光速的一半才能逃出中子星?这是一个怎样的世界?

问:大家都知道,水是不可压缩物质,那么强行压缩水会出现什么事?怎么做到?

其实中子星密度也没什么好稀奇的,假如按中子星的门槛计算密度的话,不过就是和原子核的密度差不多!而原子核就是物质世界中最小组成部分原子的核心而已,去掉了核外电子,剩下的就是原子核!

水的化学式是H2O,是有氢元素和氧元素组成的无机物,从微观的视角来看,水是由水分子构成的。

图片 1

一、中子星是怎么形成的?

液态和固态的水分子之间是通过氢键进行连接,水其实有很多种相态,除了传统的三态,在海底热泉口附近还有温度达到400多度的水。

大实话:水当然是可以被压缩的,水被压缩后体积会变小,密度会增加。

首先要纠正一下这个说法,那就是水是可以被压缩的,并且这个实验大家也都可以做,水被压缩后和其他东西被压缩后的情况差不多,就是体积变小,密度增加。

这个实验要做的话其实也简单,比如说你拿一个注射器,把注射器抽满水,然后把里面的空气排出去,排出去之后,针管里面基本上就是充满了水,这时候,可以用胶把针管的排水口封严,然后我们再用力去压,这时候你会发现,我们还是可以稍微往下压得动的,虽然我们的下压的力度达不到可以观察到水的形态发生变化的程度,但是,这也证明了水是可以被压缩的。只要压力合适,并且容器合适,那么水就可以被继续压缩。

但是,我们的生活经验展示出来的好像是水是不能被压缩的,这主要就是因为地球上不具备这样压缩水的自然环境,因为水分子之间的间距已经是非常小的了,而因为分子间的斥力非常大,所以我们观察到的就是就很难压缩,而一般来讲,当受到200大气压时,水的体积就可以缩小1%。

这种错觉其实也很正常,比如说我们在没有学习物理的时候,应该大多数人都是人为重的东西要比轻的东西坠落更快,但是,我们现在都知道,其实我们所观察到的重的东西下降更快是因为受到的空气阻力远低于其所受到的重力,而轻的东西下降慢,则主要是因为其受到的空气阻力跟重力接近。但是,本质上来说,在真空状态下,轻的东西和重的东西在同一高度做自由落体运动时,下降的速度是一样的。

所以,还是希望大家不要以我们通常看到的表像就对一件事下论断,这是缺乏科学精神的表现,只有我们在普通现象中可以发现其背后的本质原因才会更加有利于我们的生存和发展。

这得从自然界的基本作用力开始说起,已知的四种基本作用力是引力、电磁力、弱力和强力!

而气态、固态、液态,说白了就是水分子之间的间距发生变化造成的。

有理有据,实话实说,关注:大实话。让我们一起用理性的视角看世界。

这个问题,只能说压力不够大。在极强的压力下,没有什么东西不能被压缩的。

水,在人类现有的能力情况下,的确很难把水压缩的更小。假设现在用上亿吨的压力来压极度密封容器里的水,水没有被压缩的话,那么再加到万亿吨,亿亿吨,上百万亿亿吨呢?没试过对吧,试过了再来问吧。

水是可以压缩的,水砂知道么?一粒三克重的水砂经过加热可以变成三十克的水,你用手抓一把水砂就可以加热一瓶矿泉水的水量,在2050年的时候已经广泛用于军事了。士兵们将水砂装进袋子里面,需要的时候再用特殊的容器加热成水使用,携带非常方便!而且如果加热仪器损坏可以直接将水砂吞进肚子里补充水分或者含在嘴里使其自然融化以解除干渴,使用起来也很简单,所以很快就获得了军方的青睐,成为了士兵们的常备之物。不过由于水砂制作的成本较高且对于普通人来说并不是特别需要所以并没有在民间普及开来。

先直接给出答案,水并不特殊,它是可以被压缩的。

图片 2

在常温常压下,水是无色无味的液态。压缩之后密度和体积并没有发生明显的变化,因此,我们可以把水“近似”看成是不可压缩的流体。

宇宙中大多数的物质都可以压缩

如果非要问宇宙中是不是存在不可压缩的东西,我能想到的第一个东西是:黑洞。当然了,黑洞还能不能压缩,客观地说,我们还不得而知。毕竟,对于黑洞内部的情况,我们是知之甚少,我们甚至没有能力去判断我们的理论是不是对的。

除了黑洞之外,不能再被继续压缩的想必就是基本粒子,比如:夸克,电子之类。而我们也知道水是由水分子组成的,水分子又是由氢原子和氧原子构成的,原子又是由电子和原子核构成的,原子核内有质子和中子,它们又都是夸克构成的。

