无限密度却零体积的物体能存在吗

一斤棉花和一斤铁的重量是相等的，但一立方米的棉花和一立方米的铁，它们的重量则相差巨大。为什么呢？因为棉花和铁的密度不同。

相同的空间之内，物质总量越多，那么密度就越大，铁的密度比棉花高，所以相同体积的情况下，铁就会比棉花重。任何一个物体，我们只要得知它的体积和质量，然后用质量除以体积，就得出了密度。那么密度有没有极限呢？以常识来看，似乎应该是有，因为空间是有限的，用物质将一个空间完全填满不留空隙，此时这个空间的密度也就达到了最大。不过，怎么才能够将一个空间完全填满呢？即使是一个完整的铁块，它也并没有将所在的空间完全填满，因为铁原子之间也是存在着空隙的。

密度最大的物质

事实总是与常识背道而驰，如果我们说密度存在着一个极限，那么我们却无法给出一个数值，说出密度的极限到底是什么。而当我们放眼宇宙，又会被不断刷新认知，因为在宇宙之中，密度没有最大，只有更大。

在宇宙之中，最耀眼的明星就是恒星，恒星通过自身的聚变反应发光发热。在恒星的主序星阶段，恒星通过氢核聚变释放能量，而在氢元素耗尽之后，向外的扩张压减弱，恒星内部压力增加，于是氦核聚变被点燃，如此，恒星上的聚变过程会一步一步向更重的元素推进。像太阳这样质量相对较小的恒星，由于内部的引力有限，核聚变在推进到碳或氧元素的时候就会停止，在因核聚变而产生的向外的扩张压彻底消失之后，恒星便会在引力作用下向内坍缩，成为一颗白矮星。

白矮星的密度很高，一颗恒星在坍缩为白矮星之后，体积会缩小为原来的30万分之一。

如果一颗恒星的质量在太阳质量的8倍以上，那么它的核聚变会继续推进，直到铁元素为止。因为从铁元素开始，核聚变不再释放能量，而转为吸收能量，而此时恒星会在强大的引力作用下坍缩，之后会反弹释放巨大的能量，这一过程被称为超新星爆发，大量的物质在这一过程中被抛洒到宇宙之中，只留下了一个高密度的内核，这就是中子星。

中子星的密度更大，一颗质量达三倍太阳质量的中子星，它的直径往往只有十几公里。中子星的密度之所以比白矮星更大，是因为强大的引力将原子核压碎了，电子进入到原子核之中和质子结合成为中子，中子又聚集到了一起，就形成了中子星物质。

中子要远比原子更小，所以由中子结合形成的中子星自然也就拥有更高的密度。

不过中子并不是物质的最小形态，中子星也不是宇宙中密度最大的天体。如果一颗恒星的质量在太阳质量的30倍以上，那么它会在强大的引力作用下无限坍缩下去，而最终形成宇宙中最强大的天体，黑洞。由于黑洞的引力过于强大，所以在黑洞的视界内部，没有什么力量可以阻止物质不断坍缩下去，因此，通常认为黑洞的实体只是一个密度无限大而体积无限小的点，称之为奇点。

这里最令人感到困惑的问题就是，密度为何会无限大，体积又怎么会无限小？无限大的密度是一种怎样的存在，而无限小的体积又应该去如何理解呢？即使物质以基本粒子的形态存在，那么它也应该有一个体积，而并非一个体积无限小的点。

无限大的密度

从数学角度来说，无限大的密度的确是存在的，因为在黑洞的引力作用下，物质会不断向中心坍缩。无论是大黑洞，还是小黑洞，用它的质量除以一个无限小的体积，都会得出一个无限大的密度。虽然我们无法理解无限大的密度是如何存在的，但它的确是存在。

根据宇宙大爆炸假说，宇宙也诞生于一个奇点，而这个奇点的物理性质与黑洞之中的奇点是相同的，如果我们把宇宙间所有的物质都变为基本粒子的形态，然后聚合在一起，那么得到的就不是一点，而是一个球，很大很大的球。而这显然与奇点的性质不符。我们无法理解奇点的构成，但奇点是一个密度无限大的点却是一个事实，而我们之所以无法理解密度为什么会无限大，很可能是因为在奇点之中，现有的物理法则都是失效的，所以超越了我们的认知。

黑洞的密度和体积都是有限的。应用到史瓦西方程的相对论值表明，黑洞的边界维数是其能量的线性函数。黑洞的体积大小随着额外引力能的作用而直接增大，而正常恒星的大小则会减小。一个正常恒星扭转收缩并开始膨胀的关键点就是黑洞形成的那一点。

黑洞的初始能量等于形成它的恒星的内部能量(质量)。史瓦西方程的相对论值表明，当黑洞膨胀时，边界加速度和体积、能量密度保持恒定。因此，黑洞消耗的额外引力能转化为增大其尺寸，而不是增大其边界力

视界的半径与总质量成正比。在它的中心，有一个广义相对论预言的奇点，它的体积为0，密度为无穷大。

这也是一个非常重要的线索，说明广义相对论并不完美，以及为什么物理学家希望量子引力理论能够预测一些奇怪但非奇点的物理现象，从而防止坍塌，直至奇点出现。这是有先例的——一个世纪以前，物理学家们在研究原子时遇到了困难，因为经典电磁学预测电子会螺旋进入原子核，同时放射出它们的能量，导致原子崩溃。量子力学解释了为什么电子不能完成向内螺旋。

坍塌中没有奇点。体积为0 /黑洞奇点是不可能的。奇点不能产生引力!只有普通的和黑洞的原子可以由于速度/动能产生引力!视界就是引力强大到你无法逃离黑洞的点。如果你增加一个黑洞的质量，你就增加了它在一定距离处施加的引力。然而，如果你想要一个恒定的引力(阻止任何物体逃逸的力，任何额外的力都是不必要的，因为任何物体受到的引力已经超过了不可返回的点)，同时增加质量，你必须增加半径。

举个例子:假设你只需要10000牛的力来阻止光的逃逸。假设你有足够的质量来施加这个力，距离黑洞中心10公里(即事件视界半径为10公里)。现在你的质量是黑洞的四倍。它在10公里处施加40000牛的力。这是防止10公里外的光线逃逸所需的四倍。距离这个质量是黑洞四倍的黑洞需要多远才能感受到10000牛的引力?20公里。视界是原来的两倍大，但力不变，因为质量是原来的4倍(都通过方程F=Gmm/r联系起来)

黑洞是真实存在的快速旋转的天体。黑洞在捕获量、物质/引力和动能/角速度上都不同。黑洞充满了黑洞原子。