因为引力的作用,原子坍塌,电子被压缩到原子核上与质子形成和中子,而有中子星,猜想有夸克星,甚至黑洞,可是如果密度不存在这个极限,构成物质的基本元素似乎又显得很孤立,而如果这个极限存在,那么就一定有最基本的物质最小的元素,很小的物质,通过结构组成身边的物质,物质里面绝大多数空间是没有物质的。
宇宙中心承受压强十分巨大,在极高温度的前提下,仍以固态形式存在,因此宇宙中存在超高密度的物质。
脉冲星密度高达10亿吨每立方厘米,如此高的密度是怎样形成的?
脉冲星是啥?
脉冲星是旋转的中子星,因发出周期性的电磁脉冲而得名,发现于冷战时期的1967年。脉冲星直径大多在10千米左右,自转速度极快,旋转一圈仅耗时几毫秒,而地球自转一周则需要24小时。因为快速的旋转,脉冲星拥有超强的磁场,平均磁场强度至少为几千万特斯拉。强大的磁场将脉冲星的辐射也封闭了起来,只能从两个磁极发射出去。脉冲星的电磁脉冲就是这么产生的。
脉冲星的密度确实高达10亿吨每立方厘米。脉冲星上一汤勺的物质,其重量就比地球上的一座山峰还要重。不相信的可以动手算一算,地球表层岩石的平均密度大约为2.7克每立方厘米。
脉冲星是中子星,那么就来聊一聊中子星中子星是大质量恒星衰老后演变而成的产物,是除黑洞外宇宙中密度最大的天体,已被天文观测证实。
根据恒星演化理论,恒星渡过其主序星阶段进入生命的末期,就会转变成其它类型的天体。当老年恒星的质量为太阳质量的8~25倍时,恒星在重力的作用下会发生超新星爆发(宇宙间一种极其猛烈的天体爆炸),恒星的外壳物质被抛射进宇宙空间(损失80%以上的质量),裸露出来的内核就形成了中子星。如果恒星的初始质量小于8倍太阳质量,最终只能形成白矮星;初始质量大于25~30倍,会不可避免的形成黑洞。不过科学家还提出了一种名为夸克星的天体,它的密度介于中子星和黑洞之间,目前还未证实是否存在。
由于大量物质聚集在极小的空间范围内,中子星的密度极大,理论上的密度大约在1~20亿吨每立方厘米之间。中子星的质量最大不超过三倍太阳质量,最小不低于1.5倍太阳质量。这么大量的质量集中在半径仅10~30千米的天体上,这意味着中子星表面的重力极强,表面重力加速度也极大。在高压作用下,中子星的表面温度高达上千万度,比太阳核心处的温度还高,中子星核心处的温度更是高达几十亿度。
超强的重力创造了宇宙间的奇迹。地球的半径6000多千米,在地球重力的限制下,地球上最高的山峰不会超过2万米。如果地球能变为中子星,那么地球的直径将缩小至20多米。换算一下,那么中子星表面的山峰或者说凸起最多不超过10厘米。中子星表面的逃逸速度为1~15万千米每秒,大部分物体的运动速度很难达到这么高。除了光,掉到中子星上面的物质基本上就出不来了。如果你从中子星表面1米高的地方掉下去,所产生的撞击能量比地球上所有核武器爆炸的总能量还要大的多。
上图为中子星假想图
对于会发出脉冲的中子星,据科学家估计,其在一秒钟所释放的能量换算成电能,就能够让现有能量消耗水平的人类使用几十亿年。
关于中子星(脉冲星)的超高密度,需要从原子世界说起压缩一团棉花尚且不易,终究大力出奇迹。对于人类来说,体积庞大的地球压缩成直径20多米的小天体,那么地球上的人类基本上看不到了。对于普通大众来说,这是难以想象的。
下面就让我们来聊一聊,为什么物质拥有如此高的可压缩性?
