密度可以無窮大嗎？黑洞就是典型代表

兆堯武 2020-03-31

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密度，這可能是我們在學生時代最早接觸的一批物理概念，它所代表的含義也非常簡單，在單位體積中物質(zhì)質(zhì)量的大小即是密度，數(shù)學式就是用物體質(zhì)量除以物體體積。然而，物體的密度有極限嗎？

從直覺上來看，這似乎不是一個問題，因為我們知道物質(zhì)是由原子構成的，而原子又是由其它更小的粒子組成的，但它們組合到一起有個共同的特征，那就是會占據(jù)一定的空間體積，既然會占據(jù)一定的空間體積，那也就說明了在這個空間體積中，只能存在一定量的物質(zhì)質(zhì)量，所以從這個層面上來講，最大的密度也頂多是某個特定的空間體積內(nèi)占滿了粒子，用所有的粒子質(zhì)量總和除以體積，就能得出密度大小。

但在現(xiàn)有的理論中，密度并沒有所謂的極限，最好的例子就是黑洞（黑洞目前已經(jīng)被人類直接觀測到，并“拍”下了照片）。實際上，對于黑洞的形成過程就是一個關于密度遞增的很好例子。

以恒星級黑洞為例，這些黑洞之所以被稱為恒星級，是因為這些黑洞的前生都是一些大質(zhì)量恒星，那么這些大質(zhì)量恒星有什么特殊之處呢？

與太陽的一生做一個對照，好方便理解。這些恒星和太陽一樣，都有一個主序星時期，在這個階段，大家都是從氫元素開始聚變，整個過程中會釋放出大量的能量（比如太陽給出地球的光和熱），然而隨著聚變元素的不斷攀升，恒星所謂的主序星時期也將結束，星體開始變得不穩(wěn)定起來。

比如我們的太陽會形成紅巨星，而大質(zhì)量恒星則會形成超紅巨星，隨著時間的推移，恒星內(nèi)部的元素在不斷的變重，直到恒星內(nèi)核聚集了大量的鐵元素（我們的太陽由于質(zhì)量不達標，因此不會到鐵元素這一步），此時恒星內(nèi)部核聚變所產(chǎn)生的能量再也無法維持星體的平衡，于是爆發(fā)開始了，巨量的能量在短期內(nèi)被釋放出來（能與太陽一生所釋放的能量總量相對比），大量物質(zhì)被拋灑到宇宙空間，只留下一顆高密度的內(nèi)核。

我們注意到，大恒星從一開始的氫元素聚變，到后來的鐵元素停止（因為鐵元素再往上聚變，整個過程不是釋放能量了，而是吸收能量），整個就是一個密度不斷攀升的過程，而大恒星所殘留下的高密度內(nèi)核，更加恐怖，因此這些所謂的內(nèi)核，實際上就是我們經(jīng)常會提到了中子星或者黑洞（像太陽那般質(zhì)量的恒星，最后是形成白矮星）。

對于中子星的密度，一個經(jīng)常的說法：如果你拿一個小勺子去中子星上挖下一塊物質(zhì)，而那塊物質(zhì)的質(zhì)量足以比得上地球上的一座大山，足見中子星的密度有多恐怖。如果說的更加數(shù)據(jù)一些，那么中子星的密度范圍是在每立方厘米八千萬噸到二十億噸之間，可能這已經(jīng)不是我們腦中能狗想象出來的場景的，而且還需要注意一點，中子星雖然密度大，但是體積并不大，它們的半徑多在三十公里以內(nèi)，而且對于那些轉(zhuǎn)速比較塊的中子星，我們通常叫它們“脈沖星”。

實際上，中子星若此大的密度是由其構成物質(zhì)決定的，我們都知道原子的結構，主要質(zhì)量集中再原子核上，但原子核的體積相比于整個原子來說，是非常非常小的，因為當原子破碎后（換句比喻，就是原子中的電子被壓入原子核內(nèi)，與質(zhì)子合成了中子），內(nèi)部的中子聚集到了一起，產(chǎn)生了所謂的中子簡并壓，用來對抗強大的引力。既然是中子都炮到了一塊，那么可以想象，其密度到底有多大。

中子星的密度已經(jīng)是如此恐怖，那么黑洞的密度又是如何呢？先別著急，在講黑洞前，我們再介紹一個目前理論上可能存在的，密度介于中子星和黑洞之間的怪異天體——夸克星。

夸克星的形成過程，如果不太嚴謹?shù)膩碚f，和中子星是差不多的，當中子被壓垮后，露出了內(nèi)部的夸克（也就是所謂的打破了夸克禁閉），這些夸克跑到了一塊，很顯然，夸克星的密度又要比中子星大上數(shù)個量級。當然了，剛才的描述并不嚴謹，只是一個簡略的說法，因為整個星體的存在，目前還是理論上的，并沒有實際上觀測到，而且理論上也沒有統(tǒng)一起來。