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水真的不可压缩吗?如果将水一直压缩会发生什么?

 魅力科学君 2024-01-19 发布于四川

水真的不可压缩吗?如果将水一直压缩会发生什么?这个问题很有意思,因为在压力足够大的情况下,水其实是可以压缩的。为了方便描述,我们可以假设有一台极为坚固容器,可以承受极高的压力,同时还有一台可以提供超强压力的压力装置,能够不停地对水进行压缩。准备就绪之后,我们就可以开始了。

从水的三相图可以看到,当压力达到一定程度的时候,水就会变成固体,通俗来讲就是结冰,所以当我们启动压力装置之后不久,就可以看到容器里的水结冰了,不过这样的情况只是暂时的,随着压力的不断提升,冰的固体结构很快就被破坏,其体积也大幅缩小,此时我们将会看到,容器中的物质居然开始发光。

这是发生了什么呢?简单来讲,在此过程中,水分子之间的氢键首先断裂,不久之后,水分子内部的氢氧键也发生了断裂,在这种情况下,容器中的物质也就不是水了,而是一大堆氢原子和氧原子。

而我们压缩水,其实就是在对水做功,这就相当于将压力装置的能量转化成了水的内能。随着水的内能不断增加,其温度也会持续上升,当达到一定程度时,这些氢原子和氧原子内部的电子,就得到了足以脱离原子核束缚的能量,于是容器内的物质也就转化成了由一大堆氢原子核、氧原子核以及电子构成的高温等离子体,并因为高温而开始发光。

不过这只是一个开始,随着压力装置的持续工作,我们将会发现,容器内的物质发出的光越来越亮,其体积甚至还出现了膨胀的趋势,以至于我们不得不加大压力装置的功率,才能阻止其膨胀。

为什么会这样呢?这是因为此时容器内的温度和压强,已经达到了氢原子核发生核聚变的条件,它们会不断地聚变成氦原子核,并释放出大量的能量,进而推动容器中的物质出现膨胀的趋势。

也就是说,这相当于我们制造出了一颗“人造太阳”,而此时容器里的物质密度,就与太阳核心的密度差不多,大概就是150克/立方厘米。好在我们的超级容器确实非常坚固,能够牢牢地束缚住这个“人造太阳”,使得我们可以在安全地欣赏自己杰作的同时,继续进行压缩。

当然了,对于我们的超级压力装置来讲,继续进行压缩是没有问题的,于是我们进一步加压,容器里的压强和温度也继续上升,在此过程中,氦原子核也开始聚变,接着氧原子核也开始聚变……

在接下来的时间里,容器里的物质通过核聚变不断地生成越来越重的元素,如氖、钠、镁、硅、磷、硫、钙等等,同时也释放出了越来越多的能量,这会对我们的“压缩工作”造成很大的阻力,不过当核聚变进行到铁元素的时候,这种阻力就不存在了,为什么呢?因为铁的聚变不会释放出能量,反而会吸收能量。

所以在核聚变进行到铁元素之后,容器里的物质就会被进一步压缩,但我们很快就遇到了更大的阻力——“电子简并压”。

我们知道,宇宙万物都是由各式各样的微观粒子构成,通常来讲,我们将负责传递各种作用力的粒子称为“玻色子”,将构成物质的粒子称为“费米子”。

而“费米子”有一个重要的特点,那就是对于同种类型的“费米子”来讲,它们不愿意其他的小伙伴与自己占据相同的量子态,这也被称为“泡利不相容原理”。

由于电子就是一种“费米子”,因此当它们的密度被压缩到一定程度的时间,它们就会因为“泡利不相容原理”而产生一种抵抗压缩的压力,这就被称为“电子简并压”。

实际上,当我们进行到这一步的时候,容器里的物质密度其实就与宇宙中的那些白矮星相当,而白矮星的密度,大概就是将太阳压缩到地球那么大的密度,可以说是很离谱了。

接下来,我们再次加大功率,在更加巨大的压力下,“电子简并压”很快就支撑不住了,以至于容器中的原子核全部被压碎,变成了一大堆质子和中子,而电子则与质子结合在一起,也形成了中子,所以我们就得到了一大堆的中子。

然而我们很快又遇到了另一种阻力,这次的阻力来自于中子,因为中子也是“费米子”,我们将其压缩到一定程度的时候,中子也会产生“中子简并压”。

在这个时候,容器里的物质变得极为致密,其密度已经与宇宙中的那些中子星相当,而中子星的密度,可以高达2 x 10^15克/立方厘米,也就是每立方厘米20亿吨。

为了克服“中子简并压”,我们将功率调到了最大,而我们的超级压力装置果然不同凡响,它怒吼着爆发出连“中子简并压”也无法抗衡的力量,进而对容器里的物质进行了进一步地压缩,于是我们看到……这些物质似乎消失了,仔细观察后我们发现,容器之中竟然出现了一个黑洞!

好吧,在进行到这一步时,我们也就不要再考虑继续压缩了,毕竟黑洞已经是已知宇宙中最致密的天体,即使在我们的想象中,它也不可能再被压缩了。另一方面来讲,地球人都知道黑洞有多可怕,所以我们还是先走为妙……

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