最容易压缩的物质应该是气体,比如水肺潜水中压缩气体瓶就是储存高压空气的,氧气瓶里的氧气是压缩的,但乙炔瓶中的乙炔是溶解在丙酮中的,还有液化石油气这些已经不能算压缩了!但无论那种,都可以高压方式储存,那么液体也固体也能高度压缩方式存在吗?
分子间的距离与压缩
空气或自气体能被压缩是因为气体分子的间距很大,比如标准温度下的氧气分子平均距离为3纳米,而一个氧分子的大小约为0.3纳米,因此从理论上来看,氧气可以被压缩一千倍,但实际上常规氧气瓶的压力上限为15Mp(兆帕)换算为大气压就是147个大气压,也就是被压缩了147倍,民用氧气压缩储存,这已经是极限了!
液体比如水分子之间的间距就已经极小了,而且水有一种奇特的性质,它在高温和低温时都会膨胀,这使得它在地球上适合生命存在,因为水结的冰如果比水密度大,那估计就完蛋了,冰将会沉到海底,慢慢整个海洋都会结成冰!而冰浮在水面上,阻止了水进一步结冰,水下生命得以保存。
但水就很难压缩了,那一点点间隙,理论上在100MPa的压力下,水的体积可以被压缩约4%,马里亚纳海沟最深处斐查兹海渊底部的水压差不多就是这个压力,所以那里的水真的会被压缩了!正因为这种特性才可以做成水压机,和油压机中的介质油脂具有同样的效果,它们都是属于分子间隙极小的液体。
水压机的结构
当然固体比液体更甚,所以在人类的这点微末道行下,液体和估计都不可能被大幅压缩,即使我们常见的锻打,也仅仅是消除应力,晶粒细化和消除缺陷而已!
如果才能做到压缩固体
现代科技已经能做到将黑不溜秋的碳加工成金刚石,也就是俗称的钻石,碳的密度1.8g/立方厘米,而金刚石的密度则是3.52g/立方厘米,几乎就提高了一倍,当然这也是人类能够达到的极限了,再高就只能实验室里达到了,比如爆炸瞬间的高温高压,以及激光冲击在物质表面是局部产生的高压,当然这些都无法和氢弹爆炸时内核的压力对比!
而在地球内核因为厚厚的地壳,达到了400万个大气压,这里的物质能像流体一样流动,也比钢铁还要坚硬!铁镍质的内核密度达到了10.7克/立方厘米,但其实铁的密度是7.87克/立方厘米,也就高了1/3而已,所以固体压缩是极其困难的!
还能再继续压缩吗?
理论上当然是可以,压缩在突破了电磁力所能支撑的极限后,就到了电子简并力的量子力学世界,原子核外部的电子围绕原子核运动时,由于费米子的泡利不相容原理,所以它们无法聚集在一起,因此当继续被压缩时,电子简并力就会对抗比进一步压缩,这就是恒星内核的白矮星物质!
行星状星云的中心就是一颗白矮星
它们的压力来自于引力坍缩,太阳的未来就是一颗白矮星!
继续压缩将成为中子星物质
突破了电子简并力极限,那么电子进入原子核,质子与电子结合形成中子,但中子也是费米子,无法取得同一基态,成为以中子简并力支撑的中子星物质。
中子星物质继续压缩可能成为夸克星物质,最后可能成为黑洞!
有朋友经常喜欢问一小块中子星物质到地球上后会怎么变化,其实中子星物质就是原子核的密度,据说原子核和原子大小的差异就相当于乒乓球和体育馆的差距一样,你可以想象这个密度会增加多少倍!
中子星结构
但它不会解压缩,因为此时的中子星物质全部都是中子构成的物质,0号元素!脱离中子星后会变成自由中子,会在大约十分钟内衰变成质子,并且释放出0.782343MeV的能量,中子的质量大约为中子的质量是939.56MeV,亏损大约0.8‰左右的质量,各位可以计算下了,一块一立方厘米的中子星物质大约有上亿吨,这0.8‰亏损的质量也是数万吨,一克质量完全转化为能量就是广岛原子弹的能量!
各位可以大概估算下,一小块中子星物质在地球上后,它所释放出来的能量到底有多大,可能以原子弹当量都不太好计算了!
人类能达到的极限压缩是多少呢?
人类能达到中子星内部的条件吗?可能不止!
人类能产生的最大压力是在加速器内部,大型强子对撞机内部撞击时产生的压强,大约能达到宇宙大爆炸10^-12S时发生的事情,这个条件比中子星内部的条件强不知道多少倍,仅次于黑洞!不过很可惜这些都无法用来压缩宏观物质,仅仅只能用来微观甚至量子世界的科学研究。