致密的金屬氫(一種行為像電導體的氫相)構(gòu)成了巨型行星的內(nèi)部，但它很難研究且理解不清。通過將人工智能和量子力學相結(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。

來自劍橋大學，IBM研究部和EPFL的研究人員使用機器學習來模擬氫原子之間的相互作用，從而克服了即使是功能最強大的超級計算機的大小和時間限制。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。

氫由一個質(zhì)子和一個電子組成，是宇宙中最簡單和最豐富的元素。它是我們太陽系中木星，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，進入更大的行星內(nèi)部，壓力超過了數(shù)百萬個標準大氣壓。在這種極端壓縮下，氫經(jīng)歷了一個相變：氫分子內(nèi)部的共價鍵斷裂，氣體變成一種導電的金屬。

“金屬氫的存在是一個世紀以前的理論，但由于在實驗室環(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，我們尚不知道該過程是如何發(fā)生的。預測大型氫系統(tǒng)行為的復雜性。”來自劍橋大學卡文迪許實驗室的主要作者程炳清博士說。

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

理論研究也具有挑戰(zhàn)性：盡管可以使用基于量子力學的方程式來解決氫原子的運動，但是計算具有數(shù)千個以上原子且持續(xù)時間超過幾納秒的系統(tǒng)行為所需的計算能力超出了氫原子的能力。世界上最大，最快的超級計算機。

通常認為稠密氫的躍遷是一階的，伴隨著所有物理性質(zhì)的突變。一階相變的一個常見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。

在當前的理論研究中，Cheng及其同事使用機器學習來模擬氫原子之間的相互作用，以克服直接量子力學計算的局限性。

也是三位一體學院的初級研究員的程說：“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。”

過渡是平滑的，因為相關的“ 臨界點 ”被隱藏了。臨界點在流體之間的所有相變中無處不在：可以存在于兩相中的所有物質(zhì)都具有臨界點。具有暴露臨界點的系統(tǒng)(例如用于蒸氣和液態(tài)水的臨界點)具有明顯不同的相。然而，具有隱藏的臨界點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，這個隱藏的臨界點還引起其他異?，F(xiàn)象，包括密度和熱容量最大值。

關于連續(xù)轉(zhuǎn)變的發(fā)現(xiàn)提供了一種解釋密集氫實驗矛盾體的新方法。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渡。如果不將機器學習，量子力學和統(tǒng)計力學相結(jié)合，就不可能進行這項研究。毫無疑問，這種方法將在未來揭示關于氫系統(tǒng)的更多物理見解。下一步，研究人員旨在回答有關致密氫固相圖的許多懸而未決的問題。