密度有极限吗?_密度可以无穷大吗

由网友 历史风向标 提供的答案：

密度是指物体或物质的质量与体积之比。当我们谈论密度时,常常会思考一个问题：密度是否有极限？在物理学中,密度的概念是相对稳定的,但是在特定条件下,密度可能会受到限制。

首先,让我们来看看密度的定义。密度的计算公式是质量除以体积,即密度=质量/体积。这意味着,当物体的质量增加或体积减小时,密度会增加。然而,根据物质的性质和状态,密度也可能会受到限制。

在一些情况下,物质的密度可能会达到极限。例如,对于固体物质来说,原子和分子之间的排列方式决定了其密度。当固体物质的原子或分子紧密排列时,其密度会达到最大值。这种情况下,我们可以说固体物质的密度有一个极限。

然而,在其他情况下,密度可能没有明确的极限。例如,对于液体和气体物质来说,密度是由分子之间的间距和运动方式决定的。在给定的温度和压力下,液体和气体的密度可以随着分子之间的相互作用和运动方式的改变而变化。因此,我们不能简单地说液体和气体的密度有一个固定的极限。

此外,密度的极限还受到环境条件的影响。例如,地球上的物体在地球引力的作用下,会受到压力的影响,从而影响其密度。而在其他行星或太空中,由于引力和压力的不同,物体的密度可能会有所不同。

综上所述,密度的极限是一个相对的概念。对于固体物质来说,由于原子和分子之间的排列方式,密度可能会有一个明确的极限。而对于液体和气体物质来说,密度的极限可能会受到环境条件和分子之间的相互作用的影响。因此,我们不能简单地回答密度是否有极限的问题,而需要根据具体情况进行分析和讨论。

最后,密度作为一个重要的物理概念,在科学研究和工程应用中具有广泛的应用。通过对密度的研究和理解,我们能够更好地认识物质的性质和行为,为各个领域的发展提供支持和指导。

由网友 科学与视界 提供的答案：

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。

由网友 镜像科普 提供的答案：

在理论中,密度是没有极限的,理论上是存在着密度无限大的物体的,比如说奇点,就是一个体积无限小,密度无限大的物体。

我们熟悉的水,密度为1克/立方厘米,而黄金的密度达到了19.26克/立方厘米,是水的密度的几十倍,在我们看来,黄金的密度已经是大得可怕了,地球上密度最大的物质是金属锇,密度达到了22.59克/立方厘米。但是放眼全宇宙,这点密度还真的算不了什么,宇宙中有的是物体,它的密度简直就是天文数字。

为什么物体密度的差异如此之大呢？这是因为原子中是存在着很大的空隙的,原子直径的数量级大概是原子核直径数量级的10000倍,可见原子的内部还是非常空旷的,所以只要是原子可以被强大的力量所挤压,它的密度理论上就可以增大。如果将原子核比作是一个小钢珠的话,那么原子就相当于一个足球场这么大。一般说来,相对原子质量越大的金属,其密度也就越大,当然这不是一定的,因为这还跟其原子的空间排列有关。

正是因为原子中间存在着那么大的空隙,所以这就是地心物质密度远远高于地球表面物质的原因,在地球的内部,由于受到了强大的压力,这里铁和镍的密度达到了15克/立方厘米,比正常状态下的要大上不少。在木星压强极大的核心,气体氢被压缩成了金属氢,在太阳系中,密度最大的地方位于太阳的核心,这里的密度达到了150克每立方厘米,是水的150倍！

在宇宙中,存在着一种名为白矮星的星体,是演化到生命末期的恒星,在自身强大的引力作用下,白矮星上的原子物质,原子核外的电子被压缩到原子核表面,形成一种名为电子简并态的物体,白矮星上物体的密度为1000000g/立方厘米,也就是一吨每立方厘米,密度大的可以达到几十吨每立方厘米。而比白矮星更进一步的,就是中子星了,中子星是宇宙可怕程度仅次于黑洞的天体,在中子星上,压力是如此之大,以至于电子都被压缩进了原子核中,也就是意味着中子星就像是一个巨大的中子一样,而它的密度就更可怕了,典型的中子星密度为每立方厘米1亿吨以上,是水的密度的100亿倍,而这也是原子核的密度。在中子星之上的,那就是黑洞了,理论上黑洞的密度是无限大的。

