地球上で最も密度の高い物質は何ですか?

宇宙で最も密度の高い物質について言えば、最高密度は当然ブラックホールであり、その中心にある特異点の密度は無限大、つまり測定不能である。 2番目は中性子星で、密度は10億〜20億トン/cm^3です。

これらの物質は地球上には存在できません。もしそうなら、私たちは存在できないでしょう。

地球の密度は層状になっており、物質が深いほど密度は高くなります

地球の構造は一般的に、地殻、マントル、核の 3 つの層から成ります。空気と海水も含めると、大気圏、水圏、地殻、マントル、核の 5 つの層になります。さらに細かく分けると、マントルは上部マントルと下部マントルに分けられ、核は外核（液体層）、遷移層、内核に分けられます。

さて、まずは大気から始めて、物質の層ごとの密度について話しましょう。大気は空気の層です。 0℃のとき、海面での気圧は1気圧、空気の密度は1.293kg/m^3（キログラム毎立方メートル）です。高度が上がるにつれて、気圧は低くなり、空気の密度は低くなります。

地球上で最も高い山であるエベレストは、海抜 8,848.86 メートルです。そこの気圧は海面の約30%です。同じ温度であれば、気圧と密度は正比例するため、その場所の空気密度は海面の約 30% になります。

気体物質の観点から見ると、圧力が高くなるほど、物質の密度も大きくなります。実際、他の形態の物質についても同じことが言えます。圧力が高ければ高いほど、物質の密度は大きくなります。地表から下に行くにつれて、圧力はどんどん高くなり、したがって物質の密度もどんどん高くなります。

水圧は深さとともに増加し、深さ 10 メートルごとに 1 気圧増加します。そのため、地球の海の最も深い部分であるマリアナ海溝では、水深は12,000メートルに達し、水圧は1,200気圧に達します。しかし、水の密度は温度とより密接に関係しています。密度は摂氏4度で最も高くなり、約999.972kg/m^3になります。一般的には1g/cm^3（立方センチメートルあたりのグラム数）が使用されます。

地球上の一般的な圧力下では、温度が上昇または低下すると水の密度は減少し、一般的な圧力は水の密度にほとんど影響を与えません。そこで、人々は水を介して強い圧力を伝達して機器の部品を鍛造する油圧プレスを発明しました。

海水の密度は塩分濃度と密接に関係しており、通常は 1.02 ～ 1.07 g/cm^3 の範囲です。一般的な水圧は水の密度にほとんど影響を与えないため、地球の最深部であるマリアナ海溝の底でも水の密度に大きな変化は見られません。

地球上の物質の平均密度は5.518g/cm^3です。水を除いて、他の物質の密度は深さによって異なります。

地殻は主に岩石で構成されており、平均厚さは約 35 キロメートル、平均物質密度は 2.6 ～ 2.9 g/cm^3 です。上部マントルは地殻の下、地表から約 980 キロメートルの高さにあり、物質の密度は 3.2 ～ 3.6 g/cm^3 です。下部マントルは地表から980〜2900キロメートル離れており、物質密度は5.1〜5.6 g/cm^3です。

外核は地表から2900〜4700キロメートルの距離にあり、物質密度は10.0〜11.4g/cm^3です。遷移層は地表から4700〜5100キロメートルの間にあり、密度は約12.3g/cm^3です。内核は地表から5100〜6371キロメートルの距離にあり、密度は約12.5g/cm^3です。

地球上で最も圧力が高い場所は核で、その圧力は約 360 万気圧です。これは太陽の核の 3000 億気圧の 0.000012 倍、つまり 10 万の約 1.2 倍に相当します。中性子星の中心核の 10^28 気圧と比較すると、これは 3.6 ppb に過ぎません。

したがって、地球上で最も密度の高い物質は核の深部にあり、1立方メートルあたり約12.5トンです。しかし、これは異なる深さにおける物質の平均密度であり、密度は要素ごとに異なります。

地球のさまざまな元素の密度

一般的に、地球上の物質は、気体、液体、固体、プラズマ、ボーズ・アインシュタイン凝縮の 5 つの状態に分けられます。一般的に、通常の物質の密度は気体状態で最も小さく、次に液体状態で小さく、固体状態で最も大きくなります。もちろん例外もあります。たとえば、コルクは固体であり、液体よりも密度が低くなります。