至于电子和夸克再往下还可不可再分,至少依据目前的理论来说,是不可再分的。也就是说,物质最极致和粗暴的排列方式就应该是能把夸克和电子整整齐齐不留缝隙地拍排列。当然,这种情况,我们还没有见过。可我们见过原子核级别的天体,那就是中子星。

中子星就是电子被压到了原子核当中,中子排排列(其实中子星表面还是有电子的),不过中子星内还是有缝隙的,但它的密度已经是极其高了。一勺子中子星就得上亿吨。而中子星实际上就是被引力压出来的。

这几种作用力中能对抗压缩的是电磁力和强力,气体可以被压缩是因为分子间隙比较大!但固体很难压缩,因为原子与原子之间的间隙非常小,能对抗压缩的是结构支撑与核外电子之间的斥力,当然这都是电磁力所提供!但引力是一种源源不断并且可以无限叠加的作用力,当物质的质量增加到电子之间斥力难以对抗时就会被压缩到原子核附近!

压缩水

水的结构

那水能如何压缩呢?

我们都知道,水是由分子构成的,而水分子并不是整整齐齐压缩在一起排列的。它们其实是十分躁动的,活蹦乱跳的。所以,这就需要有空间可以折腾,所以水分子之间是有缝隙的。

1.电子的电磁力斥力为主的对抗阶段

但关键就在“近似”上,也就是说,水并不是不可以压缩。但所需要的压力特别大,大概需要10000~100000个大气压,也就是1GPa~10GPa之间。

如何压缩?

而水分子之间的缝隙不同,就会有不同的相态。如果从宏观上看,这和压强、温度有关。条件的不同,就会有气态,液态和固态等相态。而究其本质,实际上是分子之间的距离导致的。比如:水蒸气的分子间距离就会大一些,而液态水和固态水的分子间距离就会小一些。

所以,我们首先是可以通过加压,降温的方式,来使得水分子之间的距离变小,这其实并不难。所以,从这里,我们就可以得出结论,水从分子层面是可以被压缩的。

不仅如此,如果我们不考虑技术问题,那我们还可以从原子层面对水进行压缩。实际上,原子几乎都是空的,99%的区域都是“空”的,而原子核和电子只占了很小很小的一点空间。如果我们把原子比喻成足球场那么大的话,那原子核恐怕也就只有一只蚂蚁那么大。

也就是说,原子内部还有大片的空间可以用来压缩。需要克服的其实是电子的简并压力。这种电子的简并压力来自于泡利不相容原理。这个原理你可以大致理解成,电子可以按照一定规则进行排列,这种规则产生一种抵抗外界压力的量子效应。

所以,如果能够克服电子的简并压力,实际上也是可以做到把水进一步进行压缩。在宇宙中,中子星依靠的就是自身的引力来打败电子简并压力,成功地把电子压到原子核内。这个质量大概要1.44倍以上的太阳质量,也被称为钱德拉塞卡极限。

在不考虑技术的情况下,如果我们能够把水中原子内的电子压入到原子核内,那将会得到一个密度极其大的物质,为什么这里不说水了呢?因为大部分的电子进入原子核后,会和质子发生反应变成中子。所以,这个水在被压缩后就已经不是水了,而是极其微小的中子星。如果,我们还能进一步地进行压缩,那有可能得到微小的夸克星,当然我在强调一下,这是不考虑技术的理想状态下。

因此,我们可以下结论说,水是可以被压缩的,可以压缩的是水分子之间的距离,用常规手段就能实现。而如果不考虑技术问题的理想状态下,水可以进一步压缩其中的原子内的空间,把水压成微型中子星的状态,甚至是夸克星的状态。

从经典物理和高能物理2个阶段回答。

经典物理阶段,水是不可压缩的,如果采用机械动力方式,水和压缩工具将作为一个研究对象考虑。这句话的意思是水在被压缩之前,容器首先变形或破坏。

高能物理阶段,假如用核聚变或原子能一类的能量轰击水分子,能量足够大的话,水分子会进入等离子态,进而被参与核聚变或裂变,这时水,作为一种物质,已经发生根本的转变,化学意义上的水已经不存在了,没准变成了碳原子或其他原子,这时候您的命题已经不存在了。

综上,水,保持液态或固态时,如不改变原有物质特性,不可压缩。

实际上,水是可以被压缩的,不过由于水本来就是液体,所以压缩水不能跟压缩气体相比,想要将水压缩是很困难的。

我们都知道,水的密度跟温度有关,大概在4摄氏度的时候,水的密度达到最大,一旦温度高于或者低于这个温度,水的密度都会相应减小。但是水和气体、固体一样,都是存在压缩的空间的,虽然水分子之间的距离已经很小了,小到只有4×10^-10米,这个距离已经是非常小了,所以压缩的空间是很有限的。在常规的压力之下,水是几乎无法被压缩的,但是如果在压强很大的情况下,水的密度会明显提高,这也就意味着水被压缩了。

