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水真的不可壓縮嗎?如果將水一直壓縮,會發生什麽情況?

2024-02-13科學

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根據科學家的研究我們能夠知道,水是生命之源,地球上最早的生命就誕生於水中,根據達爾文的演化論我們能夠得出,地球上的生命都是由最簡單的生物前進演化而來的,由最初的單細胞生物前進演化為多細胞生物,由多細胞生物前進演化為海洋生物,由海洋生物前進演化為兩棲生物,由兩棲生物前進演化為陸地生物,人類就是由陸地生物前進演化而來的,而水的形成能夠追溯到宇宙大霹靂初期,現代科學認為我們的宇宙誕生於138億年前,在138億年前,有一顆奇異點發生了爆炸,奇異點是一個品質無限大、能量無限大、熱量無限大、密度無限大、體積無限小的點,這個點爆炸以後,我們的宇宙快速的向四周膨脹,經過138億年的時間,宇宙才膨脹成我們現在所看到的樣子。而水資源也是在宇宙大霹靂之後形成的。

在宇宙大霹靂剛剛發生的時候,質子、中子和電子都在高達100億度的高溫環境下擠成一團,利用這些基本構建,僅僅用了幾分鐘的時間,氫原子和氧原子就開始形成了,這一過程被稱為是核合成,較重的元素則出現的較晚一些,由於氫元素在恒星內部和超新星爆炸期間的核融合合成,隨著時間的流逝,恒星中誕生的重元素越來越多,包括氫在內的各種元素被源源不斷的送入太空,和更輕的元素相結合,不過氫氣分子和氧氣分子的形成和後續的水的形成還不一樣,因為就算是氫氣分子和氧氣分子混合在一起,也需要能量的激發才能夠變成水,這是一個非常激烈的反應過程,目前科學家也在研究宇宙中早期的水是如何形成的,而地球上的水資源也是經過多種形式形成的。

有一些科學家認為,地球上的水資源和太陽系的形成有關系,在大約46億年前,地球剛剛誕生,這時候的地球還是一個熾熱的、幹燥的、充滿火山的星球,在這樣的環境中,生命是不可能誕生的,不過由於重力的作用,吸引並碰撞了大量的冰塊和彗星,這些冰塊和彗星給地球帶來了地球最初的水分,而且地球本身的形成過程也可能產生水資源,當太陽系的原始物質開始凝聚的時候,由於化學反應,其中的氫和氧結合形成了水分子,這也為地球早的環境帶來了水,很多人認為,地球表面的水資源就是地球上全部的水,其實這個觀點是錯誤的,要知道地球內部的水才是最多的。根據科學家的研究我們能夠知道,地球分為地殼、地幔、地心,地殼的平均厚度從1.6公裏到70公裏不等,一般來說山脈下面的地殼要比海洋下面的地殼更厚。

地殼的下面就是地幔,地幔的總厚度達到了2800公裏,上地幔是由橄欖石、輝石還有其他礦物質組成,下地幔是由矽、鎂、氧等物質組成,在地幔下面就是地核,地核的溫度非常高,地心的溫度比太陽表面的溫度還要高,大約是6000攝氏度左右,科學家認為,地核的主要組成物質就是鐵和其它的金屬物質,其中外地核中的金屬處於液態,內地核中的金屬處於固態,地幔雖然是由固態的巖石組成的,但是高溫和高壓的條件下,這些巖石中的礦物質能夠禁錮水分子,這一功勞還要感謝一種叫做環橄欖石的物質,這種物質在地幔中非常豐富,透過對深地震波的研究和實驗,科學家們估計地幔中可能存在的水量和所有海洋的容量是一樣的,甚至還要更多。而地幔中這些隱藏的水資源對於我們的生活來說也是非常重要的。

首先水能夠降低巖石的熔點,使得它們更容易流動,所以地幔中的水資源對地殼的板塊移動、火山活動和地震有著很重要的影響,除此之外,地幔中的水也可能和地表的水迴圈相互關聯,在特定的地質事件中,比如說板塊下沈、地殼中的水可能會被帶入地幔,與此同時,火山活動能夠將地幔中得水釋放到地球表面,這就說明地球內部和外部的水是能夠迴圈的,水迴圈是指地球上的水在太陽放射線、地球重力等作用下,連續不斷的變換地理位置和物理相態的運動過程,被稱為是水分迴圈或者水文迴圈,在太陽放射線的作用下,從海陸表面蒸發的水分,上升到大氣中,成為大氣的一部份,水汽隨著大氣的運動轉移並在一定的熱力、動力條件下,水汽凝結為液態水或者是固態水降落到地球表面,一部份水分可以被植被攔截或者被植物散發。

