強行壓縮水會發生什麼?壓縮到極限會變成黑洞,把地球吞掉

2020-12-23 華箋流香

水由氫原子和氧原子構成,原子的質量主要集中在原子核上,但是原子核的體積非常非常小。

如果一個原子有一個足球場那麼大,原子核只有足球場中間趴著的螞蟻那麼大。從體積上來說,原子的體積比原子核的體積要大10,000億倍。

而且,在原子核外圍運行的電子體積是無窮小。

所以,原子中間絕大部分都是空隙,當然是可以壓縮的。通常水不能被壓縮,是因為原子核和電子都帶電,接近的時候會產生強大的斥力(包括簡併壓力)。

水難以壓縮,但是也不是完全不能壓縮。

大家坐好,現在我們就開始壓縮水的旅程,看看在高壓下水到底會發生什麼變化。

在1萬個大氣壓之內,水的體積幾乎不會變。

在15萬個大氣壓下,一個1米×1米×1米的立方體水,會變成0.99米×0.99米×0.99米,水的體積只會縮小百萬分之1。

這個時候什麼也不會發生。

繼續增大壓力,加壓到45萬個大氣壓。分子之間的距離縮短,分子內部的共價鍵斷裂。然後氫原子在液體狀態下旋轉,部分電子脫離原子核的束縛。這個時候水會變顏色,從透明變成了不透明和黑色。

繼續加壓到480萬個大氣壓,這個壓力已經超過了地球最中心的壓力(380萬個大氣壓)。

這個時候水會突然從黑色變得有光澤,核外電子變成金屬中的電子,這就是所謂的金屬氫。

這樣巨大的壓力,可以用金剛石頂砧實現。

●2017年,美國哈佛大學西爾維拉團隊最終在465到495 GPa之間的壓力下製造出了金屬氫。

480萬個大氣壓,是地球上機械壓力能夠實現的極限。

在木星的內部也有這樣的壓力,所以木星的內部有一大團金屬氫。

但是,即使壓縮到這個程度,氫原子離能夠產生核聚變的程度還差得很遠。

繼續加壓到3000億個大氣壓。這就是太陽內部的壓力,這個時候水的體積會縮小到原來的1%。1米×1米×1米邊長的水立方體,會壓縮成0.22米×0.22米×0.22米的水立方體。

如果這個時候的水(當然這個時候已經不是水了,為了方便我們仍然這樣叫)仍然維持常溫,仍然不會發生核聚變。

因為這個時候原子核和原子核之間的距離仍然非常巨大,而且它們之間有強大的庫倫斥力。

維持3000億個大氣壓的壓力,同時把水的溫度加熱到一千五百萬度,才會產生極其緩慢的核聚變。

因為不可能4個原子核同時碰在一起,只有兩個原子核按照概率碰撞,每4個氫原子平均要700萬年才能變成一個氦原子。

這還要藉助一種所謂的隧道效應,來跳過電斥力形成的能量壁壘(隧道效應的強弱和溫度有關)。

在這種情況下,0.22m×0.22m×0.22m的氫氧混合等離子漿體只能放出0.04瓦的功率。連一個LED的燈珠都點不亮。

在地球上實現如此高的壓力和溫度,需要藉助雷射的光壓。

這個裝置通常用來模擬核爆炸,中國的模擬裝置叫做神光,美國的叫做國家點火裝置。

美國國家點火裝置,位於加利福尼亞州,全稱為:勞倫斯利弗莫爾國家實驗室美國能源部國家點火設施,簡稱NIF。

這個裝置使用192個雷射器,把光束投射到靶室中間的一個含有聚變材料的微型玻璃球上,產生極高的溫度和壓力,點燃聚變材料。

NIF中使用的雷射束從主振蕩器開始,作為一個單一的低能(紅外)雷射脈衝,持續時間從100萬億分之一秒到250億分之一秒。光束被分成48個新的光束,通過單獨的前置放大器,每束光的能量會提高100億倍。

然後,這48束光束中的每一束又分成4束新的光束,被送入192個主雷射放大器系統。每束光通過特殊的玻璃放大器和可調反射鏡來回傳輸,將光束再放大約15000倍,將其波長轉換為紫外線。

最後,192束光被射入直徑10米的真空靶室,在1/10,000億秒的時間內,在雷射器的聚焦中心可以產生1億度的高溫和1000億個大氣壓,引發核聚變。

這是人類能夠製造的最高的壓力和溫度,只有在這種情況下,水才會爆炸。

繼續增加壓力,把一立方米的水壓縮成半徑1.68*10^-26米的小球,水會變成一個噸級別的微型黑洞,就會把地球給吞掉。

但是,這是地球上的技術無法實現的。

理論上,歐洲強子對撞機可以製造出極其微小的黑洞,但是由於質量太小,黑洞會很快蒸發。

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