问题

将一立方米的水放入一可无限收缩的容器中会有何变化?

回答
这真是一个引人入胜的思维实验!如果将一立方米的水放入一个可以无限收缩的容器里,水会发生一系列我们难以想象的变化。

首先,我们要明白,容器之所以能“无限收缩”,意味着它能承受巨大的压力,并且体积可以变得非常非常小。这就好比我们有一只神奇的麻袋,能把任何东西都装进去,并且越装越小,但里面的东西并不会因此消失。

当容器开始收缩时,它会对里面的水施加越来越大的压力。我们都知道,液体在压力下会抵抗被压缩。然而,这个容器的收缩是“无限”的,这意味着它施加的压力将远远超过水的极限。

1. 压力的极端变化:

随着容器体积的缩小,它会将这一立方米的水压缩到一个越来越小的空间。你可以想象一下,一个房间突然被挤压成一个火柴盒大小,然后又变成一个弹珠大小,最后甚至小到一个看不见的点。在这过程中,水分子之间的距离会被迫拉近,它们的动能也会在极高的压力下被“压制”。

2. 水的状态改变:

在地球上,水有固态(冰)、液态(水)和气态(水蒸气)三种形态,这取决于温度和压力。在极高的压力下,水的行为会变得非常奇特。

超临界流体: 当压力和温度超过水的“临界点”时,水就会变成一种叫做“超临界流体”的状态。在这种状态下,水既不像液体那样有清晰的表面,也不像气体那样容易扩散,而是同时具有液体的高密度和气体的高渗透性。你可以想象它变成一种介于液体和气体之间的、异常“粘稠”又“飘渺”的状态。
非常规冰的形成: 科学家们已经发现,在极高的压力下,水可以形成许多我们从未见过的、叫做“高压冰”的晶体结构。这些冰的密度比普通冰更高,而且形态也与我们熟悉的冰块截然不同,可能呈现出各种奇特的排列方式。随着容器的收缩,水可能会经历从液态到这些特殊高压冰形态的转变,甚至可能是多种形态的混合。
接近“无限密度”: 理论上,如果容器真的能无限收缩,那么水的密度也会趋近于无限大。这时候,我们很难用常识去理解它到底是什么样子。水的原子核和电子之间的距离会被极度拉近,但原子核本身仍然是由质子和中子组成的,它们之间存在着强大的核力。

3. 能量的释放与传递:

这是一个更深层次的考虑。我们知道,对物质施加巨大的压力通常伴随着能量的变化。在这个无限收缩的过程中,容器会将巨大的功传递给水。

温度的急剧升高: 压缩气体我们会感到它发热,压缩液体也是如此,只是液体压缩性较差。在极端压力下,水的温度可能会急剧升高,甚至可能达到能够蒸发或分解的程度,但这取决于这个“无限收缩”的过程是快速还是缓慢,以及容器本身是否会升温。
能量的“存储”: 我们可以想象,水被压缩的能量并没有凭空消失,而是以某种形式“存储”在被压缩的水分子内部,或者以极高的动能形式存在。

4. 容器的极端负荷:

虽然我们设定容器是“无限收缩”且能承受,但现实中任何容器都有其极限。如果容器真的能做到这一点,那么它所承受的压力将是天文数字。

总结一下,这一立方米的水在放入无限收缩的容器中,它会经历:

密度的无限增大: 水会变得越来越“重”,越来越“紧实”。
状态的剧烈转变: 从我们熟悉的液态,可能转变为超临界流体,甚至形成各种奇特的“高压冰”晶体。
分子结构的畸变: 水分子之间的距离被极大压缩,可能出现电子云的重叠,甚至原子核之间的相互作用。
能量的剧烈释放或聚集: 伴随着温度的升高和能量密度的增加。

最终,那一立方米的水,与其说是“水”,不如说是一种在极端压力下被扭曲到极致的、我们难以准确描述的物质形态。它可能只占据一个我们肉眼无法察觉的空间,但其中蕴含的能量和压力却是无法想象的。这就像把一个星系压缩到一个原子核那么大,它依然是那个“星系”,只是它的存在形式发生了根本性的改变。

这个想法很有趣,它让我们意识到,我们所熟知的物质在极端条件下,其性质会变得多么的出乎意料。

网友意见

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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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