将一立方米的水放入一可无限收缩的容器中会有何变化？ 第1页

这个问题涉及的内容不少，我们慢慢道来。本人曾经回答过一个类似的问题，本文就在原来的回答的基础上增加修改而成。

盒子体积慢慢缩小，也可以认为是外加的压力不断增大。而这样的一个过程和天文中的恒星的演化有着一定的相似性。恒星从最开始的星云在引力的作用吸引到一起进而发生反应，不过恒星的演化是和恒星的质量有关系的，而此处对水的压缩可以看作是一个超大质量，或者说远大于太阳质量的恒星的演化。因此，以下的部分过程我会参考恒星的演化过程进行分析。

1、第一阶段

水分子结构还能维持住的阶段，这个阶段主要是经典的热力学过程。我们先看一下水的相图

图中横坐标是温度，纵坐标是压强。从上图中可以看到，水有三种相结构，分别是气态、液态和固态，这个大家都知道，但是对于固态，却存在着多种不同的晶格结构。如果我们缓慢的缩小盒子，则相当于逐渐增加压强，当然还有温度这个变量，为了简便起见，不妨假设此时盒子与一个恒温源接触，也就是说水的温度保持不变。那么由水的三相图很容易的看出，只让压强增加，水的相点竖直向上移动，一定是会移动到固态相中的。

因此在这个阶段，水由液态变为固态。这个过程水放出热量，但是由于水的压缩比很小，实际上盒子的体积几乎没有什么变化。

2、第二阶段

水分子是由两个氢原子和一个氧原子构成的。此时，我们类比恒星的演化，盒子不再与恒温源接触，而且假设压缩的速度比较快，内部热量传到外面比较慢。此时随着压缩的继续，水的温度会上升，当升高的一定程度后，水分子的动能非常大，已经远大于氢氧化学键的能量了。在水分子高速运动下，氢氧化学键被打破，氢原子核也无法束缚住电子，整个系统变为一团“等离子体”，包含大量高速运动的电子、质子（即氢原子核）、氧离子等。

继续压缩，系统温度继续升高，质子的动能继续增大，以至于质子质子之间的电磁排斥力也无法阻碍质子的靠近。此时，质子质子之间的主要相互作用力就是核力了，实际上，此时质子之间的核力也是排斥的。继续增高，最终，质子质子会突破核力，发生核聚变。

这一阶段的聚变过程分为三个步骤：

• 两个氢核反应生成一个氘核（由一个质子和一个中子构成，是氢的同位素）
• 氘核与一个氢核反应，生成一个He3（由一个中子核两个质子构成）
• 两个He3发生反应，生成一个He4（由两个质子和两个中子购车），同时还会生成两个氢核

总的看来，这个过程等效于四个质子合成一个氦原子核。氦原子核有四个核子，氢原子核只有一个核子，因此这个过程伴随着体积的减小，假设氢原子和氧原子的半径相近，则体积变为：

,

同时伴随着大量的热量的释放。剩下的物质已经不能叫做水了，应该是氦和氧的混合物。不过氦元素不容发生化学反应，猜测结果是固态氦和固态氧的混合物。这个过程相对稳定，对应于恒星演化的主序星阶段。比如说，太阳现在主要的过程是就发生核聚变，四个氢原子核变为一个氦原子核。核聚变也是一个类似的过程。

在这个阶段，体积减小，逐渐降为二分之一，释放大量热量。

3、第三阶段

体积进一步压缩，温度再次升高，进而使得氦发生核反应。这个过程会逐渐的产生更重的元素，比如碳以及氧，由于碳和氧的原子核中核子数较多，因此体积会减小的更多。此时对应恒星的“氦闪”。这个阶段相对于第二阶段迅速短暂，当然，不同于恒星，这地方是放在盒子里，因此不会有“红巨星”出现。为了简便，我们可以认为最终就只有碳和氧了。

