¿Existe un límite sobre cuán densa puede ser la materia?

La materia más densa conocida es el núcleo de un agujero negro supermasivo de más de mil millones de masas solares. Se discute mucho si esa es una singularidad de densidad infinita, como lo sugiere la Relatividad General sin Mecánica Cuántica, o si simplemente está empaquetada en un espacio más pequeño que un protón, con alguna estructura cuántica, como se sugiere en la gravedad cuántica de bucle.

Es un principio básico de la mecánica cuántica que ninguna partícula se puede limitar a un espacio más pequeño que su longitud de onda, lo que sugiere que el núcleo de un agujero negro tendría una estructura en capas, con cada capa compuesta de partículas de la misma masa. Podemos comparar esto con la estructura cuántica en capas de los átomos.

• Los electrones tienen la longitud de onda más larga y son las características más grandes de un átomo.
• El núcleo está formado por neutrones y protones, con una masa mucho mayor y longitudes de onda mucho más pequeñas.
• Los neutrones y protones están formados por quarks y gluones con longitudes de onda mucho más pequeñas todavía.

Sin embargo, tenemos muy poca idea de qué partículas podrían existir en un agujero negro, y no tenemos una teoría de la gravedad cuántica elaborada con suficiente detalle para decirnos si esa imagen es correcta o para darnos más detalles. Sabemos que los protones y los neutrones no pueden existir a tales densidades, y que una estrella de neutrones en colapso tendría que convertirse en bosones de algún tipo, pero no más que eso. Por lo tanto, no sabemos, y no podemos adivinar, cuál podría ser el perfil de densidad de un núcleo de agujero negro.

No está claro qué tan denso era el universo primitivo, suponiendo que no se originó en una singularidad. La materia normal y la antimateria no aparecieron hasta después de la época de inflación. En algún momento, se habría convertido en un plasma de quark-gluon, pero no sabemos qué formas de materia habrían dominado antes de eso. Casi toda la materia y la antimateria se aniquilaron, dejando solo un pequeño remanente de materia.

Bajo el modelo astronómico actual, la respuesta parecería ser no.

Las circunstancias normales dan lugar a una materia bastante densa, por ejemplo, el núcleo de un átomo tiene una densidad de aproximadamente 200 000 000 000 000 000 kg / m3 (2 × 10 ^ 17). Además, ciertas partículas como los electrones no parecen tener volumen en el sentido tradicional (es decir, se consideran funcionalmente “partículas puntuales” que son de dimensión cero, pero no creo que esto describa la realidad; es solo una construcción útil para cálculos y visualización). Pero hay un objeto mucho más denso en el universo conocido y observado: el agujero negro.

Un agujero negro es un lugar donde la materia se comprime en un solo punto, bajo los modelos actuales de astronomía. (La teoría de cuerdas puede tener algo que agregar a eso, pero por el momento, no se puede probar y, por lo tanto, el modelo actual es el que tenemos). El horizonte de eventos describe la “superficie” de un agujero negro, pero a diferencia de Star Trek , el horizonte de eventos no existe físicamente; es simplemente una especie de límite, delimitando la ubicación relativa a la “singularidad” donde es imposible que algo escape. La singularidad misma es, al menos hipotéticamente, infinitamente densa; A los físicos no les gusta ver el infinito en la ciencia (porque el infinito generalmente significa “¡Uy! Acabamos de dividir por cero …”) y la noción de una singularidad infinitamente densa plantea problemas tanto filosófica como matemáticamente, pero es lo mejor que tenemos actualmente.

Como ejemplo de las dificultades matemáticas de una singularidad infinitamente densa, tome la ecuación que describe la gravitación newtoniana:

F = (GM1M2) / d ^ 2

En una singularidad, la distancia entre dos partículas es cero; Esto da como resultado una cantidad infinita de gravedad. Esto ciertamente explicaría por qué nada puede escapar de un agujero negro, pero deja mucho que desear en el ámbito de la viabilidad filosófica y matemática.

En resumen, la materia más densa que no plantea preguntas que actualmente no podemos responder es el núcleo atómico (que yo sepa).

Espero que esto responda tu pregunta.

No per se, pero es un tema un poco confuso.

Por ejemplo, supongamos que tengo un recipiente que está lleno de hidrógeno a una presión de una atmósfera y temperatura estándar. Entonces tendría una densidad de 0.08988 g / L.

Si comprimo el recipiente a la mitad de su tamaño, la presión se duplica y la densidad también. Por el contrario, si expando el contenedor para duplicar su tamaño, la presión y la densidad disminuyen.

Puedo lograr estos mismos efectos agregando o eliminando hidrógeno al contenedor. Si elimino la mitad de las moléculas, la presión y la densidad se habrán reducido a la mitad.

Si continúo eliminando gas, la densidad continuará disminuyendo. Pero, ¿qué sucede si me queda un recipiente que tiene una molécula de hidrógeno? ¿Tengo un recipiente lleno de gas hidrógeno a una presión extremadamente baja y una densidad extremadamente baja? ¿O tengo un vacío con una molécula de hidrógeno perdida? Si es lo último, ¿cuántas moléculas tengo que agregar antes de pasar de vacío a gas? Si es lo primero, ¿qué tan grande puedo hacer el contenedor? El tamaño de la tierra? ¿El sol? ¿El sistema solar?

Por lo tanto, no parece haber un límite práctico para la densidad de la materia en el extremo inferior, excepto para decir que debe ser una cantidad mayor que cero.

En el otro extremo del espectro tenemos un par de cosas a considerar.

Probablemente el material más denso que pueda concebirse es el neutronio, el material del que están hechas las estrellas de neutrones. Puede tener una densidad de hasta 4 × 10 ^ 17 kg / metro cúbico. Esos son órdenes de magnitud más densos que cualquier material “normal”.

Si intentas superar esa densidad, comienzas a hablar de agujeros negros, y las cosas en ese punto son simplemente extrañas. No estamos seguros de lo que sucede al otro lado del horizonte de eventos. Quizás toda la masa de un agujero negro está realmente empaquetada en una singularidad de volumen cero y, por lo tanto, tiene una densidad que es efectivamente infinita; Pero simplemente no lo sabemos.

Por lo tanto, puede que no haya un límite superior en la densidad, pero cualquier cosa más densa que aproximadamente 4 × 10 ^ 17 kg / metro cúbico ya no “tiene sentido” de manera cotidiana.

Se cree que el límite es el plasma Quark-gluón, también llamado Sopa Quark. Ligeramente más denso que el neutronio, el supuesto material de las estrellas de neutrones.

Todo esto es especulativo. Sabíamos que las estrellas de neutrones son demasiado pequeñas y masivas para ser materia normal o incluso materia degenerada. Pero exactamente lo que son es incierto.

Se ha sugerido que la teoría de cuerdas permitiría algo aún más denso. Y que puede sentarse dentro de los agujeros negros más grandes, evitar la necesidad de una singularidad.