宇宙间可以看到的物质几乎都是由原子构成的。原子由原子核和核外电子构成,原子核中又包含质子和中子,其中质子带正电、中子不带电、电子带负电。质子和中子是靠强核力束缚在一起的,电子是靠电磁力与原子核结合在一起的。质子和中子的静止质量相近、大小相近,原子核的质量又占原子总质量的99%以上。其实,原子核的密度与中子星的密度很相近。有兴趣的话,大家可以用氢原子核(质子)来算一下。
而原子核又相当小,原子核的直径(10^-15~10^-14米数量级)仅为原子直径(10^-10米数量级)的十万分之一。如果原子有足球场那么大,那么原子核比足球场中的蚂蚁还小,体积和质量都非常小的电子就在这么大的空间中自由翱翔。这么大的空间范围,自然存在可压缩性。至于压缩它需要多大的力量,则是下面要讨论的问题。
通常的理解是电子绕着原子核运转,异性电荷相吸,按理说电子应该掉进原子核,而阻止这一行为的力量便是量子力学中的泡利不相容原理。质子、中子、电子都属于费米子,它们都必须遵守泡利不相容原理。此外,这些微观粒子还具有不确定性。也就是说,电子并不像行星绕恒星那样运转,而是按概率随机分布。这意味着,电子有几率出现在原子核中。比如,质子在一定几率下就可以俘获核外电子,转变为中子。
当费米子相互靠近时,一种基于泡利不相容原理的斥力会阻止这种行为,这种力量被称之为简并压力。想要压缩原子,就必须要克服这种力量。
首当其冲,当引力足够强大时,此时电子的活动范围受到了很大的限制,原子的大小被压缩了,但还不足以和原子核中的质子结合。由核外电子形成的简并压力承受住了这种力量,电子壳层还未破碎,阻止了白矮星进一步坍缩成为中子星。这种状态被称之为电子简并态,白矮星上的物质就处于这种状态。引力和质量有关,白矮星的质量上限被称之为钱德拉赛卡极限,恒星坍缩时剩余的质量不超过太阳质量的1.44倍。
上图为白矮星
当引力继续增强,电子被压缩进原子核,并与原子核内的质子结合成为中子。此时,中子简并压阻止了物质继续坍缩,物质处于中止简并态,而中子星的质量上限则被称之为奥本海默极限(3倍太阳质量)。如果中子简并压被突破,那么物质将会继续坍缩,最终形成黑洞,成为一个体积无限小密度无限大的奇点。
上图为正在吞噬恒星的黑洞
中子星就如同一个体积巨大的原子核,并且完全是由中子构成的原子核。通常中子必须要待在原子核中才能保持稳定。自由中子只有15分钟的寿命,会自发地衰变为质子。中子星这种怪胎的存在,完全是引力的杰作。
可见,在弱引力场下根本不可能存在密度像中子星这样高的宏观物质。那么,用汤勺从中子星上取一小块物质的愿望就实现不了。中子星上的物质一旦离开中子星,就会释放出巨大的能量,并转变为普通物质。中子星上的物质取不走,也许我们可以将中子星打包带走。在一些科幻小说里,中子星就被外星人当做武器。如果一颗中子星出现在太阳系,那对于整个太阳系来说都是灭顶之灾。
好了,这就是中子星(脉冲星)拥有超高密度的原因。
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密度有极限吗?自然界和宇宙中密度最高的物质是什么?
从科学的角度来讲密度是没有极限的,目前已知自然界和宇宙当中密度最高的物质应该是黑洞的中心,其实黑洞的中心并不是虚无的,而是由一个密度特别高的物质形成强有力的引力,把很多东西都拉扯到它的身边所造成的一种现象,这种拉扯的力量是相当巨大的,即使最厉害的光速也逃不过它的手掌心,所以很多科学家都不约而同的认可一个说法,那就是当我们地球碰到黑洞的时候,以目前的科学手段是无法逃脱黑洞的引力的。那么在我们地球的表面上来说,密度相对比较大的有以下几种东西:
1、钻石
钻石也就是金刚石,目前为止,地球上所发现的任何物质当中,钻石的密度可以说是世界上排名数一数二的了,之所以钻石这么值钱的原因之一,就是它的密度非常高,切割非常不容易,物以稀为贵,既然切割如此不易,那么它值钱当然是理所当然的了,随意的一颗钻石可以轻松的在蓝宝石的镜面上留下划痕,所以说就密度而言钻石是比较恐怖的。
2、金属锇
锇的密度也是相当大的了,这种金属是我们近期发现的新型金属之一,它的密度已经超过了钻石,被誉为是当今世界上密度最大的物质,当然是地球上的,只不过这种金属在地球上来说都是相当稀有的,虽然它的使用价值是非常巨大的,但是由于这种物质过分稀有,所以到目前为止也没有出现大规模的使用状况。
3、铁
虽说铁不能说是地球上密度最大的物质,但是我们可以说,地球上面积最大,密度也最大的物质就是铁,因为地壳当中80%都是由铁矿石形成的,而我们利用铁可以提炼出来很多高密度的物质,所以综合来讲,铁还是在密度上占有着一定的地位的。
宇宙出现前,那个高密度的聚集物从哪来的,又为什么会爆炸?
