高压实验下的物质世界

给冰块加热，冰块就会融化成水，再继续加热到100°C，水就会沸腾从而变成水蒸气。这些都是平日里经常见到的现象，但是当H2O分子不论以固体还是气体存在的时候，稍稍增加压力都会使他变成液体。而物质随着温度压力环境的变化一直是科学中十分引人入胜的方面。在海平面上地球大气所造成的压力大约是1kg/cm2。这一数值给了我们直观的可以参考的压力数值（一个大气压）。想要了解地球内部物质的性质，科学家们则要创造成百上千大气压的压力环境来研究。在1908年，人们能够获得的最高压力是6500大气压。而在这生成高压的试验中遇到的最大的问题是泄露。
　　
　　1908年的Harvard毕业生PercyWillamsBridgman（1882-1961）给他的压力容器发明了一种会随着压力的升高而密封的更紧的密封圈，通过这种密封圈和合金钢的密封腔体他能够稳定的产生12000大气压的压力，而且偶尔能达到20000大气压。后来他将他的容器改进为圆锥形并加以外部支撑后，他的压力容器就能达到30000大气压。通过他研发的高压设备，人们得到了许多物质在高压下的性质。大部分固体是由紧密排列的分子构成的，当分子间的距离增大的时候，固体就会融化。而水分子是一种特殊的分子，冰的密度比液态水小，所以冰会浮在水上。对冰施加压力使分子压紧会降低冰的融点从而把冰变成水。Bridgman发现当压力增加到足够高的时候，这一现象才会逆转，也就是加压促使固体生成。
　　
　　Bridgman曾经提到过，“从热力学的角度来说，如果一种物质在熔融的时候体积会膨胀，它的熔点就会随着压力增加而增加，相反，如果在熔融的时候体积缩小，它的熔点就会随着压力增加而减小。在一般的情况下，只有三种物质属于后一种类别，水、铋和镓。然而，这中状态并不是在任何情况都是这样。当压力增加到一定程度时，这些物质的初晶开始变得不稳定，物质晶体从一种晶格形态转变为另一种晶格。新形成的晶格的体积比原来的晶格体积小得多，从而使新形成的固体的密度比液体的密度大，从此开始，熔融曲线变得与其他物质相似的熔融温度随压力增加而升高。”
　　
　　水的这一结构转变过程发生在2000大气压，镓的转变压力是12000大气压，铋的转变压力是25000大气压。晶体结构的这一转变解释了为什么有时冰川中深部的冰比表面的冰更热一些，并且是透明的。Bridgman一直坚持的改进他的压力容器。他用碳化物硬质合金替换铁的活塞能够达到50000大气压。最终他用他的压力容器达到了400000大气压。
　　
　　Bridgman发现在极端的压力环境下，同种物质的晶体结构会转变成不同类型，从而是同一种物质有着不同的晶体结构。这些不同结构下的同种物质被称为同质多相。“在压力环境下，同质多相是一种非常常见的现象，不同的像的数量随着增加的压力和探测体积不连续的方法灵敏度提高而增多。在温度从室温到200°C压力增加到50000kg/cm2，大致三分之一的物质都存在同质多相现象。而在涉及地壳的更加宽广的压力范围内，可以推测，除了那些十分简单的晶体物质，不存在有物质一直保持我们熟悉的实验室中晶体结构。”这一重要结论，直接指导着地球物理学家们考虑地球内部物质是的方法。
　　
　　Bridgman获得了1946年的Nobel物理学奖。从1910年早期开始，Bridgman使得在实验室里探索地球内部的谜团成为了可能。在他发表他获得Nobel奖的感言之前皇家科学院的院长SigurdCurman介绍得奖人时说“Bridgman先生，你成功的将我们曾经认为不可能的事情变为了现实。通过使用新型合金材料和仪器你能够形象的说，你能够将没有人能够存在的地球内部的一部分带进你的实验室中，并且能够在你创造的巨大的压力环境中研究不同物质的各种物理和化学性质。你能够解释我们理解的常规条件以外发生的各种各样的奇怪的现象。你的工作对大自然的伟大而神秘的宝库提供了新的阐述。”
　　