プラズマ状態とは、高温や高圧の環境下で物質の原子内の電子が部分的に放出され、原子核と電子が分離すると同時に、それらが密に混ざり合ってクラスターを形成している現象です。太陽は巨大なプラズマの球体であり、高温の炎、雷、電弧、蛍光灯の点灯などの現象で見ることができます。ボーズ・アインシュタイン凝縮は、絶対零度（-273.15℃）に近い人工的な条件下での物質の特殊な性質です。今日は、これら 2 つの形式の物質については説明しません。

人類は118個の元素を発見しました。密度の点では、金属元素が最も高い密度を持ちます。一般的な金属元素の密度は、鉄 7.87、銅 8.96、銀 10.5、鉛 11.34、水銀 13.55、金 18.88、タングステン 19.3、プラチナ 21.45、イリジウム 22.42、オスミウム 22.48 です (g/cm^3)。

現在、最も密度の高い元素はオスミウムで、元素記号はOs、原子番号は76、相対原子質量は190.23、融点は3045℃、沸点は5027℃以上です。これは非常に硬いが脆く、乳鉢で粉砕できる灰青色の金属です。粉砕されたオスミウム粉末は青みがかった黒色で、自然発火する可能性があります。その蒸気は非常に有毒で、人間の目を強く刺激し、ひどい場合には失明を引き起こします。

オスミウムは埋蔵量が極めて少ない極めて希少な金属です。他の鉱床にも分散しています。毎年世界で入手可能なオスミウムの総量はキログラム単位で測定されます。

いくつかの元素は埋蔵量が少なすぎたり、自然条件下では非常に不安定であったりするため、人類が発見した 118 個の元素のうち 26 個は人工的に得られたものです。これらの人工元素は、極限条件下で衝突型加速器内で「衝突」されます。量は極めて少なく、原子が数個しかないものもあります。例えば、元素番号 118 Og の原子は 3 つしか得られず、しかもその数はわずかでした。この元素の存在は精密機器による検出を通じて初めて世界の科学界に確認され、認められました。

人工元素のブラックスチレン（ブラックと発音）は、化学記号 Hs、原子番号 108、相対原子質量 265 を持ち、遷移金属であり、密度が約 40.9g/cm^3 で、現在までに最も密度の高い元素です。この要素の半減期はわずか 0.5 ミリ秒です。 1 秒は 1000 ミリ秒に相当します。 0.5ミリ秒はどれくらいの長さですか?したがって、自然界にはまったく存在できません。 、

地球上で、最も密度の高い物質はおそらくタリウム元素です。これらの元素は、宇宙の特殊な天体物質の密度と比較すると非常に小さいため、比較することができません。

なぜ中性子星のような極めて高密度の物質が地球上に存在できないのでしょうか?

これは、地球の質量が太陽の 33 万分の 1 と非常に小さいのに対し、その体積は半径 6,371 キロメートルと非常に大きいためです。中性子星の質量は太陽の少なくとも1.44倍であり、その半径はわずか10〜20キロメートルであることを知っておく必要があります。つまり、中性子星の質量は地球の少なくとも47万倍であるのに対し、その半径は地球の637分の1から318分の1に過ぎず、体積は地球の1000万分の1から1億分の1程度に過ぎないのです。

ニュートンの万有引力の法則によれば、重力の大きさは質量に比例し、距離の二乗に反比例し、F=GMm/r^2 と表すことができます。このことから、惑星の質量が大きく体積が小さいほど、その表面が重力の中心に近くなり、重力の強さ（時空の曲率とも呼ばれる）が大きくなることがわかります。

この法則によれば、天体の重力加速度を計算する式 g=GM/R^2、または重力式 G=mg が得られます。ここで g は重力加速度を表し、単位は m/s^2 (メートル/平方秒) です。 G は重力定数です。 M は天体の質量で、単位は kg (キログラム) です。 R は天体の重心からの距離で、単位は m です。

この式に基づいて、地球の重力加速度 g≈9.8m/s^2 (メートル/平方秒) を簡単に計算できます。これは、重力 g≈9.8N/kg (ニュートン/キログラム) とも理解できます。単純に計算すると、半径 20 キロメートル、質量が太陽の 1.44 倍の中性子星の場合、重力は g≈4802.4 億 N/kg となり、これは地球の重力の約 490 億倍になります。この中性子星の質量が太陽の 3 倍で、半径がわずか 10 キロメートルの場合、重力は g≈4002 億 N/kg となり、これは地球の重力の約 4084 億倍になります。

