Question

黑洞的密度极限究竟是多少？有哪些科学依据？

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Answer 1

由于黑洞内部被设想为一个无限膨胀的史瓦西奇点，因为它是不存在密度极限的，换而言之，它的密度“无上限”。这是早在上世纪三十年代，史瓦西，爱因斯坦在构建黑洞理论的时候，就已经发现的一个结论了。

我们都知道，黑洞，堪称是人类在探索天文学的道路上，发现的最神秘莫测，最具破坏力的一种天体。黑洞尽管无处不在，于宇宙中的任何一个角落都留下了自己的足迹；甚至，近期NASA的研究表明，太阳系边缘就存在一个微型黑洞；

但是，黑洞的震慑力，却一骑绝尘，毕竟在它恐怖的史瓦西半径内，不论是光子还是中子星，都无法摆脱它的束缚。那么，黑洞庞大的引力到底来源于什么呢？第一，是它的质量；据目前学术界的普遍观点来看，中型黑洞的平均质量就已经达到了太阳的五十倍以上；

第二，是因为黑洞的密度。史瓦西黑洞从何而来？它被认为是大质量恒星经过坍缩之后，自内而外收缩到了一个点中，由此才逐渐形成了吸积盘，视界等等独一无二的标志，让完整的黑洞成型。

那么，黑洞是不是也有一个“密度极限”呢？答案让人非常震惊：黑洞是一个无上限的天体。这要从黑洞视界中心的一个大名鼎鼎的物质开始说起：史瓦西奇点。没错，就是让可观测宇宙应运而生，时空无限膨胀的奇点。

奇点的定义是什么？不被任何现有的物理定律所包容，无法被目前的科学理论所解释。对奇点来说，密度这些限制它生长的条条框框都是不存在的；

所以，黑洞也不会存在什么“极限密度”。毕竟，这早在上世纪三十年代，爱因斯坦和史瓦西提出黑洞理论的时候，就已经被他们声明了。

Answer 2

史瓦西确定了黑洞是存在，但史瓦西的支撑点是光速不能逃逸为条件，如这个不能成立，而黑洞观察又存在又该如何。无论黑洞大小，内质量和密度应一致，都是一个最最基本粒子的承压极限内，否则就会爆炸。而这个最最基本粒子一定是现在科学家手里粒子模型中最底层的粒子，可惜现在还没发现，有可能还真是…，现在的粒子模型只是又一张元素周期表。

作为封闭体系的天体，其演化是一个密度逐渐增大的过程。最终，物极必反，以大爆炸的形式解体，还原为离散的形态。因此，天体演化的本质，就是不断地增加密度来抵抗引力的作用。

于是，普通的天体如行星是由分子构成的，恒星是由原子构成的，白矮星是靠电子的运动来抵抗引力的。而中子星，顾名思义是由中子构成的。如果天体的密度进一步地增大，则中子会被压碎，还原为不可再分的最小粒子。该粒子就是由普朗克常数h定义和定量的量子，具有本征质量和半径。

正是由于物质因挤压而还原为最小粒子，才使天体密度的增大达到了极限。此时的天体密度之大，即便是光子也无法逃脱。由此，该天体被命名为黑洞。所以，黑洞与其他天体不同，其是由能量构成的，是能量的耗散结构，即能量的聚集。因此，黑洞密度的极限就是量子之间的距离趋近于零，即相当于量子体积的倒数。

由于量子的体积很小，且具有不可再分的特性。因此，我们可以将量子视为弹性碰撞的实体粒子。于是，根据气体半径的公式，我们只要知道空间量子的自由程和量子空间的密度，就可以计算出量子的半径，从而得到黑洞密度的上限。这相当于我们在集市中穿行，只要知道平均走多远会撞上人，且知道集市人群的密度，就可以大致计算出人的体积。

根据微波背景辐射绝对温度2.7k和热力学能量公式，计算出空间量子的能量。由普朗克常数h除以该能量，就等于空间量子的弛豫时间即频率的倒数，为3.6x10-12秒。由弛豫时间乘以光速就得到了空间量子的自由程约为0.1厘米。

由于强相互作用的范围很窄，其是空间量子间距附近密度极大变化的产物。因此，空间量子的间距近似为最小原子核的半径，约为3x10-12厘米。此间距立方的倒数就是量子空间的密度，约为每立方厘米含有4x10的40次方个量子。