由网友 九心逍遥 提供的答案：

最近看到好多关于黑洞的问题,很多人都对黑洞有这样描述：黑洞的体积无限小,密度无限大。而现在这个问题问到了物质的密度的极限,很自然的就与人类目前间接看到的极端天体--黑洞有关。

黑洞之所以被称为黑洞,是因为这种天体非常致密,引力非常强大,强大到连光都无法逃脱其引力范围（更准确的说法是光在其事件视界内无法逃脱）,实际上所有的天体都有其事件视界,这个范围也叫做史瓦西半径,只不过一般的天体的史瓦西半径小于实体半径,而黑洞的史瓦西半径却大于实体半径。

关于黑洞的形成原因,目前来说可能会是三种途径,一种是大质量恒星在灭亡的时候,由于引力坍塌直接形成；一种通过中子星形成,比如中子星的引力就非常强大,不断吸收周围的物质,当其质量超过奥本海默极限时也会引起进一步的引力坍塌形成黑洞。或者两颗中子星合并直接形成黑洞；最后还有一种黑洞的形成原因,就是原生黑洞（或太初黑洞）是由于宇宙大爆炸时的碎片直接形成的,当然这一种目前也只是猜测而已,因为科学家们发现了一些质量非常巨大的黑洞,按前两种方式形成后,通过不断的吸积达到这样的质量所用的时间会超过137亿年,所以产生了这种黑洞形成原因的猜测。

上面大致说了一下黑洞有关的问题,现在回到问题本身来,物质的密度极限问题。因为我们目前能够想到的最致密的天体就是黑洞,所以黑洞内部（事件视界以内）的密度也就有可能是本题的答案了,那么黑洞的密度存在极限吗？黑洞内部真的只有一个奇点吗？

已经有认根据黑洞的史瓦西半径和质量计算了黑洞的密度,却发现了一个奇异的现象,那就是黑洞的质量越大密度却越小,反之质量越小的黑洞密度越大！很神奇吗？我认为这个结果一点也不神奇,相反这样的结果是很奇葩的。

因为黑洞的事件视界以内对于人类目前的科技来说全部都失效了,我们不知道其内部到底是什么？由什么样的微粒组成？是什么结构的？有温度吗？是不是存在一个所谓的虫洞？有没有体积？密度是否无限大？等等都无法做出回答,胡乱猜测无法验证！

那我们能回答什么？以下是个人观点部分,仅供阅读不供参考：实际上我们不能回答出黑洞的密度有无极限,但我们却可以计算出黑洞的密度下限,也就是黑洞的最低密度。

前面提到,对于黑洞的形成原因中,有一种是中子星质量超过奥本海默极限时会引起进一步的引力坍塌从而形成黑洞。那么这样形成的黑洞也许就是黑洞的质量下限,也就是说这样的黑洞的密度是黑洞密度的最小值了。

奥本海默极限中的中子星与黑洞的临界质量大约是3个太阳质量,而其史瓦西半径大约是10公里左右,这样我们就可以通过体积计算公式算出体积,进一步计算出其密度：大约是1.95*10^18千克/立方米,也就是每立方米大约有19500000亿吨！

