我们中间的大多数人每天感受到的身体上的压力是相对适中的。从地球表面向上延伸到超过48千米的空气柱会对每个人或每件事物施加每平方厘米1千克的力，这个力被定义为1个大气压或压强的单位“巴”。大多数人当他站立时对地板施加的压强或当他坐着时对椅子施加的压强比1个大气压小得多。

相比而言，由那些研究压力的科学家所提示的许多力可能是令人震惊的。利用今天的技术，他们可以观察到高于100万大气压，或一个兆巴（它近似地相当于一个高达3200千米的石碑对地面施加的压强）所产生的效应。

研究人员正在探索着这些极端高压，因为压力可能以令人注目的各种方式使物质发生转变，由此产生的任何变化都可以与几个世纪以来被那些探索极端温度以产生新材料和新现象的科学家所观察到的变化相提并论。在足够强的压力下，许多原子被挤压得如此紧密，以至它们的电子构成新的键或游离于原子之外。在通常材料中所发现的这种比较开放的原子排列会破裂为稠密的新形态。块煤转变为珍贵的宝石，普通的气体变成了某种射线可以透过的金属，平常的化合物转化为超硬度的研磨材料。高压对于创造出具有意想不到性质的许多其他新材料以及对于提供对各种材料和地球内部深处的压缩过程的认识都是行之有效的。

冷战期间，为了组合军事设施的硬金属材料，提供安全可靠的、充裕的金刚石研磨材料就显得至关重要。美国通用电气公司是致力于发展一种工业上制作金刚石过程的众多工业巨头之一。一种理论认为，在碳合物分子可能构成一种金刚石基质之前，必须使石墨的坚韧的键发生断裂，遵循这种理论，美国通用电气公司的研究者借助于强电流把石墨加热到摄氏1500度以上，然后再与铁水相混合。石墨的分子键在这种过热的合金中被离解，这种含金是被放入一种碳合物和钢的环形带中的，只要这种环形带被挤压到6万个大气压它就会转变为金刚石。美国通用电气公司研究人员于1954年12月成功地创造出第一块人造的金刚石。在以后不到3年的时间里，商用的超硬研磨材料产品就被投入市场。

从此，人造金刚石就变成了在切割、研磨和抛光上普遍存在的工序。它们通过作出各种可能的、如同快速牙科钻床，外科上精确的表面修复和眼镜镜片研磨那样普通的活动而影响着人们的日常生活。通过制造出精巧的抛光面料——它们正被我们广泛地用作内部和外部表面——金刚石研磨材料也已经转变成了城市的建筑。

然而制造金刚石上的突破比开始一个能生产出十几亿美元的工业意义更加深远。它开创出新一代的高压设备并且以激动人心的方式表明，压力不仅可以把普通物质转变为特殊的材料，而且这种转变经常发生在地球内部深处，以及遍布在整个宇宙之中。

在60年代，有十几位研究者加入了这种高压的竞赛。在进行这种研究的第一批人员中有一位俄罗斯地理学家斯蒂索夫。1960年，利用在莫斯科高压物理研究所的很大的压力机，斯蒂索夫对海滩砂粒加上高于10万个大气压的压强，从而创造出比石英稠密百分之六十的一种新材料。

继斯蒂索夫发现之后，地球物理学家渴求着能有更高压强的器件问世，他们的目的就是使样品能经受比100万个大气压更高的压强，这是在地球内部深处发现的压强，也是恒星和行星内部大多数宇宙物质所受到的压强。

在布里奇曼带领下，芝加哥大学和国家标准局的研究人员几乎同时精巧地制造出由最坚硬的材料——金刚石制成的对置的测钻器件，它不仅坚硬而且也是透明的。与以前所有的器件不同，现在一个研究人员在处于两个透明的金刚石之间的样品受到挤压时，可以实际观察到样品的晶化，而且可以改变形态的颜色。

在这项发现方面，最感到高兴的是阿尔文 · 瓦尔克伯格（Alvin Van Valkenburg〉，他设计丁国家标准局的“金刚石测钻传感元件”，也学会了自制样品。他先把带有一个小孔的扁平金属片放在两个金刚石测钻之间，然后形成一个很小的样品室，其直径大约为0.0025毫米。当阿尔文 · 瓦尔克伯格在一个刚制的器件中——它有点像一个巨大的螺母粉碎器——挤压金刚石时，他只要轻松自如地在他的微观观测器旁坐上几个小时观看晶体生长和变化就行了。

第一个金刚石测钻传感元件被加上了将近30万大气压。有些人认为，这种传感元件不可能经受更高的压强——因为在还不到10万个大气压以前，金刚石就会断裂。但是，在华盛顿的卡耐基研究所地球物理实验室工作的研究人员戴维（David Mao）和彼得 · 贝尔（Peter Bell）勇敢地面对着这种挑战，设计出一种压强传感元件，它有点类似于瓦尔克伯格的元件，但有两处作了改进。

金刚石传感元件为地球物理学家提供了很好的机遇来重现地球内部深处的条件。传感元件不仅产生出最高的持久的高压，而且传感元件的样品还可以被激光加热到几千度高温，从而重现地心深处的条件。

