先得让压力留在里面
研究高压,第一步是让压力确实留在装置里。二十世纪初,哈佛大学的 Percy Williams Bridgman 改进了一种密封:内部压强越大,密封反而压得越紧。有了它,研究者才能反复进入更高的压强范围,看到日常冰箱里找不到的冰,也测量许多材料原先难以观察的变化。
活塞把力传给包围样品的介质,样品才受到压力。可活塞要能动,入口就不能直接焊死。压强升高后,液体容易沿着活塞与容器之间的缝隙漏走。单把筒壁做厚,解决不了这条出口;密封本身必须另想办法。
让压力自己堵住出口
Bridgman 让液体顶住一个塞子,再由塞子去挤较软的填料。受力面积经过安排,填料里的压强始终比液体里高一定比例。液体越想往外跑,就越用力地把自己的出口堵紧。
关键是分清力与压强。同样的力,压在较小面积上,压强就较大。装置把液体作用的面积与填料承受挤压的面积错开,便能让填料受到更强的压紧作用。这一点几何安排,把原先容易失守的边界变成了密封。
密封可靠,并不意味着别处就不会坏。筒体、活塞和连接仍要承受应力,材料强度仍会限制实验。Bridgman 使用更强的材料,也设计外部支撑,逐步把可用的压强往上推。他在 1946 年的诺奖演讲中,按不同压强范围讨论了所需技术。
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压得上去,还要测得出来
装置能维持高压以后,还要知道里面究竟有多大压强。外面施加的载荷当然有用,可摩擦、形变都会影响它与内部压强之间的关系。Bridgman 一边造产生高压的设备,一边改进测压方法,利用可重复的材料转变与电学响应来确定条件。
随后才轮到样品。要知道体积怎样变,就得读活塞位移,并扣掉装置本身的贡献;要测电阻,就得把电线穿出容器,同时让穿线处保持密封。每多观察一种性质,容器边界就多出一道要解决的难题。
真正有用的科学仪器,还得允许人一次次返回规定条件,再换一个温度比较结果。这样才能画相图:在不同压强、温度下,物质哪一种状态稳定存在。
水结成固体,还有许多种排法
Bridgman 在 1912 年发表的长篇论文,研究了水在高压下的液态与五种固态。他识别出后来称为冰 V、冰 VI 的高压形式。化学成分仍然是水,分子在固体中采取的稳定排列,却会随温度与压强改变。
普通冰比液态水轻,能浮起来,因为它的分子排列比较疏松。高压则偏爱占体积较小的排列,有几种高压冰比液态水还密。我们从杯子里的浮冰得到的经验,到了这里就要重新检查。
缓慢改变压强时,体积突然一跳,是发现相变的一种办法。换几个温度,重复追踪这次跳变,就能画出两种稳定形式之间的分界。1912 年的论文把这些条件与测量逐项记录下来,让“水还能结成什么样”成为可重复研究的问题。
装置与发现,一同写进授奖理由
1946 年物理学奖的授奖理由同时写了两件事:产生极高压强的装置,以及用它做出的高压物理发现。Bridgman 研究体积、相态、电阻等性质,逐渐显示出,平常条件下熟悉的材料,一旦被压得足够紧,还会有另一番行为。
解释实验时,还要记住压力怎样传到样品。各方向挤压接近相等时,最容易用一个压强数值描述;介质变成固体、挤压不再均匀时,不同方向的应力也可能影响结果。密封打开了入口,具体的测量条件决定了能从中读出什么。