人工智慧用來顯示氫是如何在巨型行星內變成金屬的 | 章魚通

廉價的機器電子學習潛力使人們能夠對100 - 4000 K溫度下氫階段的過渡以及25 - 400千兆字節的壓力進行調查，模擬規模和時間趨於一致。Credit : @ Michele Ceriotti , EPFL。

氫的密集金屬氫氣相像電導體一樣，構成了巨大行星的內部，但難以研究和了解。通過將人工智慧和量子力學結合起來，研究人員發現氫是如何在這些行星的極端壓力條件下成為金屬的。

劍橋大學(University of Cambridge)、 IBM研究公司(IBM Research)和EPFL的研究人員利用機器學習模仿氫原子之間的相互作用，以克服甚至最強大的超級計算機的體積和時標限制。他們發現，氫的變化不是突如其來或一蹴而就，而是以平穩和漸進的方式發生的。研究結果在《自然》雜誌上報告。

氫由一個質子和一個電子組成，是宇宙中最簡單和最豐富的元素。它是我們太陽系&34; 、 &34; 、 &34;和&34;以及環繞其他恆星的外行星的主要組成部分。

在巨型行星表面，氫仍然是一種分子氣體。然而，深入到巨型行星的內部，壓力超過了數百萬標準大氣。在這種極端壓縮下，氫經歷了一個階段的過渡：氫分子內部的熱粘結破裂，氣體成為一種進行發電的金屬。

劍橋卡文迪什實驗室(Cavendish Laboratory)的第一作者程賓青博士(Bingqing Cheng)說， 「金屬氫的存在是一個世紀前推測出來的，但我們還不知道這個過程是如何發生的，因為在實驗室環境中，很難重現一個巨大星球內部的極端壓力條件，而且預測大型氫系統的行為也非常複雜。 」

實驗人員試圖利用鑽石邪惡電池對密密氫進行調查，在這種電池中，兩名鑽石對一個密閉的樣品施加高壓。儘管鑽石是地球上最困難的物質，但與鑽石永遠存在的說法相反，該裝置將在極端壓力和高溫下失靈，特別是在接觸氫的情況下。這使實驗既困難又昂貴。

理論研究也具有挑戰性：雖然氫原子的運動可以用基於量子力學的方程式來解決，但計算幾千個原子以上的系統在幾毫秒以上的時間內的性能所需的計算能力超過了世界上最大和最快的超級計算機的能力。

人們普遍認為，密集氫的過渡是最重要的，伴隨著所有物理特性的突然變化。第一級過渡的一個常見例子是沸騰的液體水：一旦液體變成蒸汽，其外觀和行為就會完全改變，儘管溫度和壓力保持不變。

在目前的理論研究中，成及其同事利用機器學習模仿氫原子之間的相互作用，以克服直接量子機械計算的局限性。

「我們得出了一個出人意料的結論，發現了大量氫液中的分子向原子過渡的證據，而不是第一流， 」成曉河說。成曉河也是利邦學院( College)的一名青年研究員。

過渡是平穩的，因為相關的&34;是隱蔽的。在液體之間的所有階段過渡中，關鍵點無處不在：分兩個階段存在的所有物質都有關鍵點。具有暴露臨界點的系統，如蒸汽和液態水系統，具有明顯不同的階段。然而，高密度氫液體，加上隱藏的臨界點，可在分子階段和原子階段之間逐步和持續地轉變。此外，這一隱藏的臨界點還引發了其他不尋常的現象，包括密度和熱力最大化。

關於持續過渡的調查結果為解釋密集氫方面相互矛盾的實驗提供了一種新的方法。這還意味著在巨大的天然氣行星上絕緣層和金屬層之間的平穩過渡。如果不將機器學習、量子力學和統計學機械結合起來，就不可能進行這項研究。毫無疑問，這種辦法將在今後發現更多關於氫系統的實際見解。作為下一步，研究人員的目標是回答有關密氫固相圖的許多未決問題。

由國家提供

劍橋大學（劍橋大學）

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