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物质的密度有极限吗?

时间:2019-11-18 来源:嘉怡时尚

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

物质的密度有极限吗?

上图是孔径光栅显微镜获取到的原子照片,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!

物质的密度有极限吗?

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

物质的密度有极限吗?

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

物质的密度有极限吗?

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!

物质的密度有极限吗?

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?

物质的密度有极限吗?

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

物质的密度有极限吗?

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!

物质的密度有极限吗?

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?