密度无限大的无体积的点。但这并不意味着结论不可推翻,或者说有待人类更进一步的理论和实际探索。

密度这个概念,可能是物理学习中最先碰到的知识点之一。它代表着某种物质单位体积内包含的质量多少,数值越高代表着该物质密度越大,比如我们日常生活中常见的物质:水的密度取1吨每立方米,空气的密度取1.29千克每立方米,铁的密度取7.8吨每立方米,金的密度取19.32吨每立方米等等,当然了,这些数值都是在特定环境(温度、气压等)下的取值,不过在日常应用中,环境因素是不大考虑的。

但这些密度相比于宇宙中那些“恐怖天体”,仅仅是小巫见大巫。比如一些恒星演化后期变成的白矮星,密度能高达10吨每立方米;但这仅仅是个开始,一旦白矮星的质量超过1.44倍太阳质量,那么它就会变成中子星,虽然体积不大(一般星球半径是在30公里以内),但却因为极高的密度(在每立方厘米8000万到20亿吨之间),是个名副其实的引力怪物。

但这还没尽头,如果一个中子星的质量超过了2到3倍太阳质量这个范围区间,那么它就无法保持稳定,将会进一步坍缩,变为黑洞(目前有理论认为,这中间或许还会存在一个被称为夸克星的天体)。而黑洞的质量会集中于一点,被称为奇点,它的密度无限大。

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赛先生科普


应该是存在某种极限的,类似于某种临界状态。

我们可能很多都受奇点这一概念的影响,认为也应该会存在有像奇点这样,质量密度无限大,体积无限小的概念。

但这毕竟是理论上的概念,但我觉得这不可能存在。我们仔细观察一下这个概念就可以发现,这代表的是一种单向性发展。即质量只是单方向聚集,质量空间也单方向缩小。

这个与我们的现实观察是不一致的,因为我们知道有力就有反作用力,力不可能单向无限发展,它必然有反作用力相制衡而趋于某种平衡。而奇点理论是否定制衡而能单向直线发展的一种概念,这就像光有作用力而没有反作用力一样奇怪。

从物质角度来看,在有物质存在的条件下,施加于物质的力必然有反作用力,要否定这点要先推翻牛顿定律。那么单向发展的力存在就成为难题。所以向着密度无限大体积无限小的方向发展则成为理论上的不可能。

但是奇点也可以从概念的另外一个方向解读,比如无限的概念,我们不能仅作为无限大和无限小来理解,也可以作为无法利用计量概念来描述理解,即无量。

因此密度无限大,空间无限小的奇点。也可以认为是质量密度无法计量,空间大小也无法计量,也即是无量的存在。那么这样无量的存在,究竟存在吗?

其实无处不在,我们看看我们周围——虚空即是。

虚空如何量化?是有量还是无量?

所以物质密度的极限一定是某种虚空化,而不可能在保持物质形态下,单向增长下去。


晴之黎明


我认为物质的密度有极限,这是基于到目前为止我们人类所观察到的物理现象。

在地球上我们可以看到不同的物质有不同的密度,比如水,岩石,铁,金等物质,很好理解。但是到了行星的核心,恒星的核心,白矮星,中子星他们的密度,可能我们完全没有概念。

当物体的密度越来越大,体积越来越小的时候,小到我们设想的奇点时,会发生什么?宇宙大爆炸。为什么会爆炸,我认为就是物体的密度达到了它的极限。如果密度没有极限,那就应该继续缩小继续增大密度,就不可能爆炸。这也是人类目前为止所观察到的最极端的物理现象。

不知道这样说有没有道理,完全是猜想。


思想有益


有,无论从哲学上看,还是从已知科学说,对任何东西的“度量”都有范围,真实的世界不可能有无限的量存在,极限只是数学形式的概念。

密度也如此,作为一个表征物质单位体积的质量的“量”,它等于一个物体的质量/体积,用微积分的思想表示出来就是下面这样的式子。

首先,密度是一个标量,它的下限值只能是0,不可能是负数,这毋庸置疑,对于一定体积内空无一物的区域,它的密度就可以为0。

那么,密度可能无限大吗?答案也是不可能的,这在文章开头就说了——真实世界不可能有无限“量”的存在的。

密度要想很大,只能把大量的物质往一个小小的空间塞,而宇宙中的白矮星中子星似乎就是做这事的“操纵者”。

其中的白矮星,在一茶匙的体积里,就集中了数十吨的物质,密度高达0.1-10吨/每立方厘米;而中子星的密度更大,达到了1-10亿吨/每立方厘米。


已知宇宙,我们能用物理学描述的密度,最大的就是中子星的密度了,但它并不是无限大,所以密度有上限。


挡不住的熵增


大家好!物质密度有极限吗?这是个科幻问题。

我们已知与存在相比的实际上非常少。按照辩证唯物主义观点,凡事有正面一定有反面。我想这个哲学命题应该正确。现在科学不断验证它的正确性。

物质密度有极限吗?本人认为没有。物质密度的极限是零总算最小了吧。不对!学过数学的都知道零后面还有负数。所以我们在讨论正物质的同时,要考虑到负物质的存在可能。我们在讨论物质世界的同时,要考虑精神世界存在的可能。正负对立,物质与精神并存应该是我们认为世界、探讨问题的基本态度。科学实验已经很意外地观察到“无中生有”的现象。

二十一世纪的科学发现正在挑战二十世纪之前的部分科学理论。


庸人良品


可以准确的说,目前我们所有已知的物理属性、单位、量,只适用于宏观,包括“准确”这个词。

如我们所见所闻的宏观,是物质世界在一定数量级上的表现形式。在我们所不能见的极微观极宏观,世界是混沌的、是无法描述的:至少,我们现在所有的语言文字想象所不能触及的,那是神的世界。


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