在ATT(美國電話電報公司)的實驗廠房里，有一臺大型水壓機。它可以產(chǎn)生每平方厘米100噸的壓力，相當(dāng)于大洋最深處水壓的100倍。處在這種高壓下的固體物質(zhì)，其原子晶格會產(chǎn)生形變，原子核軌道上的電子，也會產(chǎn)生異常的能態(tài)。物質(zhì)的這種微變化會顯著改變它的物理性質(zhì)：密度、顏色、延展性、導(dǎo)電率和磁場敏感性。

然而宇宙物質(zhì)形成時，所承受的壓力強度遠(yuǎn)大于這個壓強。換句話說，要模擬地球內(nèi)部的高壓，需要比這個水壓機大得多的壓力設(shè)備。

美籍印度裔科學(xué)家賈亞拉曼是ATT實驗室中的一位研究人員。他的研究工作都涉及高壓下物質(zhì)的特性。雖然壓力要求很高，但實現(xiàn)它的裝備卻沒有那臺水壓機那么大(3米高、好幾噸重)。然而就是這個小設(shè)備，卻產(chǎn)生了比那臺水壓機高10～15倍的壓強。目前記錄到的它的最大壓力為170萬個大氣壓，這相當(dāng)于地表下面2900千米處的壓力。

這是一個什么樣的新裝置呢?

在這臺新裝置的中心，有兩顆純凈無瑕的寶石級金剛石，每顆重0．3-1克拉。金剛石的尖角磨成很小的平面相對安裝。它們被鑲嵌在極其精密的經(jīng)過淬火的硬鋼模里。它們使壓力沿垂直于金剛石面的軸向傳遞。

給金剛石微小端面施加壓力的方式有5種以上。但原理都是利用杠桿原理，與用核桃鉗夾核桃的力臂放大的道理沒有多大差別。把需要研究的微小物體放在兩顆金剛石端面之間，僅僅憑借手的力量就能通過機械放大500-1000倍，然后傳遞到金剛石之間的樣品上。因為面積很小，就造成了極大的壓強。這種裝置有很多變型，但利用的原理是一樣的。在技術(shù)界，凡是利用兩顆金剛石的端面向樣品施加高壓的設(shè)備，統(tǒng)稱金剛石壓砧腔。

金剛石壓砧就像釘子用它的尖端來形成很高的壓強一樣。

就是這種從原理到結(jié)構(gòu)都不復(fù)雜的機械裝置，人類為把它搞出來卻整整花了20年。

自從火藥廣泛應(yīng)用之后，人們發(fā)現(xiàn)用它造成的沖擊波可以在百萬分之幾秒內(nèi)產(chǎn)生很高的動壓力，如發(fā)射炮彈，炸開山巖：但是要產(chǎn)生很高的靜壓力就很不容易；然而如果能獲得這種高靜壓力，則物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)會發(fā)生許多變化，這些變化正是人們感興趣的。

于是，獲得高靜壓就成了關(guān)鍵。

產(chǎn)生高靜壓有一個附帶產(chǎn)生的麻煩問題，就是受壓物體不會處于真空之中，總要有一個容器來對它施壓，根據(jù)作用力和反作用力大小相等方向相反的原理，這個容器也同時受到極高的靜壓力，搞不好，它也要被壓碎。

所以使用容器，這有一個前提：就是樣品要均勻地受到各個方向相等的壓力，這就要把它放置到一個密封腔里，腔中充滿液體。這樣一個高壓腔容器的密封也是難題。

但是人類對高靜壓下物質(zhì)結(jié)構(gòu)的興趣，使他們無畏地接受了這個挑戰(zhàn)。最先搞這項研究的是美國哈佛大學(xué)的布里德曼。他幾乎單槍匹馬地研究這一問題達半個世紀(jì)，直到1961年他去世為止。他不僅研究了高靜壓下的各種元素和化合物，而且自己發(fā)明了工作所需的各種技術(shù)和裝置。他最先把兩顆金剛石引入壓砧，使它們的平行端面與壓力軸向垂直。他還通過試驗選定了極其堅硬的合金材料——碳化鎢來制造壓砧。為了保持高壓腔中的液體靜壓，布里德曼選擇了一種軟的固體物質(zhì)——氯化銀來包圍樣品，它能讓壓力均勻地傳遞到樣品表面上。

早在1905年時，布里德曼還是一名研究生，他發(fā)現(xiàn)：兩個壓砧之間的高壓室可以用一種軟物質(zhì)填料來密封。由于填料上的壓力總是大于高壓室內(nèi)的壓力，所以不管腔內(nèi)壓力多高，都有可能用填料做密封圈。

這些一點一滴的技術(shù)改進，使布里德曼獲得了10萬個大氣壓的靜壓力，他可以研究各種處在這種壓力下的物質(zhì)微結(jié)構(gòu)變化以及物質(zhì)性質(zhì)的改變。

之所以不能超越這一壓力極限，是受到碳化鎢壓砧的限制。為什么不用整塊金剛石作為壓砧材料呢?金剛石是科學(xué)上已知的最硬材料，它可以透光、透過X射線，讓研究者觀察壓力引起的變化，最重要的是：金剛石比碳化鎢硬。