自然界中的物质有三种存在形式,分别是固态、液态和气态,以水为例的话,水可以是以上三种形态中的任意一种,只要水的温度以及压强变化它就可以在这三种物质状态之间转化。我们知道木星是一个气态星球,实际上木星主要由氢元素和氦元素组成,木星的大气中含有非常多的氢气,但是木星不可能是完完全全的一个气态星球,越接近木星的核心,物质的密度就越大,物质也就经历了由气态转为液态进而转为固态的转化历程。

在距离表面至少5000公里的深处,液态氢就形成了,在这个地方,压强已经是40亿帕了,而进一步,在靠近木星的石质核心的地方,氢的存在形式又发生了改变,它已经不是液态氢了,而是密度更大的金属氢,也可以说是一种固体,而为了让氢气变成金属氢,这里的压强为200GPa。所以说啊,对于水而言,只有当压强非常大的时候,它才会被明显压缩,密度也才会显著提高。比如说当压强达到了100万个大气压的时候,它的密度可以提高数倍。

2.电子简并力为主的对抗阶段

这个条件可以说是极为苛刻的,在日常生活中是根本不可能做到的。不过,科学家能够在实验室里实现,具体的原理其实就是用金刚石对顶砧压水。

就水这种液体而言,组成它的原子和分子已经相当于是直接接触了,而借助于原子外层电子之间的斥力,这些原子是很难靠在一起的。但是想要把原子核紧紧靠在一起,那也不是没有可能,比如白矮星就是这样的,原子核都被压缩得紧紧靠近了,而中子星则更进一步,直接将电子也给压进了原子核,进而电子和质子结合形成中子,中子星的密度进一步增大,而在进一步压缩的话,那就是黑洞了。简单来说,如果压强足够大,水也是可以被压缩成白矮星、中子星乃至是黑洞的,不过这么大的压强,恐怕不是人力可以为的。

我们通常所说的“水是不可压缩物质”并不是绝对的,虽然我们上初中高中时,老师也确实是这么说的,但那只是一般情况,是基于我们日常生活认知下的结论,毕竟我们的传统概念里水确实确实不可被压缩的!

其实不要说水,理论上任何物质都是可以被压缩的,只要压力够大,就可以被压缩!

为什么可以被压缩?道理也不难!看上去水以及其他液态固态物质没有任何压缩的空间了,但我们知道构成万事万物的原子内部其实只是相当空的!

原子是由原子核和电子组成,实际上原子核和电子的体积非常非常小,原子内部基本上都被虚空填充着,所以只要外界压力足够大,就能压缩原子,让物质的体积变小,密度变大!

比如说,我们的太阳死亡之后就会急剧坍缩为白矮星,最终密度可以高达1吨/立方厘米,这相当于把100万立方米的水压缩为1立方米后的密度!

而如果压力继续增大,最终电子会压缩到与质子中和,成为中子,这也就是所谓的中子星!当然,压力大到一定程度,密度就会趋于无穷大,一颗黑洞就诞生了!

不只是水,所有液体都是不可压缩的,这是物理学的常识。物质通常有三态,气态,液态和固态。究竟可不可以压缩,关键看分子之间有没有空隙,气体分子之间是相隔有距离的,距离跟压力和温度有关。固体物质具体要看形态。液体分子之间是没有空隙的,根本没有压缩的余地。液压机械就是基于液体不可压缩的性质。液体体积会随温度有一定的变化,但绝不会随压力而变化。比如说出纯水,摄氏4度时体积最小,密度最高,低于4度和高于4度时体积都会增加,密度减小。

巜水被压缩的结果》。

水是可以被压缩的,在强大的水的压力下,万吨水压机可以产生强大的动力,上海电气集团的上海重型机械厂可以压制许多的机械零件。不少液压传动装置就是利用了水的压缩原理。

一幢高层建筑大楼,有大量的自来水管道和消防安全灭火管道,对于金属材质的管子和塑料制品的管子,都会有承担了受压力的标准,管材不堪压力爆裂是很麻烦的事情,一条街上水䈍曝裂,强大压力的水柱直冲天空,交通会造成阻塞,抢修会影响居民用水。市面上每家每户都要用水,水厂就是利用压力把水送达千家万户的。万事有利㢢,全在人的得法应用和管理。