地球上のすべての物質は原子で構成されており、原子は電子の硬い外殻を持っています。原子核は原子の中心部に隠れており、原子の体積の数千億から数兆分の一を占めるだけですが、原子全体の質量の 99.96% を占めています。したがって、原子で構成されたすべての物質は、ミクロの世界から見ると空です。

しかし、地球上でこの硬い電子殻を突破することはほぼ不可能です。これを突破するには、ハドロン衝突型加速器で光速に近い速度で粒子の衝突を人工的に作り出すしかない。この高速衝突は強い圧力も生み出すことができるが、地球上ではこの圧力は微小な粒子レベルでしか生み出せない、あるいは中性子星の物質レベルに達しているともいえるが、人間の目には見えず、つかの間のものだ。

中性子星の巨大な重力により、原子は押しつぶされ、電子は原子核の近くで圧縮されるため、物質の密度は数千億倍から数兆倍に増加し、非常に高密度の物質となります。しかし、地球上では、そのような巨大な圧力を形成することは不可能であり、当然、中性子星のような高密度物質が存在することも不可能です。

高密度の天体の質量が大きいほど、その体積は小さくなり、最終的には無に帰します。

中性子星の極めて巨大な重力の圧力により、私たちが知っているすべての地球物質の原子殻が押しつぶされ、負に帯電した電子が原子核に圧縮され、正に帯電した陽子と中和されて中性子になります。元の中性子と一緒に、中性子星惑星全体が中性子で構成された巨大な原子核になります。これが中性子星の名前の由来です。

中性子星の密度は原子核の密度、あるいはそれ以上に達します。原子核は中性子で構成されているため、中性子間の縮退圧（相互反発力）によって星の形が維持されています。この現象はパウリの排他原理と呼ばれます。この原則については過去に何度も言及されているので、今日は詳しく説明しません。

一般的に、中性子星の質量が大きいほど、重力圧が大きくなり、中性子縮退圧によって維持される星体の密度が圧縮され、体積が小さくなります。中性子星は強力な重力によって近くの天体や星間物質を絶えず捕食し、その質量は増加し続けます。質量が太陽の約3倍に達すると、中性子の縮退圧力によって自身の重力を支えることができなくなり、爆発するか急速に崩壊してブラックホールになります。

ブラックホールの質量と体積の関係は、シュワルツシルト半径原理に従います。いわゆるシュワルツシルト半径とは、あらゆる物質がその質量の臨界半径を持つことを意味します。この臨界半径まで縮小する限り、それは必然的にそして不可逆的にブラックホールになります。

シュワルツシルト半径の式は、R=2GM/C^2 です。ここで、R はシュワルツシルト半径、G は万有引力定数、M は天体 (または任意の物体) の質量、C は光速です。

この式によれば、太陽のシュバルツシルト半径は約 2952 メートル、地球のシュバルツシルト半径は約 8.8 ミリメートルとなります。太陽の3倍の質量を持つ中性子星がブラックホールに崩壊すると、シュワルツシルト半径は9000メートル未満になります。

ブラックホール理論によれば、シュワルツシルト半径はブラックホールの体積ではなく、ブラックホールの質量がそれ自身の周囲に形成する球面曲率空間です。ブラックホールの質量実体は、ブラックホールの中心にある無限に小さな特異点に隠されています。私たちの世界にすでに存在するこの特異点は、その周囲に無限の曲率、つまり無限の重力を持つ球状の空間を形成します。この球状の空間はシュワルツシルト半径と呼ばれます。

しかし、太陽も地球もブラックホールになることはできません。なぜなら、太陽も地球も、自身の質量のシュワルツシルト半径内に押し込めるほどの圧力がないからです。宇宙では、太陽の約3倍の質量を持つ中性子星などの高密度の天体だけが、ブラックホールに圧縮される重力を持っています。一方、恒星がブラックホールを形成するには、太陽の30～40倍の質量を持ち、死ぬ前に超新星爆発を起こす必要があります。

物質がブラックホールのシュワルツシルト半径（ブラックホール事象の地平線とも呼ばれる）に近づき、吸い込まれると、後戻りすることはできず、特異点に落ちることしかできなくなります。これが、ブラックホールが宇宙のすべての物質を飲み込み、その質量と事象の地平線がどんどん大きくなる理由です。これは、ブラックホールどころか、中性子星の物質が地球上に存在できない理由でもあります。これについてどう思いますか?議論へようこそ。読んでいただきありがとうございます。

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