在所有的金刚石传感元件的试验者中，只有加州大学伯克利分校的雷蒙德 · 琼洛斯（Raymond Jeanloz）完成了对更加明亮的行星的模拟。在最近一次实验中，琼洛斯与博士生埃莉斯 · 尼特勒合作进行了地幔边界层的研究。地幔边界层是一个延伸大约3200千米的区域 · 在该区域内，富含铁的流体被认为是和在高于3000度温度和大于一个“兆巴”压强下富含硅的岩石有联系的。为了重现这个区域，尼特勒和琼洛斯把一个小铁片装在他们的金刚石传感元件上，这个铁片外面包裹着粉末状磁性硅酸盐钙钛矿——这是一种被认为是构成浅层地幔大部分物质的矿物。他们增大压强达到将近一个兆巴，并用足以使铁熔化的一束激光的功率快速地除去混合的样品。在这样的条件下，熔化的铁和钙钛矿经历了一种意料不及的快速化学反应，从而产生出一个新的富含铁的氧化物和硅酸盐的区域。

1989年，琼洛斯和研究生查尔斯 · 米特设计了一种金刚石传感元件实验来复现起源于地球表面层以下几万米处的令人困惑的地震。地质学家告诉我们，岩石的行为表现酷像乳脂糖：在高温下它们熔化和发生弯曲，产生地幔岩石和地壳板块的流动。然而当温度降低时，岩石又变得非常脆弱，一旦受到压力就可能发生断裂，从而引起地震。如果接受这种假设，颤动现象应该在接近地球表面的岩石层中发生。但是，地震学家可以确定任何地震的深度，并在640千米深处发现强烈的“深度焦点”地震，这个深度远在任何关于岩石断裂的常规力学的区域之下。

为了探求激烈的深度地震是怎样发生的，米特和琼洛斯模拟出这样一种现象：对矿物加上地幔处的压强和温度，并且在金刚石传感元件上附上一个灵敏的扩音器，一旦当他们挤压被看作是发生在地幔深处的矿物时，从扩音器中能“听”到任何能反映出内，都变化的声音。当矿物很干燥时，没有发现任何异常的情况.然而当研究人员挤压和加热蛇纹石（一种在晶体结构中具有潜在水分的普通矿物）时，他们欣喜地听到了一系列清晰可闻的爆裂声，从理论上讲，这种爆裂声就是微型的地震。在重复多次观察到这种效应以后，他们认定，声音是当水从样品中逸出时发生的，并且提出一种理论，认为蛇纹石可能就是“深度焦点”地震的主要肇事者。

这些实验导致了惊人的结论，海洋可能不断地把水注入到地幔岩石中。虽然地球上的海洋似乎永远不会从地球内部深处分离出来，但是，米特和琼洛斯的理论认为，海水会与火山岩石发生反应，从而会在新的地壳板块被产生出来的海洋中部隆起处形成如同蛇纹石那样的含水矿物质，还认为，某些这样的岩石最后会按板块构造地质学的动力学过程被带回到地幔中去。

因此，海洋可能只代表了一个巨大的动力系统的某一部分，这个动力系统包括了所有延伸到我们这个行星地幔深处的富含水分岩石组成的许多板块。在地球历史的大约45亿年期间，海水可能已经历了4个循环，而一些有价值的海水可能就被“锁定”在现存的地幔岩石中。这个令人惊讶的结论将会驱使许多地球科学家作出多年的研究，而这个结论的作出将由于在两个金刚石之间挤压一个微小样品而表现的行为作为证据而显得更加引人注目。

在已知的成千上万种材料中，大约有1000种材料在几千个大气压的压强下被作过研究，而其中只有30种元素和简单的化合物被经受了高达1兆巴或更高的压强。

大多数高压物质在移出金刚石传感元件时会重新返回到它们的低压形态上。虽然如此，它们仍然可以提供对新奇的原子结构的认识，这种原子结构有可能在通常压强下通过适当的化学替换而得到。例如，1987年在德克萨斯州休斯顿大学的物理学家朱经武和他的同事们在一种加上高压的，含有铜、钡、镧和氧的化合物中探测到了大大增强了的超导特性。但是，一旦去除压强，化合物就回复到它的初始形态，失去了超导电性。而利用把较轻的元素钇取代镧的方式，这个研究小组创造出一种新材料，它可以模仿出在室内压强下受压的材料特性。这个结果就是著名的、工作在液氮温度下的高温超导体。

在已知的所有材料中，处在元素周期表上第一位的氢元素是材料科学家最感兴趣的元素。物理学家已经对极端条件下氢的理论行为作过分析，他们认为，如果把氢气压缩到足够坚硬——达到2~3个兆巴——它就将变为一种固态金属。

一些理论科学家模拟了氢的电子行为。他们计算得出，在金属形态下，氢将转变为室温下的超导体——一种毫无损耗地输送电能的材料。在一个能源枯竭的世界里，每个电表和每根导线都“吃掉”了一部分通过的电流，而超导体可能使我们节省几十亿美元。

