筆者 東邪

學過中學化學的朋友應該知道，世界上任何物質都是由基本粒子組成的，目前人類已經確定的基本粒子單位就有原子、分子、離子等。其中原子是最常見的基本單位，大多數化合物都是由不同元素的原子透過化學鍵連線在一起而組成的。以水分子為例，一個水分子由兩個氫原子和一個氧原子透過化學鍵連線起來，那麼氫原子和氧原子裡面又有什麼東西呢？

根據原子結構模型，原子內部由原子核和核外電子組成，原子核內又由中子和質子組成。但原子內的空間十分廣闊，原因是原子核的體積非常小。如果將一個氫原子的體積比喻成一座籃球場，那麼原子核相當於一個籃球場裡面的一隻螞蟻。雖然原子核的體積非常小，但原子幾乎所有的質量都集中在原子核上。

因此有人產生了壓縮液態水的想法，透過不斷給液態水施壓來壓縮原子內部空間，這樣做能成功嗎？

在探討該問題之前，我們首先需要了解一下原子可被壓縮的前提。最早提出“原子”這一說法的是英國化學家和物理學家道爾頓，他是“原子學說”的創始人。但道爾頓並沒有深入探究原子內部的結構，導致人們長期認為原子內部是實心的，原子就像一個極小的實心球。直到1869年有科學家發現了陰極射線後，原子結構的面紗也逐漸被揭開。

德國科學家希託福率先發現陰極射線，之後赫茲、湯姆遜等一批科學家相繼對陰極射線進行研究。經過二十多年的研究，最終約翰·湯姆遜透過實驗證實了原子內部電子的存在。電子帶負電，而原子通常不帶電，因此原子核內部應該還存在帶正電的基本單位，最終這一猜想得到了廣泛的認同，原子模型由此逐漸形成。

文章開頭提出了“是否能透過壓縮來改變水的性質”的問題，實際上在一般條件下我們只能改變水的形態，低溫讓液態水變成固態，高溫讓液態水變成氣態，這些變化僅涉及到原子之間的排列和結合方式，並不影響原子的內部情況。但壓縮水是一項十分艱難的任務，因為它涉及到了原子的內部結構，該任務必須在極為特殊的情況下才能完成。

那麼需要什麼樣的條件才能成功地將水壓縮呢？接下來所列舉的一些資料有來自真實的實驗資料，也有來自科學家的計算。在標註大氣壓下，我們改變水的本質，也無法壓縮它，這就是“抽刀斷水誰更流”的原因。從本質上來看，水無法被壓縮的原因是原子內部存在簡併壓力，它讓原子在絕大多數情況下都能保持穩定。

但在不斷地增加大氣壓後，水的體積會緩慢發生改變。這種改變在一萬個大氣壓內依然不會發生，只有大氣壓達到15個標準大氣壓，水的體積才會出現微小變化。如果對一塊體積為1立方米的水進行15萬倍標準大氣壓的加壓，那麼經過公式計算水立方的邊長會減少0。01米，水的體積縮小的幅度只有原來的百萬分之一。

如果繼續加壓到45萬個標準大氣壓，那麼氫原子內部開始發生變化，可能出現部分電子擺脫原子核束縛的情況，在宏觀上表現為水從原來的透明狀態變成了不透明狀態。如果繼續將壓強增加到480萬個標準大氣壓，那麼水的狀態會從原來的透明變成渾濁，再從渾濁變成有金屬光澤，因為這時候水分子的氫原子已經變成了金屬氫。

看到這你可能會懷疑以上資料的真實性，但實際上美國哈佛大學科學家西爾韋拉曾在2017年帶領他的團隊創造出最高495GPa的環境壓力，並且依靠這種環境條件從水中獲取金屬氫。除了人類能創造出如此極端的壓力環境之外，地球上任何一個地方也無法營造出這種環境，包括地球的核心，但有天文研究表明木星的內部也能產生出這種壓力。

因此如果木星內部存在含有氫原子的液態物質，那麼可以推測這些液態物質在極端高壓下會變成金屬氫。

在核反應中，核聚變反應所產生的能量要比核裂變反應多，因此科學家們一直在研究如何將核聚變反應可控化，從而發展成一門能源生產效率更高的技術。核聚變的起點是氫元素，它透過將兩個氫原子融合在一起形成氦原子，形成的過程中對外釋放巨大的能量。那麼透過壓縮液態水，能實現核聚變嗎？

從理論上來說，確實存在這種可能性。根據研究發現，太陽內部的壓力達到3000億個標準大氣壓，如果將一立方米的水置於這種環境中，那麼它會被壓縮成邊長為0。22米的立方體，但這個時候的立方體內部還無法產生核聚變反應，因為溫度還達不到要求。如果在增壓的同時將氣溫提高到1500萬攝氏度，那麼核聚變才會緩慢開始。

那麼要如何在地球上實現太陽內部的過程呢？要想達到極端條件下的高壓和溫度，就必須用到鐳射的光壓。據瞭解中國和美國都研發出了用於創造鐳射光壓的裝置，其中中國的裝置被稱為“神光”，美國的裝置被稱為“國家點火裝置”，簡稱NIF。這兩種裝置的工作原理相似，都是利用鐳射束聚焦產生高溫和高壓，從而營造誘導核聚變發生的環境。

綜上所述，只要創造出足夠極端的環境條件，平平無奇的液態水也會搖身大變成金屬氫。甚至還有研究指出，在實現核聚變的基礎上繼續加壓，一灘水可能還會變成一個微型黑洞，想必這是大家都沒有想到的情況。同時這次的思維實驗告訴我們，只要肯花時間去思考，很多表象內部的深層道理會被挖掘出來。