为什么物质的密度不能无限大

密度是每单位体积的质量。同样大小的两件东西，越重的就代表密度越大。对于同一种物质，一般固态、液态的密度大于气态。日常生活中绝大部分的东西密度都比空气大，所以不会飘浮在半空，而气球里充入密度比空气小的氢气或氦气之后，气球就会浮上天空。那么另一方面，物质的密度能不能无限大呢？

我们所见到的物质都由原子组成，物体密度是由该物体原子或分子间的距离决定的。在气体中，原子、分子们就好像在溜冰场上的人彼此拉开距离，但又频繁地冲撞，平均距离很大，密度很小。而在液体中，原子们类似节假日闹市拥挤的人流；在固体中，原子们就好像阅兵式整齐列队的士兵，一个挨一个整齐排列，密度很大。但无论密度大小，原子内部都是非常空旷的。原子核仅仅占了原子约10万分之一的体积，原子其他地方被电子占据。电子遵守量子力学“泡利不相容原理”，它们不会紧挨在一起，而是相隔很开，因此保持了原子的大小。

玻色-爱因斯坦凝聚过程

组成世界的基本粒子可分为“玻色子”和“费米子”两种。费米子服从泡利不相容原理，即一个状态只能有一个费米子。我们可以把状态想象成楼梯的台阶。把玻色子和费米子想象成小石块。在一个台阶上可以放任意数量的玻色子小石块，但是在一个台阶上最多只能放两个费米子小石块（自旋方向不同，因此石块处于不同状态）。泡利不相容原理就是不可能将两个以上的费米子小石块同时放在一个台阶（轨道）上。

美国物理学家费米

电子是费米子，原子中电子的各种轨道就是这种“台阶”。因此电子只能一个一个地填满轨道，使原子的大小固定，密度就不会无限增加上去。如果电子是玻色子，那么所有的电子将聚积在离原子核最近的那条轨道上，原子会变得小很多倍，更不会组成分子，我们的世界将不会这么丰富多彩，也不会出现生命。

在地球上，物质都是由原子组成的，因此密度最大的物质就是那些原子紧密排列的固体，如石头和金属等。那么地球之外，有没有密度比固体还要大的物质呢？答案是有的，但不再是由原子组成物质。一些恒星死亡时，会残留下密度远大于固体的“白矮星”，即原子被破坏，电子被挤出，原子核紧密排列在一起。更大的恒星死亡时，会使电子都被挤压进原子核，形成密度更大的“中子星”。如果更大的恒星死亡，会留下黑洞，密度大得超乎想象，其内部结构是什么样子并不清楚，还在研究之中。但这些物质都已经不是我们通常意义上所说的由原子组成的物质了。因此仅对由原子组成的物质来说，因为电子是费米子，物质的密度便不会无限增加。（张文卓）

【微博士】撒纸测核弹

费米是历史上少有的在理论和实验方面都做出重大贡献的物理学家。世界第一颗原子弹爆炸时，距爆炸中心14千米外的掩体内，费米和同事们观看试验情况。当爆炸后形成的强大热气流到来时，费米把事先准备好的碎纸片从头顶上撒下，碎纸片落到他身后约2.5米处，由此费米推算出那原子弹的威力约为1万吨TNT当量。

【微问题】你见过密度最大的物体是什么？

【关键词】超流体　费米子　玻色子