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AI曾经用来展示氢如何变成巨型行星中的金属

致密的金属氢(一种行为像电导体的氢相)构成了巨型行星的内部,但它很难研究且了解甚少。通过将人工智能和量子力学相结合,研究人员发现了氢在这些行星的极端压力条件下如何变成金属。

来自剑桥大学,IBM研究部和EPFL的研究人员使用机器学习来模拟氢原子之间的相互作用,从而克服了即使是功能最强大的超级计算机的大小和时间限制。他们发现,氢不是以突然的或一阶的跃迁发生的,而是以平稳且逐渐的方式变化的。结果发表在《自然》杂志上。

氢由一个质子和一个电子组成,是宇宙中最简单和最丰富的元素。它是我们太阳系中木星,土星,天王星和海王星等巨大行星内部以及绕其他恒星运行的系外行星的主要组成部分。

在巨型行星的表面,氢仍然是分子气体。然而,进入更大的行星内部,压力超过了数百万个标准大气压。在这种极端压缩下,氢经历了一个相变:氢分子内部的共价键断裂,气体变成一种导电的金属。

“金属氢的存在是一个世纪以前的理论,但由于在实验室环境中难以重现巨大行星内部的极端压力条件,以及巨大的压力,我们尚不知道该过程是如何发生的。预测大型氢系统行为的复杂性。”来自剑桥大学卡文迪许实验室的主要作者程炳清博士说。

实验人员尝试使用金刚石砧盒研究稠密的氢,其中两颗金刚石对受限的样品施加高压。尽管钻石是地球上最坚硬的物质,但该设备在极端压力和高温下会失效,尤其是与氢接触时,这与钻石永远存在的说法相反。这使得实验既困难又昂贵。

理论研究也具有挑战性:尽管可以使用基于量子力学的方程式来解决氢原子的运动,但是计算具有数千个以上原子且持续时间超过几纳秒的系统行为所需的计算能力超出了氢原子的能力。世界上最大,最快的超级计算机。

通常认为稠密氢的跃迁是一阶的,伴随着所有物理性质的突变。一阶相变的一个常见的例子是沸腾液体水:一旦液体变成蒸气,其外观和行为完全尽管温度和压力保持不变而改变。

在当前的理论研究中,Cheng及其同事使用机器学习来模拟氢原子之间的相互作用,以克服直接量子力学计算的局限性。

也是三位一体学院的初级研究员的程说:“我们得出了令人惊讶的结论,并发现了在稠密的氢流体中发生连续的分子到原子跃迁的证据,而不是一阶的。”

过渡是平滑的,因为相关的“ 临界点 ”被隐藏了。临界点在流体之间的所有相变中无处不在:可以存在于两相中的所有物质都具有临界点。具有暴露临界点的系统(例如用于蒸气和液态水的临界点)具有明显不同的相。然而,具有隐藏的临界点的致密氢流体可以在分子和原子相之间逐渐且连续地转变。此外,这个隐藏的临界点还引起其他异常现象,包括密度和热容量最大值。

关于连续转变的发现提供了一种解释密集氢实验矛盾体的新方法。它还暗示着巨大的气体行星中绝缘层和金属层之间的平滑过渡。如果不将机器学习,量子力学和统计力学相结合,就不可能进行这项研究。毫无疑问,这种方法将在未来揭示关于氢系统的更多物理见解。下一步,研究人员旨在回答有关致密氢固相图的许多悬而未决的问题。

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