海水大家都知道,但其是深海的水和浅海的水,密度是不一样的。深海的水的密度会略高于浅海,就是因为水在一定压力下,其实也是可以被压缩的。

学过化学的人都知道,水是有一个氧原子连接两个氢原子形成的,化学式是H2O,也可以叫做水分子。因为水具有流动性,所以水分子直接是可以相互运动,它们之间是存在一定空隙的。如果所有的水分子都紧密的挤在一起,那么水分子就无法自由运动,水也就失去了流动性。所以说,水分子之间的空间,其实是可以被压缩的。只不过水分子和水分子之间接触的太近的话,是会有斥力产生。所以,需要足够大的压力才可以克服斥力,压缩水分子之间的空隙。这时候水的粘度就会增大。

如果水分子直接已经没有了空隙,那么这个时候如果继续加大压力,就会导致水分子之间的氧氢键变形压缩。也就是说,水分子中氧原子和氢原子之间由电子云形成的化学键,会被压缩,电子云的形状会发生改变。这个时候,水的体积会进一步缩小。如果已经达到了电子云形变的最大程度,还继续加大压力的话,就会发生电子简并,即氧和氢原子的电子轨道会被“压碎”,从而共享整个外层电子。这样,就像是一个电子海洋中漂浮这氧核和氢核一样。如果压力再大点,那么电子都会被压入原子核,最终变成中子星。中子星在被压缩,就是黑洞了。

当然了,以上所说的压力是非常巨大的,是天文级别的,绝对不是我们人类能够掌控的压力。

实名反对下面用户名为“顽石补天”用户的回答。

注:本回答摘抄自微信公众号“中科院物理所”文章《为什么彩虹是弯的而不是直的?
| No.164》,原文链接在文末。

先说结论:液态水可以被压缩。

我们先来看一下水的相图(注意纵坐标是对数),从相图中可以看出如果想让常温下的水变成固态,需要大约1GPa的压强,那么我们就可以算一下大概要多深的水才能产生这么大的压力。

图片来源:维基百科

假设水的密度是1000
kg/m3,g取10N/kg,那么根据液体中压强的计算公式,p=ρgh,可以知道需要10^5
m
深的水才行,也就是需要十万米深的水。地球最深处的马里亚纳海沟也就才1.1万米左右,远远不够,将液态水压成固态,需要将近9个马里亚纳海沟才行。

要注意的是,上面仅仅是估算,实际上不需要那么深的水。因为水的密度其实是会随着压强增大而增大,简单的说就是水被压缩了。

我们平时说水不可压缩只是在一些温和的条件下,如果极端条件下是可以被压缩的,只不过目前人类无法对液态水进行压缩。

注:原文链接

若侵权,请联系我,会立即删除。

在压缩初期,比如地核中心的物质(密度大约为水的100倍),或者太阳核心处的物质(密度大约为水的150倍),此时仍然是电磁力的斥力抗衡阶段,因此密度变化范围是比较大的!

一些金刚石对顶砧可以达到几十个GPa。因此,利用金刚石对顶砧来压水并不是什么难事,而且也确实有一些科学家曾经做过类似的实验,实验也不难。

1、白矮星阶段

科学家可以通过显微镜直接看到整个“压缩水”的过程,有点类似于水结冰。当压力减小时,水还会再恢复原来的状态。

当质量无限增加后,就会将以斥力为对抗的电子压缩到去无可去时即达到了白矮星的标准,此时对抗引力进一步坍缩的是电子简并作用力,这并不是一种力,而是泡利不相容原理所致,即同一原子中不可能有两个电子可以拥有完全相同的量子态!

这里要多补充一点,在持续的加压过程中,压力会破坏水分子之间的氢键,使得同样是固态水,也会从低密度结构逐渐演变成高密度结构。

图片 3

金属水

2、中子星阶段

假设在理想状态下,我们有一台可以无限加压的装置,可以持续的加压,当压力达到1TPa,也就是10^7个大气压,这时候水就会变成金属态。

即便是是泡利不相容那无法存在完全一致量子态的电子简并力,也是有极限的,而无限增加的质量将会压垮这个结构,而这个质量极限就是稳定白矮星的质量上限:钱德拉塞卡极限,此时电子简并力再也无法对抗引力坍缩,进入了原子核与正电荷的质子中和成了中子,从理论上来看物质就成了中子的海洋,中子星门槛的密度跟原子核密度几乎就是一致的!差不多就是无数原子核聚集在一起的概念,只是没有质子的概念!

这种金属态在太阳系内有,只不过是金属氢。如果你有个理想的超级探测器,能够持续向木星的深处探索,就会发现金属氢。

图片 4

这就是木星巨大的压力迫使氢原子内的电子脱离了分子轨道,表现出传导电子的情况。

当然继续往下还有夸克星和黑洞,跟压垮电子简并力的引力坍缩一样,仍然会有一个压垮中子简并力的质量极限,还有压垮夸克的质量极限,最终就是坍缩向不可逆的黑洞!

发表评论

电子邮件地址不会被公开。 必填项已用*标注

网站地图xml地图