由网友 艾伯史密斯 提供的答案：

答：以目前人类所掌握的知识,密度是没有极限的,至少是超出了人类目前的认知水平。

我们来看几个例子：

1、水的密度：1克/立方厘米；

2、密度最大的金属——锇：22.6克/立方厘米；

3、白矮星密度：10吨/立方厘米；

4、中子星密度：100万吨/立方厘米；

5、夸克星表面：至少10亿吨/立方厘米；

6、黑洞奇点：无穷大。

黑洞奇点,对于目前的理论来说,密度是无穷大的,所以说物质的密度是没有极限呢！

好啦！我的答案就到这里,喜欢我们答案的读者朋友,记得点击关注我们——艾伯史密斯！

由网友 壹点科谱 提供的答案：

目前来说。物质密度是没有极限的,如果真有物质密度极限一说,那么黑洞的密度就不在是没有极限的。但理论上,黑洞是一个体积无限小,密度无限大的天体。目前宇宙观测密度最大的是中子星,其质量最大可达20亿吨每立方厘米。相当于指头大点的东西就有20亿吨。

许多朋友会说,怎么可能。密度无限大,那么体积就是无限小。那能比史瓦西半径如何解释,太阳的史瓦西半径约为3千米,地球的史瓦西半径只有约9毫米。这应该是一个物体压缩的极限了吧。事实上,史瓦西半径就是黑洞临界值,比史瓦西半径还小的,就是黑洞。

还有一个普朗克长度,这个长度是目前物理学中的长度最小极限,即1.6x10的负33次方厘米,是一个质子直径10的22次方分之一。不可达到。一切小于这个长度的物质都没有任何意义。

所以就目前而言,不管是史瓦西半径和普朗克长度,都可以说是还在人类物理定律和理论范畴。但人类所有物理定律在黑洞面前都是无用的。都是失效的。所以黑洞用史瓦西半径和普朗克长度衡量对比,二者根本不能做比较,至少目前为止黑洞实际密度是一个迷。

由网友 夸密 提供的答案：

大概五年前我为新版的《十万个为什么》写过这个词条。这里再做进一步展开。

密度极限需要根据物质的定义来考虑。但无论是狭义的物质,还是广义的物质,都有密度极限。

狭义的物质指的是由原子组成的物质。原子由原子核和电子组成,原子核里面是质子和中子,它们都由夸克组成。夸克和电子都是费米子,量子力学中费米子都需要遵守泡利不相容原理,也就是说同样量子数的费米子波函数不会重合,而是在相互作用允许下尽量远离,所以原子都是很空的,绝大部分质量都集中在中间极小的原子核上。这样由原子组成的物质密度就有上限了,一些重金属差不多接近这个上限,即每立方米20多吨（水的密度是每立方米1吨,地球的密度约每立方米5吨）。

广义的物质就是宇宙万物。除了夸克和电子这些费米子,我们还有光子这种玻色子,不用遵守泡利不相容原理。但是光子本身有波长和衍射极限的限制,无论是什么样的光学器件都不能把光斑缩到无限小,也就是说都会有一个有限的大小,即高斯光斑束腰半径,这个大小和原子比起来还是要大很多量级的。

放眼全宇宙,我们会找到打破原子的限制,最终密度非常大的天体。首先是白矮星,即在强大的引力场下把原子核都挤压在一起,密度大概是每立方米几百万吨,也就是地球的上百万倍。

比白矮星密度还大的是中子星,它相当于把原子核都融合在一起,中子紧密排布,变成一个巨大的原子核,因此密度和原子核一样,每立方米千万亿吨级别,也就是地球的千万亿倍。

比中子星密度还大的,在我们的宇宙中只剩下黑洞了。黑洞的体积可以定义在其视界内球体大小,那么黑洞的半径可以用史瓦西半径R表示,它和黑洞的质量M成正比。但黑洞的体积和半径R是三次方关系,也就是说黑洞越大密度反而越小。但是形成黑洞必须具有一定的初始质量,即奥本海默极限M0,那么黑洞的密度极限大概就是c^6/(11*pi^3*G^3*M0^2),大约每立方米上亿亿吨,即地球密度的几千万亿倍。