此时，体积已经小了很多了，根据恒星这个阶段，也就是白矮星，物质的密度已经达到了 ，可以说密度是相当大了。此时继续加压，进而会发生更进一步的核反应，具体细节就不表了，最终就是全部聚变为铁，生成一块铁疙瘩。恭喜题主，点水成铁。

在这个阶段，体积大大减小，放出大量热量，变成一块铁疙瘩。

4、第四阶段

此时再继续加压压缩，铁原子外面的电子的简并压已经无法抵挡这股压力了，被压入原子核。我们知道，电子是费米子，满足泡利不相容原理，原子核外的每个电子“轨道”上只能有两个电子（因为电子可以处于两种不同的自旋态），在宏观上看，就相当于电子之间有一股排斥力，对外形成一个压力，就叫做简并压。

原子核有质子和中子构成，质子带正电，中子不带电。被压入原子核的电子与质子反应变成中子，因此原子核变成完全由中子构成的物质了。本来由于电磁排斥而保持距离的原子此时变成一堆聚在一起的中子，当然由于中子之间还有强相互作用，因此也会保持一定的距离，但是这个过程体积大大减小。一般原子的半径为 的量级，而原子核为 ，因此这个过程水的体积骤降 倍！！！这是一个什么意义呢？直观的说，假如最开始这个盒子和地球一样大，地球的半径为 ，则这样压缩后变为一个半径为 的球！

此时，就是一个完全由中子构成的一坨物质，在天文学上有一种天体就是这样的，就是传说中的中子星。

在这个阶段，体积骤降 倍，变成一坨完全由中子构成的物质。

4.5、中子星内部结构

虽然说中子星叫做中子星，但是实际上，中子星内部的具体结构到目前为止还没有被完全了解，实际上，中子星内部是不是完全由中子构成还是一个迷。在中子星内部的核心，也有很大可能是处于夸克物质，而不是中子物质。

传统认为的中子星内部典型结构如下图所示

由于中子星从表面到内核的所感受到压力是不一样，从外到内压力逐渐增加，因此，不同半径出的结构也应该是不同的。在外地壳中，中子结合成核，形成一个固体晶格。随着深入地壳，核变得越来越大，中子越来越丰富。超过一定大小后，中子开始从原子核溢出并滴落，形成自由中子海洋，原子核晶格浸入其中。这标志着我们过渡到内壳。在这里，在地壳（或“地幔”）的底部，我们发现了复杂的核结构。通常我们希望核是球形的，但是在这里核会变形并融合，形成称为“核子通心面”（Nuclear Pasta）的奇异形状。超过这一点，我们进入中子星的核心。为了直观的理解这些相，可以用水来做类比。水有气态液态固态等形式，水蒸气可以在液态水中形成气泡，液态水也可以以小液滴的形式存在于气态水中。核子通心面的特征是复杂的非球形图案，例如管子，薄片和气泡。这些形状如下图所示：

质子和中子并不是基本粒子，而是由夸克构成的。夸克与夸克之间通过强相互作用形成复合粒子，比如说三个夸克就能构成所谓的强子（Hadron）。质子和中子都属于强子，质子是由两个上夸克和一个下夸克够成的，中子是由一个上夸克和两个下夸克构成的。当密度非常小时，强子物质的形态为气态，而随着密度不断增加，强子之间的间隔会不断的缩小，当密度超过某一个临界值时，强子强子之间会出现重叠，再继续增加密度，强子物质还能保持完整的个体吗？类比原子→核子的过程，很高的密度下，是否会出现强子→夸克的这样一个变化？在中子星的内核部分，中子是否会被压碎，形成夸克由夸克直接构成的内核？或者，有没有可能直接形成所谓的“夸克星”？我们所认为的中子星会不会就是夸克星？

所以，在这一阶段，很有可能形成非均匀相，变为核子通心面。

第五阶段：形成黑洞。压缩终止。

对于恒星的演化我们可以参考下图：

此时，这一立方米水的体积是如此之小，以至于很难用肉眼被看到，但是它完成了自身的蜕变与升华，由一坨普通的水，变成了宇宙中的霸者——黑洞。

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