高压锅的优点和缺点

有句老话：“人往高处走，水往低处流。”自古以来，人们对高处的地方有着无穷的向往。对于物理学家来说，除了攀登地理上的高峰外，也要不断攀登科学的高峰。这意味着需要不断创造更极端的实验环境。

在高原地区，除了人会因为气压降低、氧气含量减少而出现高原反应外，我们日常使用的物品也会出现“高反”现象。比如牙膏、洗面奶等物品会而出，薯片袋会膨胀并爆开。这些现象都是因为外界气压降低导致物体内部气体与外界形成气压差所引起的。

那么，为什么海拔越高，气压越低呢？我们可以通过理想气体状态方程进行解析。考虑一定高度处的一小层薄薄的大气，受到自身的重力、上下表面气体的压力等。假设下表面的压力为p，由于大气压随高度变化而变化，上表面的压力设为p+dp。通过受力平衡，我们可以得到气压随海拔高度的变化公式。在这个模型中，我们可以暂时假设大气温度不随高度变化，虽然这个假设在真实环境中并不完全准确，但在某些高度范围内可以近似成立。

在高原地区，许多物体的“高反现象”源于低气压。换句话说，薯片和牙膏的膨胀都是因为其内部相对于外界有了一个较高的压力。除了日常生活中使用的高压锅外，实验室中也可以通过制造高压环境对各种材料进行实验。最简单的实现高压的方法是对气体或液体进行压缩。比如对于气体来说，可以根据前面的气体状态方程进行等温压缩过程，压缩气体的体积即可增大压力。

早期的高压科学装置是由英国物理学家Parsons设计的-圆筒装置，但由于加压腔体体积较大和材料限制，这个装置的加压能力有限，通常用于产生5GPa以下的压力环境。随后，物理学家Bridgman引入了“压砧”装置，实现更高压力的实验环境，这个装置被称为Bridgman压机。现代高压技术的基本构造仍以Bridgman压机为基础。

为了改善-圆筒装置和压砧装置的缺点，Drickamar和Balchan将压砧和圆筒进行组合，设计出Drickamar装置。为了在高腔体中施加均匀的压力大小，人们发展了多面体压砧和金刚石压砧技术。金刚石是已知的最质，用金刚石作为压砧材料必然可以实现极高的极限压力。利用金刚石对顶砧进行高压实验的原理非常简单：将样品放置在两个金刚石面的中间，然后挤压中间的密封材料产生高压。密封材料的小孔内充满液态或固态的传压介质，使样品受到静水压或准静水压环境。迄今为止，利用金刚石对顶砧已达到550GPa的高压。由于金刚石是透明材料，可以广泛应用于高压科学之中。

在完成了高压的实现后，下一步要考虑的是如何对高压进行标定。最可靠的测量超高压强的方法就是利用已知材料的状态方程。另一种常用的方法是通过光谱法进行压力标定。最常用的压力标定材料是红宝石。红宝石内部的电子能级结构会随着压力的变化而变化，因此可以通过测定红宝石辐射荧光的波长来确定当前其所处的压力状态。这一技术的实现极大地促进了高压实验技术的发展。

超高压技术作为物理学家