如果给水施加极端高压，会发生什么？

笔者 东邪

学过中学化学的朋友应该知道，世界上任何物质都是由基本粒子组成的，目前人类已经确定的基本粒子单位就有原子、分子、离子等。其中原子是最常见的基本单位，大多数化合物都是由不同元素的原子通过化学键连接在一起而组成的。以水分子为例，一个水分子由两个氢原子和一个氧原子通过化学键连接起来，那么氢原子和氧原子里面又有什么东西呢？

根据原子结构模型，原子内部由原子核和核外电子组成，原子核内又由中子和质子组成。但原子内的空间十分广阔，原因是原子核的体积非常小。如果将一个氢原子的体积比喻成一座篮球场，那么原子核相当于一个篮球场里面的一只蚂蚁。虽然原子核的体积非常小，但原子几乎所有的质量都集中在原子核上。

因此有人产生了压缩液态水的想法，通过不断给液态水施压来压缩原子内部空间，这样做能成功吗？

科学家如何发现原子的内部结构？

在探讨该问题之前，我们首先需要了解一下原子可被压缩的前提。最早提出“原子”这一说法的是英国化学家和物理学家道尔顿，他是“原子学说”的创始人。但道尔顿并没有深入探究原子内部的结构，导致人们长期认为原子内部是实心的，原子就像一个极小的实心球。直到1869年有科学家发现了阴极射线后，原子结构的面纱也逐渐被揭开。

德国科学家希托福率先发现阴极射线，之后赫兹、汤姆逊等一批科学家相继对阴极射线进行研究。经过二十多年的研究，最终约翰·汤姆逊通过实验证实了原子内部电子的存在。电子带负电，而原子通常不带电，因此原子核内部应该还存在带正电的基本单位，最终这一猜想得到了广泛的认同，原子模型由此逐渐形成。

文章开头提出了“是否能通过压缩来改变水的性质”的问题，实际上在一般条件下我们只能改变水的形态，低温让液态水变成固态，高温让液态水变成气态，这些变化仅涉及到原子之间的排列和结合方式，并不影响原子的内部情况。但压缩水是一项十分艰难的任务，因为它涉及到了原子的内部结构，该任务必须在极为特殊的情况下才能完成。

在高压下，液态水会发生什么变化？

那么需要什么样的条件才能成功地将水压缩呢？接下来所列举的一些数据有来自真实的实验数据，也有来自科学家的计算。在标注大气压下，我们改变水的本质，也无法压缩它，这就是“抽刀断水谁更流”的原因。从本质上来看，水无法被压缩的原因是原子内部存在简并压力，它让原子在绝大多数情况下都能保持稳定。

但在不断地增加大气压后，水的体积会缓慢发生改变。这种改变在一万个大气压内依然不会发生，只有大气压达到15个标准大气压，水的体积才会出现微小变化。如果对一块体积为1立方米的水进行15万倍标准大气压的加压，那么经过公式计算水立方的边长会减少0.01米，水的体积缩小的幅度只有原来的百万分之一。

如果继续加压到45万个标准大气压，那么氢原子内部开始发生变化，可能出现部分电子摆脱原子核束缚的情况，在宏观上表现为水从原来的透明状态变成了不透明状态。如果继续将压强增加到480万个标准大气压，那么水的状态会从原来的透明变成浑浊，再从浑浊变成有金属光泽，因为这时候水分子的氢原子已经变成了金属氢。

看到这你可能会怀疑以上数据的真实性，但实际上美国哈佛大学科学家西尔韦拉曾在2017年带领他的团队创造出最高495GPa的环境压力，并且依靠这种环境条件从水中获取金属氢。除了人类能创造出如此极端的压力环境之外，地球上任何一个地方也无法营造出这种环境，包括地球的内核，但有天文研究表明木星的内部也能产生出这种压力。

因此如果木星内部存在含有氢原子的液态物质，那么可以推测这些液态物质在极端高压下会变成金属氢。

可以通过压缩水来实现核聚变吗？

在核反应中，核聚变反应所产生的能量要比核裂变反应多，因此科学家们一直在研究如何将核聚变反应可控化，从而发展成一门能源生产效率更高的技术。核聚变的起点是氢元素，它通过将两个氢原子融合在一起形成氦原子，形成的过程中对外释放巨大的能量。那么通过压缩液态水，能实现核聚变吗？

从理论上来说，确实存在这种可能性。根据研究发现，太阳内部的压力达到3000亿个标准大气压，如果将一立方米的水置于这种环境中，那么它会被压缩成边长为0.22米的立方体，但这个时候的立方体内部还无法产生核聚变反应，因为温度还达不到要求。如果在增压的同时将气温提高到1500万摄氏度，那么核聚变才会缓慢开始。

那么要如何在地球上实现太阳内部的过程呢？要想达到极端条件下的高压和温度，就必须用到激光的光压。据了解中国和美国都研发出了用于创造激光光压的装置，其中中国的装置被称为“神光”，美国的装置被称为“国家点火装置”，简称NIF。这两种装置的工作原理相似，都是利用激光束聚焦产生高温和高压，从而营造诱导核聚变发生的环境。

综上所述，只要创造出足够极端的环境条件，平平无奇的液态水也会摇身大变成金属氢。甚至还有研究指出，在实现核聚变的基础上继续加压，一滩水可能还会变成一个微型黑洞，想必这是大家都没有想到的情况。同时这次的思维实验告诉我们，只要肯花时间去思考，很多表象内部的深层道理会被挖掘出来。