水可以壓縮嗎？

我們?nèi)粘Ｉ钪兄酪簤合到y(tǒng)，液壓系統(tǒng)說(shuō)白了就是利用液體的壓力來(lái)傳輸動(dòng)力。給人的一種感覺(jué)是液體，或者說(shuō)水是不能被壓縮的。

但事實(shí)真的是如此嗎？答案當(dāng)然是否定的，事實(shí)上，只要足夠給力，萬(wàn)物即可壓。

今天，我們就來(lái)好好聊一聊：水是不是可以被壓縮？

體積模量

要了解這個(gè)問(wèn)題，我們就得像了解一下水的結(jié)構(gòu)。我們都知道，萬(wàn)物都是由原子構(gòu)成的，水也不例外。首先，水是由水分子構(gòu)成的，水分子則是由一個(gè)氧原子和兩個(gè)氫原子構(gòu)成的。

衡量物質(zhì)能不能被壓縮，我們常常用到的是體積模量的概念。這個(gè)體積模量也被叫做不可壓縮量。具體來(lái)說(shuō)，就是當(dāng)一個(gè)物質(zhì)受到表面四周壓強(qiáng)時(shí)，形變程度的度量。

不同的物質(zhì)，實(shí)際上，體積模量也不太一樣。通過(guò)下圖，我們就會(huì)發(fā)現(xiàn)，實(shí)際上，水的體積模量并不算大，鋼和金剛石在這方面的表面要遠(yuǎn)比水出色得多。也就是說(shuō)，從原子的層面來(lái)看這個(gè)問(wèn)題，水實(shí)際上還是可以被壓縮的。只是壓縮的程度并不是肉眼可以直觀地看出來(lái)而已。而體積模量相對(duì)較小的空氣，壓縮的效果就非常明顯。

但你可能要說(shuō)了，這些都是理論，有沒(méi)有相關(guān)的實(shí)踐呢？

事實(shí)上，這個(gè)還真的有，有人真的有做過(guò)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)，它們選用的就是體積模量非常大的金剛石來(lái)做。

具體來(lái)說(shuō)，科學(xué)家是用金剛石對(duì)頂砧來(lái)壓縮水，這種設(shè)備儀器的強(qiáng)度常?？梢愿哌_(dá)幾十個(gè)GPa。我們根據(jù)下圖，可以知道，想要壓縮水，這個(gè)壓強(qiáng)大概要給到1GPa到10GPa左右。因此，利用金剛石對(duì)頂砧來(lái)操作這個(gè)實(shí)驗(yàn)是綽綽有余的。

科學(xué)家在操作這個(gè)實(shí)驗(yàn)的過(guò)程當(dāng)中，就在顯微鏡線觀察到了水被壓縮的過(guò)程，液態(tài)水逐漸在超強(qiáng)的壓力逐漸變成固態(tài)，而后使得水分子之間的氫鍵斷裂，從低密度狀態(tài)壓縮成了高密度的狀態(tài)。也就是說(shuō)，持續(xù)地壓縮，實(shí)際上水會(huì)被壓成“固體”，但是這個(gè)“固體”不同于我們常見(jiàn)的冰，而是密度要遠(yuǎn)高于冰的固體。

因此，水其實(shí)是可以被壓縮的，而且在壓縮過(guò)程當(dāng)中，會(huì)發(fā)生化學(xué)鍵的斷裂。

原子層面

其實(shí)水能被壓縮還可以從原子層面來(lái)看，我們都知道，萬(wàn)物都是由粒子構(gòu)成，水也是如此，一般來(lái)說(shuō)，粒子并不是整整齊齊排列的，而是比較散漫的。

這就意味著，粒子之間是有空間的，而不是緊挨在一起的。所以，在保留原子結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，壓縮的本質(zhì)實(shí)際上是壓縮粒子之間的空間，而在壓縮的狀態(tài)過(guò)程中，物質(zhì)就會(huì)呈現(xiàn)出不同的狀態(tài)來(lái)。上文用金剛石對(duì)頂砧來(lái)壓縮水，其實(shí)就是停留在這個(gè)層面的實(shí)驗(yàn)操作，如果還要壓縮水，以人類目前的科技水平可能未必可以實(shí)現(xiàn)。假設(shè)我們擁有那樣的技術(shù)，此時(shí)會(huì)發(fā)生什么呢？

實(shí)際上，這個(gè)時(shí)候，有一個(gè)種叫做電子簡(jiǎn)并壓的量子效應(yīng)。具體來(lái)說(shuō)是這樣的，原子實(shí)際上是電子和原子核構(gòu)成的。

當(dāng)我們開始?jí)嚎s原子結(jié)構(gòu)時(shí)，外層的電子就會(huì)受到壓力，此時(shí)由于有泡利不相容原理的存在，電子就會(huì)產(chǎn)生抵抗外界壓力的力，這就是電子簡(jiǎn)并壓。

如果外界壓力小于這個(gè)電子簡(jiǎn)并壓，那原子的結(jié)構(gòu)還會(huì)得以保留。如果外界壓力要大于電子簡(jiǎn)并壓，那么電子就會(huì)被壓入到原子核當(dāng)時(shí)。實(shí)際上，這個(gè)物質(zhì)就會(huì)變成中子星物質(zhì)。意思是說(shuō)，這個(gè)物質(zhì)幾乎就是一坨中子。這是因?yàn)殡娮訅喝氲皆雍水?dāng)中，電子和質(zhì)子會(huì)發(fā)生反應(yīng)，生成中子和中微子，中微子由于穿透力很強(qiáng)，產(chǎn)生后就跑掉，所以，只剩下中子。

這個(gè)在宇宙中也時(shí)有發(fā)生，恒星演化到晚期時(shí)，核心部位在引力作用下就有可能產(chǎn)生中子星。中子星屬于高密度的天體，一勺中子星就上億噸重。

宇宙中，除了中子星，還有許多致密的天體，比如，白矮星也是致密的天體，只不過(guò)它是出于電子簡(jiǎn)并壓抵抗住引力的狀態(tài)。而黑洞則是比中子星還要?dú)埍┑拇嬖?，它的引力十分巨大，以至于中子的?jiǎn)并壓都沒(méi)抵抗住，光到黑洞附近都會(huì)被吸進(jìn)去，因此，黑洞也是十分致密的天體。

所以，從原子層面來(lái)看，水也是可以被壓縮得，只不過(guò)會(huì)需要十分巨大的外力，只是我們目前還不具備這樣的技術(shù)條件。