于是，我们把量子的自由程和量子空间的密度代入公式，就计算出了量子的半径，约为3x10-21厘米。于是，量子半径立方的倒数就是黑洞所含量子的密度上限，约为每立方厘米含有10的62次方个量子。该密度比目前的量子空间密度，高出了22个数量级。

实际上，我们的宇宙在大爆炸之初，其内部只有量子，是量子的等离子体。因此，黑洞密度的上限也是宇宙的密度最大值。宇宙、黑洞和基本粒子都是由作为最小粒子的量子构成的，都是能量的耗散结构，它们属于同一层次的物质。

黑洞的密度有多大？如果把我们的地球压缩成一个黑洞，那么它的体积将只有直径1.8厘米，相当于一个小玻璃球那么大，这样的密度是不是让人叹为观止？

如果将我们的地球压缩成中子星，那么它的直径将在22米左右，如果压缩成白矮星，其直径大概在二三十公里左右，很显然，同样的质量之下，黑洞的密度最大。

然而这样的说法却又是不严谨的，因为小质量的黑洞和大质量黑洞的密度完全不同，也就是说黑洞的密度并不是一个固定值，而是变化极大，体现为质量越大的黑洞的密度越小，很是有点匪夷所思。

计算黑洞体积的大小，有一个史瓦西半径公式，是从物体逃逸速度的公式衍生而来，通常物体的速度若小于一个天体的逃逸速度，就不能摆脱其引力束缚，会被该天体吸引，无法脱离轨道而逃逸到星际空间。所以当特定质量的物质被压缩到黑洞的该半径值之内，将没有任何已知类型的力可以阻止该物质在自身引力的条件下将自己压缩成一个黑洞。

黑洞的史瓦西半径公式为：Rs = 2GM/c^2 ; 其中Rs为史瓦西半径，G为引力常数，M为星体质量，c为光速。

如果仅从史瓦西半径看，所有半径尺度和质量大小的黑洞的都是可能存在的，而且黑洞的半径与质量成正比，又因为球体体积与半径的立方成正比，那么当黑洞质量增加时，体积的增加程度将大于质量，这样黑洞的密度就会变小，因此当黑洞的质量达到一定程度时，密度就会很小。

比如如果将太阳你要说成一个黑洞，那么史瓦西半径计算其半径将为3000米左右，也就是说太阳会成为一个直径6公里左右的黑洞，但是我们知道地球的质量相当于太阳的33万分之一，体积是地球130万倍，同比例的话，太阳变成黑洞的体积应该也是地球的33万倍，然而很显然，一个直径6公里左右的大球中，能放下的直径1.8厘米的玻璃球的数量远不止33万个，也不是130万个，就是33亿个也不止，数量可达百万亿。

再如银河系中心黑洞的直径约为4500万公里，其质量约为太阳的431万倍，那么计算一下就会发现，银河系中心黑洞的体积也远超过431万个太阳变成黑洞的直径6公里的体积。

还有人计算发现，如果把我们银河系的质量看着一个黑洞的话，那么它的密度比空气还稀薄，而如果把我们的宇宙的质量看作一个黑洞，那么它的密度也大概就是每立方厘米中有5个原子，比我们所谓的真空还有空虚得多，不过它将和我们宇宙的密度几乎一样，这也就是说如果我们的宇宙是个黑洞的话，那么这个黑洞的体积几乎和我们的宇宙一样大。

所以，如果以黑洞的体积来计算其密度，那么黑洞的质量越大，或者说体积越大其密度将越小。

不过我们必须要明白的是，我们所说的黑洞的体积都是一个虚拟体积，因为这种定义和计算方法都是以黑洞的史瓦西半径来说的，史瓦西半径的最外端就是黑洞的视界边缘，然而它并非黑洞的实体界面，这只是一种虚拟体积概念，实际上一般认为黑洞的物质集中地是其内部的奇点，但是我们对黑洞中的世界还一无所知，只是推断认为黑洞中的奇点是密度无限大体积无限小的点，它的密度肯定是要高过中子星的，和黑洞的视界体积密度也完全不同。

Answer 3

现有的科学无法探测密度的大小，只能了解黑洞的大体形状以及特点。

Answer 4

现有的科学无法探测密度的大小，只能了解黑洞的大体形状以及特点。