剑桥大学 一种廉价的机器学习潜力允许研究温度在100到4000 K之间，压力在25到400吉帕斯卡之间的氢相变，具有收敛的模拟大小和时间
信用:EPFL·米歇尔·塞里奥提 致密的金属氢——氢的一个相，其行为类似于电导体——构成了巨型行星的内部，但这很难研究，也很难理解
通过结合人工智能和量子力学，研究人员发现了在这些行星的极端压力条件下，氢是如何变成金属的
来自剑桥大学、国际商用机器公司和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，以克服即使是最强大的超级计算机的尺寸和时间限制
他们发现，氢的变化不是突然发生的，也不是一级转变，而是平稳渐进的
研究结果发表在《自然》杂志上
氢由一个质子和一个电子组成，是宇宙中最简单也是最丰富的元素
它是太阳系巨型行星——木星、土星、天王星和海王星——以及围绕其他恒星运行的系外行星内部的主要组成部分
在巨大行星的表面，氢仍然是一种分子气体
然而，随着向巨型行星内部深处移动，压力超过了数百万个标准大气压
在这种极端的压缩下，氢经历了一个相变:氢分子内部的共价键断裂，气体变成导电的金属
“金属氢的存在在一个世纪前就有了理论，但我们还不知道这个过程是如何发生的，因为在实验室环境中重建一颗巨大行星内部的极端压力条件很困难，预测大型氢系统的行为也非常复杂，”主要作者Dr
剑桥卡文迪什实验室的程炳庆
实验学家试图用金刚石砧座来研究致密氢，在砧座中，两颗金刚石对一个封闭的样品施加高压
尽管钻石是地球上最坚硬的物质，但该装置在极端压力和高温下会失效，尤其是与氢接触时，这与钻石是永恒的说法相反
这使得实验既困难又昂贵
理论研究也具有挑战性:尽管氢原子的运动可以用基于量子力学的方程来解决，但计算几千个以上原子的系统在几纳秒以上的时间内的行为所需的计算能力，超过了世界上最大、最快的超级计算机的能力
通常认为稠密氢的转变是一级的，伴随着所有物理性质的突变
一级相变的一个常见例子是沸腾的液态水:一旦液体变成蒸汽，尽管温度和压力保持不变，但它的外观和行为会完全改变
在目前的理论研究中，程和她的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
“我们得出了一个令人惊讶的结论，并发现了致密氢流体中分子到原子连续跃迁的证据，而不是一级跃迁，”三一学院初级研究员程说
过渡是平滑的，因为相关的“临界点”是隐藏的
临界点在流体之间的所有相变中都是普遍存在的:所有能以两相形式存在的物质都有临界点
具有暴露临界点的系统，例如蒸汽和液态水的系统，具有明显不同的相
然而，具有隐藏临界点的稠密氢流体可以在分子相和原子相之间逐渐和连续地转变
此外，这个隐藏的临界点还会引发其他异常现象，包括密度和热容量最大值
关于连续跃迁的发现为解释致密氢实验的矛盾体提供了新的途径
这也意味着巨型气体行星的绝缘层和金属层之间的平滑过渡
如果不结合机器学习、量子力学和统计力学，这项研究是不可能的
毫无疑问，这种方法将在未来揭示更多关于氢系统的物理见解
作为下一步，研究人员旨在回答许多关于稠密氢的固相图的公开问题
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