钢铁是致密的吗?

我想,悟空问答的本意,旨在大家一起来悟出一些有待填补的空白。本题是很好的案例,可追究到极致的物理智慧。以下给出我的思路:语义学解释↗小物理解释↗大物理解释。

一,致密性的语义学解释

有四个术语,可谓异名同指或大同小异。①致密性或紧度(compactness, consistancy),强调物质成分联系在一起的紧密程度。例如,致密特种钢做出的螺栓强度远超普通钢。

②密度或稠密性(density, thickness),强调粒子的空间分布特性。例如,中子星的中子汤就特别浓稠,深太空有极低的质密或能密分布。

③刚性或刚度(rigidity, stiffness),强调物质的抗变形特性。例如,玻璃很刚,但不耐挠曲。

④硬度或弹性(hardness, elasticity),强调物质的抗压性能。例如,钻石很硬,但不耐冲击。

附及:不宜用softness表硬度,因为违背“阳性非标志性原则”。又如,清晰度clarity,用模糊度dimness, fluzziness更贴切。

二,致密性的小物理解释。

我说的小物理,是指目前的有待进阶的肤浅物理学。考察几个典型现象,作为切入点。

你在空气中手舞足蹈,感觉不到空气阻力,此时你会说:空气分子致密性几乎为零。快速骑行,你觉得空气有很大阻力。

航天器返回地球,空气如金刚砂摩擦产生4000℃以上高温。流星进大气粉身碎骨见证空空如也的厉害。

可见:物质的致密性C与质密ρ与动能½mv²成正相关:C=kρv²。k与ρ是特定常数,相对速度v是关键,越快越致密。

还有若干证据:一个柔性的小鸟会穿越高速飞机;钻地导弹可以穿越数十米厚的钢筋混凝土。为什么高速度会获得高致密呢?可从微观层面寻求答案。

通常,物质是由原子构成。原子由原子核与核外电子构成。原子的半径约1e-10m,电子与原子核的半径约1e-15m,相距5个数量级,原子内空间的粒子分布非常稀疏。好比太阳系的天体分布。地球半径6.4e6m,地日间距1.5e11,大约也是相距5个数量级。

原子为什么有很大稳定性与致密度呢?因为:关键在核外电子云,以至少2.2e6m/s,即2200千米每秒的速度绕旋,电子云如铜墙铁壁,似乎密不透风,造就了原子致密性的整合结构。

若你是一枚中微子,足够小,而关键是足够快(0.99c),你觉得原子空空如也,四大皆空。可是,如果你是一枚子弹,速度只有600米每秒,就很难入侵充满原子的材料。

三,致密性的大物理解释。

借用楞严经的色空亦空:色是形形色色的有形物质或费米子物质,空是隐隐约约的真空物质或玻色子物质。色空亦空是一个核心理念,同时有两大机制:万物皆旋转,万有引斥力。

粒子的自旋,是物质性或致密性的根源。根据上述C=kρv²原理,粒子的自旋越快,其稳定性/致密性/刚体性/自在性就越大。

电子与质子以光速自旋,因此电子与质子具有极强致密性,几乎不可衰变。根据牛二定律,电子自旋势能Ep=mc²=0.505MeV,质子自旋势能Ep=mc²=938MeV。

关键问题:真空介质有无致密性?还是先从现象着手。就原子结构来看,核外电子与原子核之间,存在万有引力与库伦引力。

为什么电子不被吸进原子核?因为电子自旋同时因为转动惯量不均衡而进动伴随的绕旋,既有旋涡真空场的引力,又有绕旋惯性力的斥力,才能保证自我的独立性。这就是万有引斥力的深层机制。

无论是强互动力、弱互动力、电磁互动力、万有引力、分子间力,都是在特定空间能密分布下的万有引斥力。

万有引斥力是自在独立性的根源:引力提供紧致结构,斥力提供排他空间。引斥力载体都是漩涡真空场,从涡心到涡边有一个真空梯度。真空场占据的空间可大可小。

不妨设最小真空漩涡场,是宇宙中最小的真空漩涡场,或称场量子/涟漪子/虚粒子/轴子/空子/引力子,质量1.26e-39kg。

涟漪子以光速自旋而无序运动,当然有极强致密性。但是,由于涟漪子的尺度极小,毫无障碍的穿越任何物质,几乎无法被仪器测出,人们想当然觉得是空空如也。不过,这不妨碍理论或智慧地把涟漪子作为有质量的基元粒子。

不是,甚至可以这样说:宇宙中的几乎所有东西,都不是致密的。至于黑洞中的奇点,则未可知,但也不能轻率的下一个断言,认为那里就是致密的。

题主说了,「钢铁经过压缩之后体积不变」。先不说这句话有事实性的错误,即便说不能被压缩,也不可以认为「钢铁是致密的」。因为,刚性与致密,是没有直接关联的。比如说,一个极端的例子,即使有某个「刚性」的物质(当然,这是不存在的),其中有一个空洞,那么,它就同时拥有了「刚性」/「不可压缩」和「不致密」的两种性质。也就是说,通过这个反例,就说明了不可压缩和致密之间,没有因果关系。

同时,还想说一下物质的微观结构。我们平日要将东西连接起来,都需要有具体的物质来连接。比如要把纸连接起来,就要有订书钉这种物质;要将衣服和墙连接起来,就要有挂钩这种物质。但是,在微观世界里,起到这种作用的,大多是无形的「场」,也可以认为是一种力。通常来说,是库仑力。也就是不同电荷之间产生的相互作用力。

我们想象有两个铁原子。距离太近的时候,由于电子云会有重叠,会产生排斥力;而距离太远的时候,电子云会发生形变,产生吸引力。这样,太近就排斥,而太远就吸引,使得原子的间距会保持在一个相对狭窄的范围之内。我们看到钢铁的坚韧、难以压缩,都是由于这个「自由的范围」非常狭窄,近不得,也远不得,非得恰到好处才可以。这种「严苛」的要求,就是题主观测到的现象的本质。

钢铁是致密的结构组织,实现了原子之间的结合。

但这种致密是相对的不是绝对的。钢铁在冶炼过程中,由于有杂质、空气进入等,会形成夹杂物、气孔、凝固时还可能造成裂纹等。

但这些缺陷有时很小,小到肉眼无法观察要用高倍显微镜观察。虽然缺陷很小,但这些缺陷有时对工程质量和产品的影响都是致命的。

所以钢铁的质量检测和缺陷分析非常重要,千万不能掉以轻心。越重要的装备要求越严格,比如航空发动机的叶片,要求单晶定向凝固,这样散热和耐高温性能会更好。

标准钢材确实是致密的。其实这个大家不难想,钢有钢的密度,这个密度并不因压迫而发生改变,即体积不变,这确实是钢材是致密的一个佐证。当然,这个还不可以完全证实这一点,还得再通过另一个微观观察才能完整证实。遗憾的是,本人并未做过此类观察(等有机会做了这方面的实验后一定将结果公布出来)。另外,其实有种反证的方式对这个观点也是有极积意义的。比如,我们若要得到一块更紧实坚硬的钢的时候,能不能通过机械压缩而获得呢?目前我们尚未发现这种可能的存在。——这不也更趋向于证明钢是致密的么!

(欢迎各位提出驳论)