1959年，美國國家標(biāo)準(zhǔn)局的幾位科學(xué)家開始嘗試把整塊金剛石做成高壓研究用的壓砧裝置。芝加哥大學(xué)的3位研究人員也做了這項工作。金剛石壓砧腔越來越完善。國家標(biāo)準(zhǔn)局終于把它作為高靜壓定量研究的精巧工具。

即便有了這套裝置，用它來測試樣品也是件挺復(fù)雜的事，往往要一名受過訓(xùn)練的鐘表技工才能完成。他要使用顯微鏡，而且對他操作的精度要求極高。

高級鐘表工匠先在金屬板上鉆一個直徑200微米的孔，孔深100微米。他接著把孔對到兩顆金剛石磨面之間，孔必須嚴(yán)格同沖擊軸處在一條直線上?？字械臉悠纺艹惺芨邏骸？字車慕饘僭诩訅簳r會被擠離金剛石磨面，它起到密封填料的作用。

孔的位置對好后，把精心制作的直徑200微米的標(biāo)本和一小塊用于標(biāo)定壓力的紅寶石片放人孔內(nèi)。最后，為了保持腔內(nèi)靜壓均勻分布還要將一滴液體用極細(xì)的針管滴人孔中把孔充滿。要抓緊在液體蒸發(fā)之前(因為它太少，蒸發(fā)很快)，迅速用金剛石磨面把孔密封住。

紅寶石片的作用是非常重要的，沒有它，就無法準(zhǔn)確測定高壓腔內(nèi)壓力的實時數(shù)值。因為孔與高壓腔太小，壓力又高，安裝任何探頭都很困難。紅寶石受光激發(fā)時會發(fā)出強的深紅色熒光。光譜僅能把它分解成兩個熒光峰，其波長是已知的。當(dāng)紅寶石上的壓力增高時，兩個熒光峰向較大波長方向偏移，偏移量相對于壓力數(shù)已被精確測定。在30萬個大氣壓內(nèi)，偏移量與壓力成正比，超過這一數(shù)值，線性略有變化，但仍被估算出。所以測出光譜的偏移就測出了壓力。這一切都完全是自動的。

滴入高壓腔內(nèi)的流體靜壓介質(zhì)有好幾種。通常是4份甲醇與1份乙醇的混合物。但壓力大于10．4萬個大氣壓，液體會被壓固，起不到介質(zhì)的作用。替換物是惰性氣體氙，它的凝固點為-112℃，用液態(tài)氮把氙冷卻，固態(tài)的氙仍然是一種優(yōu)良的流體靜壓介質(zhì)。它的好處是不會在高壓下與樣品發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。它足以承受30萬個大氣壓，再高到70萬個大氣壓時，就要用到固態(tài)氦和固態(tài)氫。

高壓下的物質(zhì)會呈現(xiàn)出一些人們始未料及的特性。一硫化釤是一種暗黑色的化合物半導(dǎo)體，但壓強達到7000個大氣壓時，它會像金子一樣發(fā)出閃閃黃光。繼而它的電阻率會大大下降接近于金屬。在顯微鏡下，透過金剛石壓砧腔觀察，隨著螺旋的壓緊和放松，一硫化釤樣品在金色和黑色之間一閃一閃。

固體物理學(xué)研究的方向之一是：一個固體的體積因高壓而縮小時，其原子結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)就會發(fā)生變化。這種變化會從根本上改變固體的物理特性。根據(jù)理論上的計算，科學(xué)家預(yù)測：在100萬甚至1億個大氣壓下的普通氣態(tài)物質(zhì)(室溫常壓)，會變成金屬性質(zhì)的固體，氫在200萬個大氣壓下成為金屬性質(zhì)的固體，氦轉(zhuǎn)變的條件1．1億個大氣壓。金剛石壓砧腔將考驗這些理論和預(yù)言。

固態(tài)的氙是一種很好的電絕緣體。1979年科學(xué)家通過金剛石壓砧腔，檢測到在130萬個大氣壓下，氙的電阻率接近于金屬。而在60萬個大氣壓時，氙的絕緣性還相當(dāng)穩(wěn)定。碘在常溫常壓下是一種紫色的晶體，絕緣良好。伊利諾依大學(xué)的科學(xué)家把碘置于20萬個大氣壓下，它的電阻極大地降低了。這種變化可以用原子核的電子能帶理論來解釋。

由于金剛石壓砧腔具有良好的透光性，科學(xué)家們可以用激光器照射樣品。激光器的作用多種多樣。它可以讓樣品折射它的單色光，通過分析光譜研究原子的密度和其他特征。它還能給樣品加熱，這樣就能模擬高溫高壓下物質(zhì)的變化。地球和其他星球的內(nèi)部往往是高溫高壓狀態(tài)，各種元素和化合物在那里發(fā)生反應(yīng)，變成巖漿和各種有用的礦物質(zhì)。模擬這一過程的條件將大有利于地質(zhì)學(xué)和礦物學(xué)的研究和進展。

有人會問：金剛石壓砧腔的最大承受壓力是多少呢?

根據(jù)金剛石的相變，保守的估計，它可以毫不困難地承受1000萬個大氣壓。而在2300萬個大氣壓時，它的原子結(jié)構(gòu)會改變，但不至于破壞。