密度可以无穷大吗?黑洞就是典型代表
密度,这可能是我们在学生时代最早接触的一批物理概念,它所代表的含义也非常简单,在单位体积中物质质量的大小即是密度,数学式就是用物体质量除以物体体积。然而,物体的密度有极限吗?
从直觉上来看,这似乎不是一个问题,因为我们知道物质是由原子构成的,而原子又是由其它更小的粒子组成的,但它们组合到一起有个共同的特征,那就是会占据一定的空间体积,既然会占据一定的空间体积,那也就说明了在这个空间体积中,只能存在一定量的物质质量,所以从这个层面上来讲,最大的密度也顶多是某个特定的空间体积内占满了粒子,用所有的粒子质量总和除以体积,就能得出密度大小。
但在现有的理论中,密度并没有所谓的极限,最好的例子就是黑洞(黑洞目前已经被人类直接观测到,并"拍"下了照片)。实际上,对于黑洞的形成过程就是一个关于密度递增的很好例子。
以恒星级黑洞为例,这些黑洞之所以被称为恒星级,是因为这些黑洞的前生都是一些大质量恒星,那么这些大质量恒星有什么特殊之处呢?
与太阳的一生做一个对照,好方便理解。这些恒星和太阳一样,都有一个主序星时期,在这个阶段,大家都是从氢元素开始聚变,整个过程中会释放出大量的能量(比如太阳给出地球的光和热),然而随着聚变元素的不断攀升,恒星所谓的主序星时期也将结束,星体开始变得不稳定起来。
比如我们的太阳会形成红巨星,而大质量恒星则会形成超红巨星,随着时间的推移,恒星内部的元素在不断的变重,直到恒星内核聚集了大量的铁元素(我们的太阳由于质量不达标,因此不会到铁元素这一步),此时恒星内部核聚变所产生的能量再也无法维持星体的平衡,于是爆发开始了,巨量的能量在短期内被释放出来(能与太阳一生所释放的能量总量相对比),大量物质被抛洒到宇宙空间,只留下一颗高密度的内核。
我们注意到,大恒星从一开始的氢元素聚变,到后来的铁元素停止(因为铁元素再往上聚变,整个过程不是释放能量了,而是吸收能量),整个就是一个密度不断攀升的过程,而大恒星所残留下的高密度内核,更加恐怖,因此这些所谓的内核,实际上就是我们经常会提到了中子星或者黑洞(像太阳那般质量的恒星,最后是形成白矮星)。
对于中子星的密度,一个经常的说法:如果你拿一个小勺子去中子星上挖下一块物质,而那块物质的质量足以比得上地球上的一座大山,足见中子星的密度有多恐怖。如果说的更加数据一些,那么中子星的密度范围是在每立方厘米八千万吨到二十亿吨之间,可能这已经不是我们脑中能狗想象出来的场景的,而且还需要注意一点,中子星虽然密度大,但是体积并不大,它们的半径多在三十公里以内,而且对于那些转速比较块的中子星,我们通常叫它们"脉冲星"。
实际上,中子星若此大的密度是由其构成物质决定的,我们都知道原子的结构,主要质量集中再原子核上,但原子核的体积相比于整个原子来说,是非常非常小的,因为当原子破碎后(换句比喻,就是原子中的电子被压入原子核内,与质子合成了中子),内部的中子聚集到了一起,产生了所谓的中子简并压,用来对抗强大的引力。既然是中子都炮到了一块,那么可以想象,其密度到底有多大。
中子星的密度已经是如此恐怖,那么黑洞的密度又是如何呢?先别着急,在讲黑洞前,我们再介绍一个目前理论上可能存在的,密度介于中子星和黑洞之间的怪异天体——夸克星。
夸克星的形成过程,如果不太严谨的来说,和中子星是差不多的,当中子被压垮后,露出了内部的夸克(也就是所谓的打破了夸克禁闭),这些夸克跑到了一块,很显然,夸克星的密度又要比中子星大上数个量级。当然了,刚才的描述并不严谨,只是一个简略的说法,因为整个星体的存在,目前还是理论上的,并没有实际上观测到,而且理论上也没有统一起来。
那么密度还在夸克星之上的黑洞呢?
对于史瓦西黑洞来说,它的结构是由事件视界和奇点构成的,由于特殊性质,在事件视界以内,奇点以外的空间中,并不存在的物质,因为那些被吸入黑洞的物质,最终都会流向奇点,而奇点又是一个体积无穷小的存在,我们用密度公式来算一下,很显然,奇点的密度变成了无穷大。
由此看来,密度确实是没有极限的,黑洞中的奇点就是一个很好的证明。
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