致密的金屬氫(一種行為像電導(dǎo)體的氫相)構(gòu)成了巨型行星的內(nèi)部，但它很難研究且理解不清。通過(guò)將人工智能和量子力學(xué)相結(jié)合，研究人員發(fā)現(xiàn)了氫在這些行星的極端壓力條件下如何變成金屬。

來(lái)自劍橋大學(xué)，IBM研究部和EPFL的研究人員使用機(jī)器學(xué)習(xí)來(lái)模擬氫原子之間的相互作用，從而克服了即使是功能最強(qiáng)大的超級(jí)計(jì)算機(jī)的大小和時(shí)間限制。他們發(fā)現(xiàn)，氫不是以突然的或一階的躍遷發(fā)生的，而是以平穩(wěn)且逐漸的方式變化的。結(jié)果發(fā)表在《自然》雜志上。

氫由一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)電子組成，是宇宙中最簡(jiǎn)單和最豐富的元素。它是我們太陽(yáng)系中木星，土星，天王星和海王星等巨大行星內(nèi)部以及繞其他恒星運(yùn)行的系外行星的主要組成部分。

在巨型行星的表面，氫仍然是分子氣體。然而，進(jìn)入更大的行星內(nèi)部，壓力超過(guò)了數(shù)百萬(wàn)個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。在這種極端壓縮下，氫經(jīng)歷了一個(gè)相變：氫分子內(nèi)部的共價(jià)鍵斷裂，氣體變成一種導(dǎo)電的金屬。

“金屬氫的存在是一個(gè)世紀(jì)以前的理論，但由于在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中難以重現(xiàn)巨大行星內(nèi)部的極端壓力條件，以及巨大的壓力，我們尚不知道該過(guò)程是如何發(fā)生的。預(yù)測(cè)大型氫系統(tǒng)行為的復(fù)雜性。”來(lái)自劍橋大學(xué)卡文迪許實(shí)驗(yàn)室的主要作者程炳清博士說(shuō)。

實(shí)驗(yàn)人員嘗試使用金剛石砧盒研究稠密的氫，其中兩顆金剛石對(duì)受限的樣品施加高壓。盡管鉆石是地球上最堅(jiān)硬的物質(zhì)，但該設(shè)備在極端壓力和高溫下會(huì)失效，尤其是與氫接觸時(shí)，這與鉆石永遠(yuǎn)存在的說(shuō)法相反。這使得實(shí)驗(yàn)既困難又昂貴。

理論研究也具有挑戰(zhàn)性：盡管可以使用基于量子力學(xué)的方程式來(lái)解決氫原子的運(yùn)動(dòng)，但是計(jì)算具有數(shù)千個(gè)以上原子且持續(xù)時(shí)間超過(guò)幾納秒的系統(tǒng)行為所需的計(jì)算能力超出了氫原子的能力。世界上最大，最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)。

通常認(rèn)為稠密氫的躍遷是一階的，伴隨著所有物理性質(zhì)的突變。一階相變的一個(gè)常見(jiàn)的例子是沸騰液體水：一旦液體變成蒸氣，其外觀和行為完全盡管溫度和壓力保持不變而改變。

在當(dāng)前的理論研究中，Cheng及其同事使用機(jī)器學(xué)習(xí)來(lái)模擬氫原子之間的相互作用，以克服直接量子力學(xué)計(jì)算的局限性。

也是三位一體學(xué)院的初級(jí)研究員的程說(shuō)：“我們得出了令人驚訝的結(jié)論，并發(fā)現(xiàn)了在稠密的氫流體中發(fā)生連續(xù)的分子到原子躍遷的證據(jù)，而不是一階的。”

過(guò)渡是平滑的，因?yàn)橄嚓P(guān)的“ 臨界點(diǎn) ”被隱藏了。臨界點(diǎn)在流體之間的所有相變中無(wú)處不在：可以存在于兩相中的所有物質(zhì)都具有臨界點(diǎn)。具有暴露臨界點(diǎn)的系統(tǒng)(例如用于蒸氣和液態(tài)水的臨界點(diǎn))具有明顯不同的相。然而，具有隱藏的臨界點(diǎn)的致密氫流體可以在分子和原子相之間逐漸且連續(xù)地轉(zhuǎn)變。此外，這個(gè)隱藏的臨界點(diǎn)還引起其他異常現(xiàn)象，包括密度和熱容量最大值。

關(guān)于連續(xù)轉(zhuǎn)變的發(fā)現(xiàn)提供了一種解釋密集氫實(shí)驗(yàn)矛盾體的新方法。它還暗示著巨大的氣體行星中絕緣層和金屬層之間的平滑過(guò)渡。如果不將機(jī)器學(xué)習(xí)，量子力學(xué)和統(tǒng)計(jì)力學(xué)相結(jié)合，就不可能進(jìn)行這項(xiàng)研究。毫無(wú)疑問(wèn)，這種方法將在未來(lái)揭示關(guān)于氫系統(tǒng)的更多物理見(jiàn)解。下一步，研究人員旨在回答有關(guān)致密氫固相圖的許多懸而未決的問(wèn)題。