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比黑洞密度更大的物质是什么?

15人参与 |  2020年03月14日 23:26|  作者:   |  评论:0
  摘要  

当提到密度最大的时候,我们总是想到黑洞,因为在很多的科普书里,都仿佛告诉我们黑洞是宇宙中密度最大的天体,甚至在很多人的印象中,黑洞就是一个密度无限大的天体。 但我们往往忽略了一点,科普书里说的那个密度无限大的其实并不是黑洞,而是黑洞里的奇点! 电子简并态 科普书里的准确描述是:当一颗恒星结束核...

当提到密度最大的时候,我们总是想到黑洞,因为在很多的科普书里,都仿佛告诉我们黑洞是宇宙中密度最大的天体,甚至在很多人的印象中,黑洞就是一个密度无限大的天体。 但我们往往忽略了一点,科普书里说的那个密度无限大的其实并不是黑洞,而是黑洞里的奇点! 电子简并态 科普书里的准确描述是:当一颗恒星结束核聚变,没有能量继续抗衡引力坍缩,恒星会在引力作用下向内坍缩,当其剩余质量小于钱德拉塞卡极限(约1.44倍太阳质量),恒星会在电子简并压作用下停止坍缩,成为一颗电子简并态的白矮星。 中子简并态 当其剩余质量大于钱德拉塞卡极限,恒星会在强大的引力作用下突破电子简并压,使核外电子压入原子核内,与质子合并成为中子,当其质量小于奥本海默极限(最高约3.2倍太阳质量),恒星会在中子简并压作用下停止坍缩,成为一颗中子简并态的中子星。 奇点 当恒星的剩余质量大于奥本海默极限,恒星会在强大的引力作用下突破中子简并压继续向内坍缩,而此时将没有任何已知的物理机制能阻止恒星继续坍缩,它最终会坍缩成一个无限小的点——奇点。由于奇点无限小,因此它的密度是无限大的。 视界之内——黑洞 根据广义相对论,当恒星塌缩到一定半径的时候,其表面的逃逸速度将达到光速,从而形成一个光速不能逃离的时空区域,科学家称之为事件视界,简称视界。我们平常听到的黑洞就是视界包裹着的那个时空区域。而视界的半径并非是无限小的,因此它的密度也并不是无限大。根据科学家的估算,一颗一倍太阳质量的白矮星的半径约为数千公里,而一颗1倍太阳质量的中子星半径则只有约10公里,一个1倍太阳质量的黑洞半径则只有约3公里。看起来黑洞跟中子星的大小差不太多,在同一个量级,因此照这么看,黑洞依然是宇宙中密度最大的天体。 黑洞密度之谜 然而,跟我们理解的一般的物质不同,甚至跟一般的大质量天体也不同,黑洞的密度并不是恒定的,甚至不像白矮星和中子星这种致密天体一样质量越大密度越大。黑洞是反过来,质量越大密度反而越小…… 这是怎么回事呢?我们知道,一般的物质,在相同的密度下,质量会与体积成正比,也就是质量增加,体积会等比例增加。但黑洞不一样,由于根据广义相对论,黑洞的视界半径有个很奇怪的特点,就是它与质量是成正比的。这怪异的结果由史瓦西半径公式给出: 这公式看起来没什么特别的,因为如果把里面的c换成v,然后变换一下字母位置,它实际上就是一条逃逸速度公式。然而,当告诉你这是一个天体的半径计算公式,这就很诡异了,你发现这公式里质量M与半径R是成正比的!如果你还没看出来哪里诡异,那你再看看球体积公式: 体积与半径3次方成正比,而史瓦西半径公式里质量与半径成正比……再根据密度公式:ρ=m/V,这意味着,同样质量下,体积越大密度越小。当你把三条公式放一起就会发现,质量增加1倍,体积将增加3次方倍,很显然,密度就变小了。因此对于一个以视界界定的黑洞,它的质量越大,密度就越小。 而黑洞在理论上是没有上限的,不过在现实中,它的质量上限会受周围物质总量所限制。科学家现在已经发现高达数百亿倍太阳质量的黑洞了,根据公式计算,这些黑洞的密度甚至比空气还低…… 所以问有“没有比黑洞密度更大的物质”这个问题有点傻,因为黑洞的密度是不确定的,可以很大,也可以很小,如果你非要问一个答案,那你先告诉我:多大的黑洞?

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