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液態(tài) 科學(xué)家重現(xiàn)木星內(nèi)部壓強(qiáng)，壓縮氫氣成液態(tài)金屬氫？


簡(jiǎn)介：新實(shí)驗(yàn)使用人工智能習(xí)得解釋了在行星內(nèi)核，高溫高壓下氫如何從氣體變?yōu)榻饘賾B(tài)，且這個(gè)過(guò)程像水汽化一樣平穩(wěn)漸進(jìn)。



液態(tài) 科學(xué)家重現(xiàn)木星內(nèi)部壓強(qiáng)，壓縮氫氣成液態(tài)金屬氫？
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“溫度越高，它的金屬性就越強(qiáng)。”
簡(jiǎn)介：新實(shí)驗(yàn)使用人工智能習(xí)得解釋了在行星內(nèi)核，高溫高壓下氫如何從氣體變?yōu)榻饘賾B(tài)，且這個(gè)過(guò)程像水汽化一樣平穩(wěn)漸進(jìn)。
氫是宇宙中最簡(jiǎn)單的元素，它由一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)電子組成。它也是宇宙中含量最高的元素，約占所有普通物質(zhì)的75％。
像木星、海王星和土星這樣的巨型行星的氣態(tài)核心中，氫是主要成分。盡管氫在表面上保留了一種分子氣體，但在其內(nèi)部，它卻在行星內(nèi)部深處轉(zhuǎn)化為了金屬氫。


液態(tài) 科學(xué)家重現(xiàn)木星內(nèi)部壓強(qiáng)，壓縮氫氣成液態(tài)金屬氫？
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直到現(xiàn)在，氫是如何做到這一點(diǎn)的仍然是個(gè)謎。一組研究人員使用人工智能系統(tǒng)重新創(chuàng)建了氫自我轉(zhuǎn)化的過(guò)程，揭示了這一狀態(tài)巨變的基礎(chǔ)是一個(gè)漸進(jìn)而平穩(wěn)的過(guò)程。
研究人員的發(fā)現(xiàn)在周三發(fā)表的《自然》雜志上一項(xiàng)研究中得到了詳細(xì)說(shuō)明。


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【 液態(tài)|科學(xué)家重現(xiàn)木星內(nèi)部壓強(qiáng)，壓縮氫氣成液態(tài)金屬氫？】
氫氣通過(guò)漸進(jìn)平穩(wěn)的過(guò)程逐漸轉(zhuǎn)變成木星等氣體巨星內(nèi)部的金屬氫
程炳清等人
程炳清作為劍橋大學(xué)的研究員，同時(shí)也是這項(xiàng)新研究的主要作者，他想找出氫變成金屬的過(guò)程，以便更好地了解太陽(yáng)系之中或超越太陽(yáng)系，這些巨型行星內(nèi)部發(fā)生的事情。
“溫度越高，金屬性就越強(qiáng)。”
程炳清告訴《反轉(zhuǎn)》雜志，“從實(shí)驗(yàn)上來(lái)說(shuō)，這是很難做到的，因?yàn)楹茈y在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中重新創(chuàng)建巨型行星內(nèi)部的極端壓力條件。”
與之相反，程炳清和她的團(tuán)隊(duì)用機(jī)器學(xué)習(xí)來(lái)模擬這些條件，并觀察氫原子之間的相互作用。
低壓環(huán)境中，氫是一種氣體。但隨著這些巨型行星內(nèi)部壓力的增加，不同氫分子之間的間距減小，氫分子內(nèi)部的共價(jià)鍵斷裂。然后氫原子以液態(tài)運(yùn)行，電子從原子中脫離出來(lái)。這些電子成了金屬中的電子，所以氣體變成了導(dǎo)電的金屬。


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程炳清說(shuō)，“在此過(guò)程中，隨著壓力的增加，它的金屬性就越強(qiáng)。溫度越高，它的金屬性也越強(qiáng)。”


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順利的過(guò)程：研究人員驚喜地發(fā)現(xiàn)過(guò)渡漸進(jìn)而順利。以前試圖解釋這種轉(zhuǎn)變，都是假設(shè)它是從氣體突然變成金屬的，就像水在沸騰時(shí)從液體變?yōu)闅怏w一樣。
就算低于100攝氏度的沸點(diǎn)，水仍處于液態(tài)，而一旦沸騰水就突然變成氣體了。但在巨型行星的內(nèi)部，這種變化是漸進(jìn)的。
程炳清說(shuō)，“當(dāng)你潛入木星時(shí)，你經(jīng)歷的所有變化都順利過(guò)渡。”
木星及其他類似的巨型行星的中心，與地球的中心大不相同。地球的巖石內(nèi)核由鐵和硅這樣的重元素組成，而木星、海王星、天王星、土星及其他已知的系外行星主要由氣體組成。
最近的研究還可以幫助研究人員確定為什么木星具有某些不尋常的特征，例如強(qiáng)磁場(chǎng)和固有光度。
程炳清說(shuō)，“即使木星結(jié)構(gòu)良好，氫的轉(zhuǎn)變過(guò)程現(xiàn)在仍在進(jìn)行。這實(shí)際上是地球當(dāng)前狀態(tài)的結(jié)論。”


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摘要：氫是宇宙中最簡(jiǎn)單的也是最豐富的元素。氫在壓縮時(shí)會(huì)表現(xiàn)出極為復(fù)雜的行為。1大約一個(gè)世紀(jì)前，維格納就預(yù)測(cè)兆帕壓力下固態(tài)氫的分解以及金屬化，2人們做出了許多努力來(lái)解釋濃氫不尋常的特性，像是豐富卻鮮為人知的固體多態(tài)性1，3，4，5，這是異常的熔化線，6以及過(guò)渡到超導(dǎo)狀態(tài)的可能性。7在這種極端條件下進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)具有挑戰(zhàn)性，這總是會(huì)產(chǎn)生難以解釋的有爭(zhēng)議的觀察結(jié)果，而理論研究會(huì)受到精確的量子力學(xué)巨大計(jì)算成本的限制。在此，我們對(duì)濃氫的相圖進(jìn)行了理論研究，利用機(jī)器學(xué)習(xí)從參考計(jì)算中“學(xué)習(xí)”勢(shì)能面和原子間力，然后以較低的計(jì)算成本進(jìn)行預(yù)測(cè)，以此克服長(zhǎng)度和時(shí)間尺度上的限制。我們?cè)佻F(xiàn)了凹腔熔化行為和固相的多態(tài)性。我們使用基于機(jī)器學(xué)習(xí)的電勢(shì)進(jìn)行模擬為液體分子到原子的連續(xù)躍遷提供了證據(jù)，熔化線以上未觀察到一階躍遷。這表明巨型氣體行星的絕緣層和金屬層之間可以順利過(guò)渡，并且可以調(diào)和實(shí)驗(yàn)之間的現(xiàn)有差異，作為超臨界行為的體現(xiàn)。

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