降落到地面的水可能形成河流,還有一部份滲入地球內部,根據科學家的研究發現,在全球水迴圈的過程中,大氣環流中的水迴圈是最活躍的,平均每8天更新一次,河流中的水平均每16天更新一次,湖泊中的水平均每17年更新一次,水迴圈透過三個階段(水分蒸發、水氣輸送、凝結降雨、水分下滲)使得地球水資源能夠相互交換,水對於生命來說非常重要,如果沒有水資源,那麽地球上或許不會出現生命,在我們的印象中,水就有三種形態,它們分別是液態、氣態、固態,不過如果我們將水一直壓縮下去,它將會變成另一種形態。在這個過程中,水分子之間的氫鍵會斷裂,不久之後,水分子內部的氫氧鍵首先斷裂,這時候的水已經不能夠稱為水了。而是一堆氫原子和氧原子。

而我們壓縮水,其實就是在對水做功,這就相當於將壓力裝置的能量轉化成了水的內能。隨著水的內能不斷增加,其溫度也會持續上升,當達到一定程度時,這些氫原子和氧原子內部的電子,就得到了足以脫離原子核束縛的能量,於是容器內的物質也就轉化成了由一大堆氫原子核、氧原子核以及電子構成的高溫電漿,並因為高溫而開始發光。看到這裏,相信很多人都會覺得不可思議,不過這還只是開始,隨著壓力的增加,我們會發現,容器內的物質發出的光會越來越亮,其體積還會出現膨脹的趨勢,以至於我們需要更大功率的裝置才能夠將實驗繼續下去,出現這種情況的原因是因為容器內的溫度和壓力已經達到了核融合發生的條件。

相信很多人都聽說過核融合反應,我們的太陽之所以能夠燃燒這麽長時間,就是因為內部核融合的反應,核融合需要滿足很多條件,比如說超高溫度、超高壓力等等,在太陽內部,一開始充斥著品質很小的氫原子,由於高溫高壓的條件,使得其核外電子擺脫了原子核的束縛,讓兩個原子核能夠相互吸引而碰撞到一起,發生原子核相互聚合作用,由於這樣的融合作用,產生了大量的能量,同時也會生成一種新的元素——氦元素,這個時候的氦原子的原子核品質要大於氫原子,在這之後,聚合反應沒有停止,並且新生成的氦元素也會加入反應當中,這樣會使得反應更加劇烈,釋放更大的能量,同時還會產生一種新的元素——鋰元素,一直到鐵元素的形成,核融合才會停止。

這個時候,太陽雖然釋放了巨大的能量,但是本身的消耗也是非常大的,每一次的融合都需要消耗大量的能量,所以太陽的品質一直都在減少,再過50億年的時間,我們的太陽壽命就會走到盡頭,到時候太陽會慢慢停止核融合,變成一顆白矮星。當我們將水擠壓到這種程度之後,水的密度已經和宇宙中的白矮星密度一樣高了,如果這個時候,我們繼續加大壓力,那麽在強大的壓力之下,水將會變成一大堆的質子和中子,而電子則和質子結合在一起,形成中子,這時候我們得到的就是一大堆中子,這時候我們會遇到一種新的阻力,這種阻力被稱為是費米子,費米子是一種自旋為半整數(比如1/2、3/2、5/2等)的基本粒子。自旋是一種類似於旋轉的內稟性質,它決定了粒子的磁性和統計規律。

費米子是構成物質的粒子,比如說電子、質子、中子等都是費米子,電子圍繞原子核運動的時候,必須避免和其它電子處於同一個軌域,這就形成了原子的殼層結構,質子和中子組成原子核,也必須避免和其它核粒子處於同一個狀態,這就形成了核殼層結構,如果沒有包立不相容原理,那麽所有的電子都會聚集在最低能階上,所有的核粒子都會聚集在最小的體積內,物質就會失去多樣性和穩定性,當我們將水壓縮成費米子的時候,這個時候容器裏面的物質密度非常大,已經和宇宙中的中子星密度一樣了,而中子星的密度大約是2*10^15克立方厘米,相當於每立方厘米有20億噸,這時候我們繼續將水壓縮,這時候物質已經全部消失了,我們眼前會出現一個可怕的天體——黑洞。

相信很多人對黑洞都不陌生,黑洞在很早的時候就被科學家提出來了,最早提出黑洞的科學家是約翰.蜜雪兒,他認為,如果一顆天體擁有和太陽一樣的品質,而這個天體的直徑只有3000公尺,那麽這個天體的表面重力一定非常巨大,後來在1796年,法國科學家拉普拉斯曾經預言:如果一顆天體的品質是太陽品質的250倍。而直徑和地球類似,那麽這個天體表面的重力會非常大,連光都無法逃離它的重力,後來到了1916年的時候,愛因史坦利用公式計算出了黑洞,不過當時連愛因史坦本人都不相信黑洞存在宇宙當中,之後德國物理學家卡爾史瓦西給了黑洞一個精確的解釋,他認為當大量的物質集中在一點時,就會使周圍產生視界,一旦進入這個視界,任何物體都會被吸進去,這個神秘的天體被稱為是黑洞。