由网友 星辰大海路上的种花家 提供的答案：

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？

由网友 清明的星空 提供的答案：

先说结论,密度有极限,但极限是多少目前还不能确定。

密度是衡量物体单位体积的质量一种度量,其定义是用物体的质量除以体积。不同物质的密度是不一样的,并且,对金属来说,一般密度越大的价格就越高（不绝对啊）。我们常见的黄金的密度是19.32克/立方厘米,而金属锇,密度约为22.6克/立方厘米,是密度最大的金属。但不管这些元素的密度有多大,组成这些元素的基本单位还是原子,所以,关于密度的极限还是要从这些微观粒子入手。

我们知道,原子是由原子核与电子组成,而那些组织物质的各种元素就是原子不同的排列组合,而这些原子又是通过各种化学键,如离子键、共价键、金属键等组成了我们能感受到的这个世界。原子间的这些化学键是由核外电子通过某些作用机理形成的,并且是有长短的,就是说,组成物质的这些原子之间是有距离的。

如果把原子挤压,让原子一个挨着一个,密度不就会变大吗？确实是的,这个模型接近白矮星的结构了,不过也不是这么简单排列的。白矮星是一种密度非常大的天体,组成白矮星的物质在其表面巨大的压力之下,电子将脱离原子核,成为自由电子,而这些自由电子会尽可能的占据原子核之间的空隙,这样的话就使得单位空间内能够包含更多的物质,可以说,这时的原子核是"沉浸"在电子海洋中,密度大大增加,这种物质状态被称为电子简并态。这种电子简并压力可以与白矮星强大的引力相抗衡,支撑白矮星的稳定结构。白矮星的密度可以达到1000万吨/立方米,一颗太阳质量那么大的白矮星其体积差不多和地球那么大。

比白矮星密度还大的天体大家也不陌生,就是是中子星,如果说白矮星相当于一个大原子的话,中子星就是一个巨大的原子核。白矮星的密度虽然大,但还在正常物质结构能达到的最大密度范围之内,在白矮星上,电子还是电子,原子核也还是原子核,原子结构还算完整。而在中子星上,压力是如此之大,白矮星中的电子简并压也无法承受这巨大的压力,电子被直接压缩到原子核中,同质子中和成为中子,使得整个原子变成仅由中子组成,这时支撑中子星稳定的力就换为中子简并压,使得中子星不至于被进一步压缩。所以中子星可以看做是一个巨大的原子核,而中子星的密度就是相当于原子核的密度,密度约为10^14～10^15克/立方厘米（一立方厘米几亿吨）,比起白矮星的几十吨/立方厘米的密度可以说是有了质的飞跃。太阳质量的中子星其体积半径只有十几公里。

其实这也是由于原子与原子核大小相差很大造成的,原子半径一般在10^-10米这各量级,而原子核的半径一般在10^-15米这个量级,原子核体积只占原子体积的几千亿分之一,所以才造成白矮星与中子星的密度相差非常大。

最后,说说黑洞,黑洞的密度问题得看你认为黑洞的大小是从哪里算起,如果以史瓦西半径来计算的话,质量越大的黑洞密度反而越小,比如,仙女座星系中心的黑洞为上亿倍太阳质量,但它的密度和水是差不多的。如果单指黑洞中心那个"奇点",理论上是密度无限大,但那也是个体积无限小的点,无法用密度的定义去衡量,就像数学中分母为零的情况下一般认为是没有意义的。不过,在大质量恒星形成黑洞的时候是有一定的初始质量与体积的,奥本海默极限,根据这个极限计算出黑洞的密度极限约为每立方米上亿亿吨,是即地球密度的几千万亿倍。补充一点,关于人造物质的最高密度,是在大型强子对撞机中让铅原子核以接近光速对撞,产生的一种新物质形态—夸克-胶子等离子体,这种夸克和胶子构成的致密流体密度高达10^17千克/立方米,这比前面提到的金属锇的密度还要高1万亿倍,甚至比中子星的密度还要高。一些科学家认为这种物质在宇宙诞生之初曾经大量存在。