水真的不可壓縮嗎?如果將水一直壓縮,會發生什麼?
2024/04/08

水真的不可壓縮嗎?如果將水一直壓縮會發生什麼?這個問題很有意思,因為在壓力足夠大的情況下,水其實是可以壓縮的。為了方便描述,我們可以假設有一台極為堅固容器,可以承受極高的壓力,同時還有一台可以提供超強壓力的壓力裝置,能夠不停地對水進行壓縮。準備就緒之后,我們就可以開始了。

從水的三相圖可以看到,當壓力達到一定程度的時候,水就會變成固體,通俗來講就是結冰,所以當我們啟動壓力裝置之后不久,就可以看到容器里的水結冰了,不過這樣的情況只是暫時的,隨著壓力的不斷提升,冰的固體結構很快就被破壞,其體積也大幅縮小,此時我們將會看到,容器中的物質居然開始發光。

這是發生了什麼呢?簡單來講,在此過程中,水分子之間的氫鍵首先斷裂,不久之后,水分子內部的氫氧鍵也發生了斷裂,在這種情況下,容器中的物質也就不是水了,而是一大堆氫原子和氧原子。

而我們壓縮水,其實就是在對水做功,這就相當于將壓力裝置的能量轉化成了水的內能。

隨著水的內能不斷增加,其溫度也會持續上升,當達到一定程度時,這些氫原子和氧原子內部的電子,就得到了足以脫離原子核束縛的能量,于是容器內的物質也就轉化成了由一大堆氫原子核、氧原子核以及電子構成的高溫等離子體,并因為高溫而開始發光。

不過這只是一個開始,隨著壓力裝置的持續工作,我們將會發現,容器內的物質發出的光越來越亮,其體積甚至還出現了膨脹的趨勢,以至于我們不得不加大壓力裝置的功率,才能阻止其膨脹。

為什麼會這樣呢?這是因為此時容器內的溫度和壓強,已經達到了氫原子核發生核聚變的條件,它們會不斷地聚變成氦原子核,并釋放出大量的能量,進而推動容器中的物質出現膨脹的趨勢。

也就是說,這相當于我們制造出了一顆「人造太陽」,而此時容器里的物質密度,就與太陽核心的密度差不多,大概就是150克/立方厘米。好在我們的超級容器確實非常堅固,能夠牢牢地束縛住這個「人造太陽」,使得我們可以在安全地欣賞自己杰作的同時,繼續進行壓縮。

當然了,對于我們的超級壓力裝置來講,繼續進行壓縮是沒有問題的,于是我們進一步加壓,容器里的壓強和溫度也繼續上升,在此過程中,氦原子核也開始聚變,接著氧原子核也開始聚變……

在接下來的時間里,容器里的物質通過核聚變不斷地生成越來越重的元素,如氖、鈉、鎂、硅、磷、硫、鈣等等,同時也釋放出了越來越多的能量,這會對我們的「壓縮工作」造成很大的阻力,不過當核聚變進行到鐵元素的時候,這種阻力就不存在了,為什麼呢?因為鐵的聚變不會釋放出能量,反而會吸收能量。

所以在核聚變進行到鐵元素之后,容器里的物質就會被進一步壓縮,但我們很快就遇到了更大的阻力——「電子簡并壓」。

我們知道,宇宙萬物都是由各式各樣的微觀粒子構成,通常來講,我們將負責傳遞各種作用力的粒子稱為「玻色子」,將構成物質的粒子稱為「費米子」。

而「費米子」有一個重要的特點,那就是對于同種類型的「費米子」來講,它們不愿意其他的小伙伴與自己占據相同的量子態,這也被稱為「泡利不相容原理」。

由于電子就是一種「費米子」,因此當它們的密度被壓縮到一定程度的時間,它們就會因為「泡利不相容原理」而產生一種抵抗壓縮的壓力,這就被稱為「電子簡并壓」。

實際上,當我們進行到這一步的時候,容器里的物質密度其實就與宇宙中的那些白矮星相當,而白矮星的密度,大概就是將太陽壓縮到地球那麼大的密度,可以說是很離譜了。

接下來,我們再次加大功率,在更加巨大的壓力下,「電子簡并壓」很快就支撐不住了,以至于容器中的原子核全部被壓碎,變成了一大堆質子和中子,而電子則與質子結合在一起,也形成了中子,所以我們就得到了一大堆的中子。

然而我們很快又遇到了另一種阻力,這次的阻力來自于中子,因為中子也是「費米子」,我們將其壓縮到一定程度的時候,中子也會產生「中子簡并壓」。

在這個時候,容器里的物質變得極為致密,其密度已經與宇宙中的那些中子星相當,而中子星的密度,可以高達2 x 10^15克/立方厘米,也就是每立方厘米20億噸。

為了克服「中子簡并壓」,我們將功率調到了最大,而我們的超級壓力裝置果然不同凡響,它怒吼著爆發出連「中子簡并壓」也無法抗衡的力量,進而對容器里的物質進行了進一步地壓縮,于是我們看到……這些物質似乎消失了,仔細觀察后我們發現,容器之中竟然出現了一個黑洞!

好吧,在進行到這一步時,我們也就不要再考慮繼續壓縮了,畢竟黑洞已經是已知宇宙中最致密的天體,即使在我們的想象中,它也不可能再被壓縮了。另一方面來講,地球人都知道黑洞有多可怕,所以我們還是先走為妙……

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