首先,你所说的“高密度的聚合物”是错误的,正确的说应该是“奇点”,很特殊的东西,时间和空间在这个点上是无限曲率,即在此开始,在此结束,体积无限小驱于0,却有无穷大的质量和能量,即物质与能量的转换,所以奇点不是物质,更不是“聚集物”
《悬浮场》理论假说认为,奇点由于体积小质量大,与电磁波发生相互作用时,产生的压力把所有的物质都压缩成高密度的电磁波。因电磁波大量被压缩,奇点与电磁波产生的悬浮场中的悬浮力产生变化,无法达到平衡。电磁波无法产生足够的压力对抗奇点的压力,于是奇点在电磁波的压力减小的情况下,因本身的膨胀力作用,发生了大爆炸。
不过这些都是理论,有待证明和改进,通俗点只能讲这些,复杂的咱也不理解
中子星的密度为何会这么高?它究竟是由什么组成的?
因为中子星的组成元素“中子”在自然界,是密度最高的一种物质。中子主要是由核外电子和质子构成的。我们都知道,尽管人类的科技水平随着时间的推移不断的突飞猛进,我们在自然科学领域许许多多的突破也可谓是日新月异;
但是,广袤无垠的宇宙,仍然有着许多让人类“望尘莫及”的恐怖现象和天体。比如说,一度让人类文明闻风丧胆的“黑洞”,和宇宙中密度最高的星体“中子星”。
中子星是何方神圣呢?如今的科学理论中,主要认为是它是由小质量恒星步入衰老期之后逐渐的演变过来的。假如我们把地球压缩成一个中子星的话,那么它的体积可能要超乎人类的想象。有多大?
直径三十厘米左右,也就是说,和一个地球看起来差不多。但是,它内部却包裹了一整个地球:因此,中子星的威力可想而知。在前苏联小说家卢布廖夫的《太空迷航》中,外星的三级文明进行星际大战;
就是以“中子星”为导弹的。不过言归正传,为什么中子星的密度会这么高呢?当然,要归功于组成它的元素:中子了。中子,是在外部刺激下的原子核变化而来的一种物质,在强大的外部挤压下;
原子中的核外电子,如果被外力打入到原子核内部之后,和质子相结合,那么,就形成了这种崭新的物质:中子。
不过,中子星的存在状态只是暂时的。熟悉科学理论的朋友可能会知道,中子星的质量一旦超过太阳的三倍左右,那么,外部的引力压迫将会彻底把中子星的内部构造摧毁;
到时候,它就会坍缩为“黑洞”。没错,据如今的调查显示,银河系内部百分之八十以上的黑洞都是中子星转变而来的。
宇宙中的物质密度存在极限吗?
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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浩瀚的宇宙中会不会存在比黑洞密度更大的物质?
宇宙中不会存在比黑洞密度更大的物质了。因为黑洞内部的史瓦西奇点,已经我们设想为一个“密度无限高”的点。现实世界里,当然不会有比“无限”密度更大的物质。
我们都知道,黑洞,可谓是目前人类在可观测宇宙中发现的一种相当令人毛骨悚然的恐怖天体。黑洞的存在神秘莫测,但是,在二零一七年,NASA已经用两张图像,证明了它的确是真实存在着的。
黑洞拥有着无可估量的恐怖吞噬能力,任何物质只要掉入它的史瓦西半径之内,没有例外,全都会被黑洞所捕获,就连不具备质量,只有能量波动的“光子”,一样难以摆脱黑洞的束缚。
黑洞附近膨胀的近乎于无限的时空曲率,更是让很多人都为之咋舌。同时,它也是我们到现在为止,在宇宙中观测到的,密度最大的天体,甚至远超恒星当中的巨无霸中子星。
当然,人类对宇宙的探索,仍然处在一个相对来说比较初级的阶段。黑洞,难不成真的就是浩瀚无垠的宇宙中,密度最大的物质了吗?恐怕不可能吗?但是,答案可能会让大家感到出乎意料:的确如此。
黑洞为什么会存在?它最初被上世纪的著名物理学家史瓦西,设想成一种大质量恒星坍缩回一个点,由此而诞生的天体。这个点,就是当年造成宇宙爆炸的“史瓦西奇点”。
史瓦西奇点,是三维宇宙的源头;他被我们设想为内部温度无限高,密度无限大,质量无限膨胀的点;而且,它的体积已经坍缩到了不能被肉眼和一切观测工具所发现的程度。
难不成,宇宙里还会有比无限大还大的数字吗?当然不存在了。因此,黑洞,就是宇宙里密度最高的天体。
中子星密度高达每立方厘米1亿吨,是否意味着还存在未知的元素?
