密度是描述单位体积内物质质量的物理量,其国际单位制单位为千克每立方米（kg/m³），常用单位还有克每立方厘米（g/cm³），从微观粒子到宏观天体，物质的密度跨度极大，而“世界上密度最大的物质”这一问题，需要从观测事实与理论预测两个维度来探讨，不同尺度下的“密度冠军”可能截然不同。
宇宙中的密度王者：中子星与夸克星
在目前已观测到的宇宙天体中,中子星是密度最大的宏观物体，中子星是大质量恒星（质量约为太阳的8-25倍）在超新星爆发后，核心引力坍缩形成的极端致密天体，它的半径通常仅10-20公里，但质量可达太阳质量的1.2-2倍，因此密度惊人，以一颗典型中子星（半径12公里，质量1.4倍太阳质量）为例，其平均密度可达约 (8 \times 10^{17} \, \text{kg/m}^3)（即8×10¹⁴ g/cm³），这意味着，1立方厘米的中子星物质质量相当于8亿吨，相当于一座珠穆朗玛峰的质量，中子星的密度之所以如此之高，是因为其核心引力已强大到足以克服电子简并压，将质子和电子压缩成中子，物质几乎完全由中子紧密堆积而成，原子核间的空隙被压缩到极致。
若理论预测成立,夸克星的密度可能超过中子星，夸克星是一种假设的致密天体，由夸克物质构成——在中子星的核心，极端高压可能使中子分解为更基本的夸克（如上夸克、下夸克），形成“夸克汤”，科学家尚未直接观测到夸克星，但一些被认为可能是中子星的天体（如2006年发现的RX J1856.5-3754）表现出异常小的半径和高温，被推测可能是夸克星的候选者，若夸克星存在，其密度可能达到中子星的10倍以上，即 (10^{18} \, \text{kg/m}^3) 量级。
需要区分的是,黑洞的中心存在“奇点”，根据广义相对论，奇点处的体积为零、密度无穷大，但奇点是理论推演的产物，量子引力理论认为奇点可能不存在，而是由未知的量子效应替代，因此黑洞的“密度”并非可测量的物理量，而是数学上的奇点。
微观世界的极限：夸克物质与QCD等离子体
在微观尺度下,“密度”通常指粒子数密度（单位体积内的粒子数）或质量密度，基本粒子（如电子、夸克）没有明确体积，无法定义传统密度，但复合粒子和强相互作用物质可讨论密度。夸克-胶子等离子体（QGP） 是目前人类在实验室中能创造的密度最高的物质形态，2000年代起，欧洲核子研究中心（CERN）的相对论性重离子对撞机（RHIC）和大型强子对撞机（LHC）通过金核、铅核对撞，模拟了宇宙大爆炸后微秒内的状态，形成了QGP，在这种物质中，夸克和胶子不再禁闭在质子、中子内，而是自由存在，其粒子数密度可达 (10^{38} \, \text{个/m}^3)，质量密度约为 (10^{18} \, \text{kg/m}^3)，与中子星核心相当，但QGP仅在极端高温（约10¹²开尔文）和高压下存在，持续时间极短（约10⁻²³秒），属于瞬态物质。
地球上的密度冠军：金属与人工合成物质
在地球自然存在的物质中,锇（Os） 是密度最大的元素，其密度为22.59 g/cm³（或22590 kg/m³），锇是一种铂族金属，原子序数76，原子质量较高，且晶体结构为六方紧密堆积，原子堆积紧密，因此密度远超其他元素（排名第二的是铱，密度22.56 g/cm³），自然界中的锑常以自然锑的形式存在，但储量稀少，主要用于制造高硬度合金、电触头等。
人工合成的物质中,金属氢曾被认为是“密度冠军”的候选者，理论预测，在极高压力（约400 GPa，相当于400万个大气压）下，氢气可从分子态转变为金属态，密度约为液态氢的100倍（约0.7 g/cm³），2017年科学家宣称在实验室中合成金属氢，但样本极不稳定，在压力释放后迅速消失，其密度数据仍存争议。钨合金（密度约19.3 g/cm³）和铼合金（密度约21.04 g/cm³）是工业中常用的高密度材料，但远低于锇。
不同物质密度对比表
| 物质类型 | 代表物质 | 密度（kg/m³） | 密度（g/cm³） | 备注 |
|---|---|---|---|---|
| 基本粒子 | 顶夸克 | 无固定体积，无法定义传统密度 | ||
| 夸克-胶子等离子体 | 实验室QGP | ~10¹⁸ | ~10¹² | 瞬态物质，存在于高能对撞中 |
| 致密天体 | 中子星 | ~10¹⁷~10¹⁸ | ~10¹⁴~10¹⁵ | 目前观测到的宏观密度最大天体 |
| 致密天体（理论） | 夸克星 | >10¹⁸ | >10¹⁵ | 未直接观测，可能存在 |
| 黑洞奇点 | 奇点 | 广义相对论预测，量子引力修正中 | ||
| 地球元素 | 锇（Os） | 22590 | 59 | 自然存在元素密度最大 |
| 地球元素 | 铱（Ir） | 22560 | 56 | 排名第二的元素 |
| 人工材料 | 钨合金 | ~19300 | ~19.3 | 工业常用高密度材料 |
| 人工材料 | 金属氢（理论） | ~700 | ~0.7 | 需极高压力维持，稳定性存疑 |
综合观测与理论,“世界上密度最大的物质”需分场景讨论：
- 宏观观测层面：中子星是目前确认的密度最大天体，核心密度可达 (10^{15} \, \text{g/cm}^3)；
- 理论预测层面：夸克星或黑洞奇点的密度可能更高（甚至无穷大），但尚未被证实；
- 微观与实验层面：夸克-胶子等离子体的密度与中子星相当，但仅能短暂存在；
- 地球物质层面：锇是密度最大的自然元素，人工材料难以超越其数量级。
若以“可观测、可测量”为标准，中子星是当之无愧的“密度之王”；若拓展至理论物理，奇点的无穷大密度仍是未解之谜。
相关问答FAQs
Q1：黑洞的密度是不是最大的？为什么？
A1：黑洞的“密度”无法直接测量，因为其质量集中在中心的“奇点”，根据广义相对论，奇点体积为零、密度无穷大，但奇点可能是理论缺陷，量子引力理论（如弦理论）认为奇点会被“普朗克尺度”的结构替代，此时密度并非无穷大，黑洞的密度并非可定义的物理量，不能简单称为“最大”。
Q2：为什么中子星的密度这么高？中子会继续被压缩吗？
A2：中子星的高密度源于极端引力：大质量恒星超新星爆发后，核心引力坍缩，电子被压入质子形成中子（逆β衰变），原子核结构瓦解，物质几乎由纯中子紧密堆积而成，若中子星质量超过奥本海默极限（约2-3倍太阳质量），引力会进一步克服中子简并压，可能坍缩为黑洞，中子星是中子简并压支持的极限天体，中子无法被进一步压缩，除非质量超过极限形成黑洞。