目前宇宙中的黑洞基本上都是由恒星演化而來的,想要成為黑洞需要滿足一定的條件,當一顆恒星壽命即將終結的時候,核心會因為重力塌縮而形成致密的物質,同時它的外層會被彈射出去形成一個超新星爆發,這個過程中,原來的恒星品質越大,其核心塌縮越劇烈,形成的黑洞也就越大,具體來說,如果一顆恒星的品質大約是三個太陽的品質,那麽它在演化末期會發生重力塌縮,在這個過程中,核心的品質超過了一個臨界值,就會形成一個奇異點,從而形成一顆黑洞,一般來說恒星死亡以後會形成三種不同的物質,品質小的恒星死亡以後會變成白矮星,中等品質的恒星死亡以後會變成中子星,超大品質的恒星死亡以後會變成黑洞。除此之外,黑洞還能夠通多個恒星合並而成。

當兩個恒星在緊密的軌域運動中發生碰撞的時候,它們的品質會合並成一個更大的恒星,而且恒星的品質越大,這個過程就越容易產生黑洞,如果兩個品質足夠大的恒星合並,形成的物體也就會越大,以至於它的核心超過臨界值並且塌縮成黑洞。除了這兩個方式之外,像一些星系中心的超大品質黑洞,是由宇宙大霹靂直接形成的,比如說銀河系中心的黑洞,科學家透過研究發現,銀河系中心的黑洞品質大約是太陽的430萬倍,這種級別的黑洞只有宇宙大霹靂的時候,才能夠誕生,由於黑洞的重力非常強大,所以任何進入黑洞視界範圍內的物質都會被黑洞所吞噬,連光都不例外,這就導致我們無法知道黑洞內部的結構和樣子,不少科學家認為,黑洞可能是穿越時空的入口,因為黑洞在不斷的吞噬物質,這些被黑洞吞噬的物質去了哪裏?

科學家猜測,在黑洞的另一邊可能還存在著一個神秘的天體白洞,黑洞和白洞連線在一起就形成了蟲洞,而蟲洞就是能夠穿越時空的隧道,不過目前科學家還沒有在宇宙中發現蟲洞,黑洞是不是能夠穿越時空?目前科學家也在積極的研究當中,不過著名的物理學家霍金認為,黑洞並不是一個只吃不出的天體,如果一顆長期沒有吞噬物質,那麽它會因為霍金放射線而消失,霍金放射線是黑洞因量子漲落向外放射線粒子的現象。它是理解量子力學與廣義相對論之間聯系的關鍵。然而,在宇宙中,黑洞的霍金放射線因其極低的霍金溫度(納克耳文量級,遠低於微波背景放射線溫度)尚未被實驗證實。為了提高霍金溫度便於實驗觀測,人們提出了利用經典流體、量子流體、光纖等各種人工系統模擬黑洞及其放射線的方案。

然而,到目前為止,玻色-愛因史坦凝聚體中的聲學黑洞的納克耳文量級的霍金溫度依然很難被實驗觀測。光纖中的光學模擬黑洞也備受爭議。其實霍金放射線是一種描述了由黑洞邊界形成的假設粒子,這種放射線的意味著黑洞的溫度和品質成反比,霍金認為黑洞的巨大能量波動會產生虛粒子,每一個虛粒子都有一個正能量粒子和一個負能量粒子,負能量粒子會達到黑洞內部的極點,而正能量粒子也會消耗黑洞的品質,這就是著名的霍金放射線,如果說霍金放射線是正確的,那麽表明黑洞也是會消失的,它會在不斷的放射線中失去品質,慢慢死亡,科學家為了證明這個理論,對黑洞進行了深入的研究,但是這麽多年過去了,霍金放射線還是沒有被證實,但是根據現有的理論來看,科學家普遍認為這個理論是對的,只是我們現在還缺少一個真實的觀測發現。

雖然說水壓縮到最後會變成黑洞,但是這種事情是不可能出現的,畢竟人類的科技根本無法做到這一點,而且如果黑洞出現,那麽整個太陽系都會被黑洞吸進去,所以這只是一種理論而已,不過現在人類無法做到,不代表人類未來不可能做到,人類誕生短短幾千年的時間,能夠在這麽短的時間內走出地球探索宇宙,這說明人類科技發展的速度很快,小編認為,只要人類能夠堅持不懈的努力下去,未來隨著人類科技的進步,人類一定能夠解開黑洞的奧秘,同時我們也能夠解開宇宙誕生的奧秘,小編希望人類能夠早日實作自己的夢想,人類文明能夠長久的發展下去,對此,大家有什麽想說的嗎?