中子星是超大质量恒星在演化末期形成的一种高密度星体,密度在每立方厘米8000吨至20亿吨之间。这意味着,如果你能从中子星上取一汤匙物质,它的质量比地球上一座山峰的质量还高。
宇宙早期为什么会诞生许多质量超高的恒星?怎么回事?
关于宇宙至始至终,它都是一个较为庞大的存在,因为宇宙现在它内部拥有着大概7000万亿颗星系,其中的星球更是数不胜数多到让人头皮发麻。但也正是如此,宇宙的庞大大到我们的想象力都无法涉及到它的宽度。那么关于宇宙的形成史蒂芬霍金很早就解释了宇宙它是由一个奇点,内部物质纠缠,然后发生爆炸,也就是宇宙大爆炸理论当中所提到的观点。那么在宇宙早期为什么会诞生许多质量超过的恒星,怎么回事?其中的原因主要有以下几点。
一、这些超大的恒星才刚刚重新组合。首先第一点就是这些质量超高而且超大的恒星,它们才刚刚重新组合,毕竟是才从奇点那里重新爆炸所产生的新的恒星。可以把一些其中较为破碎的星球碎片重新组合变成新的较大的星球,而这样的星球被我们称为恒星。我们目前所了解的地球或者英仙座星系可能也正是这样的一个诞生原因。在宇宙大爆炸初期的时候,任何物质的诞生总是那么奇妙,也总是出乎我们的意料,所以我们人类还需要更多的时间去探索,这些质量超高的恒星究竟是如何组成。
二、内部物质结构不稳定。其次,另外一点就是这些内部物质是极不稳定的。虽然说这些超大恒星是才从宇宙大爆炸当中所残留的物质,但是这些超大的一些恒星它们内部结构是极不稳定的,也就会诞生一些其他的星球碎片重新组合。
三、关于宇宙终究是我们人类以后的探索战场。最后一点就是关于庞大的宇宙空间在以后终将是我们的一个探索战场,关于这些其中质量超高的恒星,可能也会变成我们以后会去征程的一个目的地。
宇宙中最大的黑洞有多大,为何说它让人毛骨悚然?
黑洞是现代广义相对论中,宇宙空间内存在的一种超高密度天体,由于类似热力学上完全不反射光线的黑体,故名为黑洞。 芬兰科学家在宇宙中发现了一个巨大的双黑洞系统,经过研究发现,这是目前宇宙中能观测到的最大的黑洞,质量是太阳的1960亿倍! 黑洞是由质量非常大的恒星在核聚变反应的燃料耗尽后,发生引力坍缩产生的。黑洞可以吞噬进入到黑洞的一个事件视界内的任何物质和辐射,甚至传播速度最快的光也逃逸不出
黑洞能够停止时间 。假设你能够安然无恙地身处黑洞并观察周围物体,那么你将发现物体在通过事件视界时会减缓速度、凝固在时间里,仿佛它们从未通过事件视界。这是由于时空扭曲,光到达你眼睛所需的时间变得无限长。随着时间的推移,光波变得越来越长,光变得越来越暗淡,最终变成红外辐射、无线电波,消失在视野里。
黑洞会吸引任何靠近它的物质。由于黑洞引力极大,导致黑洞能够以极快的速率拉扯物体,包括光。但这完全是由于引力的作用,根据万有引力公式,如果你将太阳替换成一个同等质量的黑洞,那么太阳系内的所有东西都将照常运行。
宇宙中什么物质的密度最大?
现在公认的是中子星。
再中子星上,原子核的质子和中子被强大的引力压成中子,也就是说在中子星上的基本粒子只有中子!中子星的密度为10的11次方千克/立方厘米, 也就是每立方厘米的质量竟为一亿吨之巨!
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