其他科学家预言，金属氢将代表着可以想象出的化学能的最集中的形态。作为一种火箭燃料，它可以储藏的每磅推进力比其他任何材料高出几百倍I而作为一种爆炸物，它又比TNT的破坏力高出35倍。

虽然有着这样的潜在应用，大多数科学家却是为了其他别的理由而从事着对高压氢的研究。对物理学家来说，氢的实验提供了对物质理论模型最好的检验，因为氢原子只有一个电子，因而在进行数学描述上比其他元素更为简单，而天文学家知道，太阳系的巨大行星——木星、土星、天王星和海王星——几乎完全是由氢元素组成的。如果氢元素在几个兆巴下确实能转变为一种金属——这个压强只是这些行星内部压强的一个小数——那么金属氢就一定是宇宙中最丰富的固体。没有对氢元素真实性质的首先了解，科学家们就不可能模拟出巨大行星的动力学和星际的生成。

但是，创造出金属氢的目标，作为20多年来一直驱使着少数研究人员的一种探索却是障碍重重。在把细微的氢样品（与一颗灰尘微粒差不多大小）放置在两个金刚石之间以后，它就一定会逐渐地被挤压以达到有记录的压强附近。很幸运的是，当人们正在取得50000个大气压以使氢固化变成无色的、类似冰的晶体时，把液化氢装入传感元件现在却成了很平常的事。但是，氢分子是如此地小以至被施加高压时，它们表现出类似原子楔的行为，而且可以探测到在金刚石测钻表面最细微的缺陷。事实上，大多数实验在不到1兆巴大气压时都伴随着金刚石的破裂而以失败告终。

如果有足够的运气能把压强推进到1.5兆巴以上，就有可能测试出发生的变化，在低于1.5兆巴时，固态氢包含着哑铃状氢分子的一个规则排列，这些分子能在任何方位上自由的旋转。但是，测量受压氢散射光方式的实验表明，氢分子在1.5兆巴以上只接受一个固定的方位。而且在接近这个压强时，样品逐渐增强了对红外光的吸收，这些行为使得某些科学家猜测，分子已经开始断裂，并以一种在自然界可能金属化的新方位重新排列。

只有一个研究小组——卡内基地球物理实验室的戴维 · 茅和拉塞尔 · 赫姆莱-走得更远。在一系列实验中，他们在2兆巴以上的压强下压缩了一个g的样品。当戴维 · 茅和赫姆莱转动金刚石测钻传感元件的螺旋时，氢开始在2.5兆巴以上的压强处-它是金属化的又一种形态的可能标志-吸收可见光。

他们以新的样品和新的传感元件重复这些实验，后来还发表了附有深暗色氢的一组彩照的结果。虽然异常高压行为的事例成了头条新闻，但是却留下了许多令人感兴趣的问题有待解决。如究竟氢的奇特的1.5兆巴形态的特性是什么？在2.5兆巴以上观察到的深暗色究竟是否对应着物理学家长期预料的金属化？或者它本身就是某些其他的奇异的材料？科学家们将来能不能在室内压强下使金属变得稳定？等等。

与此同时，在许多国家中的研究小组还在继续进行着追求更高压强和具有新奇特性的新型材料的探索。我们能获取与土星内部压强相当的35兆巴压强吗？我们能模拟出在木星深处条件下的100兆巴压强吗？为了取得这些压力，一些研究者构思出精心设计的二级器件 · 在这个器件中一个非常结实的、大约尺寸在1.37米左右的金刚石测钻传感元件被装在一个更大的压力器件内，并且在巨大的压力下进行挤压。

当这种技术不断完善、压强继续升高时，人们有可能发现许多在低压强下不曾发现的新物质。例如，在最近几个月内，在华盛顿特区的卡内基研究所的地球科学家们就描述出许多独特的高压晶体，这些晶体包含着在氦（一种惰性气体）和其他一些如氮和氢元素之间的结合力，而这些元素很可能构成了庞大行星的内部物质。他们压缩了氢和其他物质的混合物从而发现了水和氢分子的新的晶态化合物以及氢化铁的一种新的稠密形态，正是它们可能提供了地心处氢的一种丰富资源。在法国的科学家也压缩了“贝克球”——含有60个碳原子的中空的球状分子——从而形成了一种新的类似金刚石的材料。而日本的科研人员则正式证实了在普通石墨中发生的类似转换。美国阿利桑那大学的科学家运用高压创造了充分氮化的气体的首例稳定形态，这是一种超硬材料，它用氮代替了通常在玻璃化合物中存在的氧、

探索奇特高压材料的科学家也可能会遇到未曾预料的许多物理现象。例如，世界上一些研究人员正式证实了所谓“压力引发的非晶化现象”，这种现象发生在包括分子固体，金属化的含金，半导体和通常海滩砂粒在内的一大类材料中。压力引发的非晶化现象不仅有希望作为机械加工的策略而获得成功，而且它可能在与地震和板块构造相联系的地质过程中起着一种非常重要的作用。这些发现的迅速进展表明，我们探索高压领域的可能性还刚刚开始。

[Reprinted with-Permission from Technology Review，Copyright（c）1994，S. F. S. 133. 8#]