“温度越高，它的金属性就越强。” 简介：新实验使用人工智能习得解释了在行星内核，高温高压下氢如何从气体变为金属态，且这个过程像水汽化一样平稳渐进。 氢是宇宙中最简单的元素，它由一个质子和一个电子组成。它也是宇宙中含量最高的元素，约占所有普通物质的75％。 像木星、海王星和土星这样的巨型行星的气态核心中，氢是主要成分。尽管氢在表面上保留了一种分子气体，但在其内部，它却在行星内部深处转化为了金属氢。
直到现在，氢是如何做到这一点的仍然是个谜。一组研究人员使用人工智能系统重新创建了氢自我转化的过程，揭示了这一状态巨变的基础是一个渐进而平稳的过程。 研究人员的发现在周三发表的《自然》杂志上一项研究中得到了详细说明。
氢气通过渐进平稳的过程逐渐转变成木星等气体巨星内部的金属氢 程炳清等人 程炳清作为剑桥大学的研究员，同时也是这项新研究的主要作者，他想找出氢变成金属的过程，以便更好地了解太阳系之中或超越太阳系，这些巨型行星内部发生的事情。 “温度越高，金属性就越强。” 程炳清告诉《反转》杂志，“从实验上来说，这是很难做到的，因为很难在实验室环境中重新创建巨型行星内部的极端压力条件。” 与之相反，程炳清和她的团队用机器学习来模拟这些条件，并观察氢原子之间的相互作用。 低压环境中，氢是一种气体。但随着这些巨型行星内部压力的增加，不同氢分子之间的间距减小，氢分子内部的共价键断裂。然后氢原子以液态运行，电子从原子中脱离出来。这些电子成了金属中的电子，所以气体变成了导电的金属。
程炳清说，“在此过程中，随着压力的增加，它的金属性就越强。温度越高，它的金属性也越强。”
顺利的过程：研究人员惊喜地发现过渡渐进而顺利。以前试图解释这种转变，都是假设它是从气体突然变成金属的，就像水在沸腾时从液体变为气体一样。 就算低于100摄氏度的沸点，水仍处于液态，而一旦沸腾水就突然变成气体了。但在巨型行星的内部，这种变化是渐进的。 程炳清说，“当你潜入木星时，你经历的所有变化都顺利过渡。” 木星及其他类似的巨型行星的中心，与地球的中心大不相同。地球的岩石内核由铁和硅这样的重元素组成，而木星、海王星、天王星、土星及其他已知的系外行星主要由气体组成。 最近的研究还可以帮助研究人员确定为什么木星具有某些不寻常的特征，例如强磁场和固有光度。 程炳清说，“即使木星结构良好，氢的转变过程现在仍在进行。这实际上是地球当前状态的结论。”
摘要：氢是宇宙中最简单的也是最丰富的元素。氢在压缩时会表现出极为复杂的行为。1大约一个世纪前，维格纳就预测兆帕压力下固态氢的分解以及金属化，2人们做出了许多努力来解释浓氢不寻常的特性，像是丰富却鲜为人知的固体多态性1，3，4，5，这是异常的熔化线，6以及过渡到超导状态的可能性。7在这种极端条件下进行的实验具有挑战性，这总是会产生难以解释的有争议的观察结果，而理论研究会受到精确的量子力学巨大计算成本的限制。在此，我们对浓氢的相图进行了理论研究，利用机器学习从参考计算中“学习”势能面和原子间力，然后以较低的计算成本进行预测，以此克服长度和时间尺度上的限制。我们再现了凹腔熔化行为和固相的多态性。我们使用基于机器学习的电势进行模拟为液体分子到原子的连续跃迁提供了证据，熔化线以上未观察到一阶跃迁。这表明巨型气体行星的绝缘层和金属层之间可以顺利过渡，并且可以调和实验之间的现有差异，作为超临界行为的体现。
作者: inverse |
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