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2019.04.10
當(dāng)向試管中投入一小粒金屬鉀后，這顆金屬鈉會劇烈地移動——熔化，嘶嘶作響，甚至跳躍，變成氫氣泡和氫氧化鉀?？茖W(xué)家證實(shí)，在適當(dāng)?shù)膲毫蜏囟认?，這種金屬可以同時保持固體和液體狀態(tài)。“這有點(diǎn)奇怪，”該研究的合作者、愛丁堡大學(xué)的Andreas Hermann說。 攝影：TURTLE ROCK SCIENTIFIC/SCIENCE SOURCE 撰文：ADAM MANN 固體、液體、氣體……其它狀態(tài)？雖然大多數(shù)人小學(xué)時只知道物質(zhì)的三種狀態(tài)，但物理學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了幾種可在極端的溫度和壓力條件下存在的奇異物質(zhì)狀態(tài)。 最近，一個研究團(tuán)隊(duì)使用一種人工智能證實(shí)了一種新物質(zhì)狀態(tài)的存在。在這種狀態(tài)下，鉀原子同時表現(xiàn)出固態(tài)和液態(tài)的特性。如果你能找到一大塊這類物質(zhì)，它可能看起來就像一個滲漏熔融鉀的固體塊，最終全部溶解。 “這就像是拿著一塊滴水的海綿，而海綿也是水做的，”研究合作者、愛丁堡大學(xué)的凝聚態(tài)物理者Andreas Hermann說，其研究團(tuán)隊(duì)在本周的《美國國家科學(xué)院院刊》上介紹了新研究。 在地幔的天然條件下，可能會存在這種異常狀態(tài)的鉀，但這種元素通常不是以單質(zhì)形式存在，而是與其他物質(zhì)結(jié)合在一起。類似的模擬研究可以幫助科學(xué)家探索其他礦物質(zhì)在這種極端環(huán)境下的行為特征。 滲漏的晶體 在微觀層面，像鉀這樣的金屬，其原子排列特征顯而易見。當(dāng)被打造成一根固體棒時，鉀原子會排列成排，很容易導(dǎo)熱和導(dǎo)電。很長一段時間以來，研究人員認(rèn)為他們可以很輕易地預(yù)測這些晶體結(jié)構(gòu)在巨大壓力下會發(fā)生什么變化。 不過，大約15年前，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)鈉（一種與鉀性質(zhì)相似的金屬）在被壓縮時出現(xiàn)了一些奇怪的變化。在兩萬個地球表面氣壓下，鈉從銀白色的固體變成了一種透明的物質(zhì)，這種物質(zhì)不僅不導(dǎo)電，反而會阻止電流流動。科學(xué)家通過x射線探測鈉后發(fā)現(xiàn)，其原子組成了復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu)，而不是單一的晶體結(jié)構(gòu)。 科學(xué)家對鉀也進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)研究。在類似的極限壓力下，鉀的原子會排列成一種復(fù)雜的形態(tài)——5個柱形管構(gòu)成的X形，其中4條長鏈位于X形的彎曲部分，看起來就像兩個獨(dú)立的、互不交織的物質(zhì)。 “不知道什么原因，這些鉀原子組合成了兩個結(jié)構(gòu)松散的亞晶格，”Hermann說。不過，當(dāng)科學(xué)家提高溫度后，x射線像顯示四個鏈消失了，研究人員對究竟是怎么回事進(jìn)行了爭論。 為了尋找答案，Hermann和同事們使用了一種被稱為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的人工智能來進(jìn)行模擬。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種人工智能機(jī)器，能夠根據(jù)先前的例子來學(xué)習(xí)如何預(yù)測行為。研究者使用少量鉀原子對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行模擬訓(xùn)練后，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)深入掌握了量子力學(xué)，足以模擬包含上萬個鉀原子集合的行為特征。 計(jì)算機(jī)模型證實(shí)，在大約20000-40000倍大氣壓和127℃-527℃的溫度下，鉀進(jìn)入了所謂的鏈融態(tài)。在這種狀態(tài)下，鉀中的鏈溶解成液體，而剩余的鉀晶體則保持固態(tài)。 這是科學(xué)家首次證明任何元素在這種狀態(tài)下都能保持熱力學(xué)穩(wěn)定性。 該研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)的機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)可能有助于模擬其他物質(zhì)的行為，Marius Millot說，他在勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室設(shè)置的極端條件下研究材料。 “宇宙中的大部分物質(zhì)都處于高壓和高溫下，比如行星和恒星的內(nèi)部，”他補(bǔ)充道。 奇異狀態(tài) 現(xiàn)在科學(xué)家已經(jīng)確定了鉀的“鏈熔融相”，除了已知的氣體、液體和固體等常見物質(zhì)狀態(tài)之外，還有以下幾種其他不尋常物質(zhì)狀態(tài)： 等離子體：一種過熱的氣體，氣體的原子核與電子分離，這意味著它們可以產(chǎn)生電場和磁場，并受到電場和磁場的影響。 玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)：只有在接近絕對零度時才會形成，這種物質(zhì)中的所有原子會像單個粒子一樣活動。 超導(dǎo)體：當(dāng)某些金屬被冷卻到低溫時，電流可以毫無阻力在其中穿過。 超流體：一種液體冷卻到接近絕對零度時，可以自由流動，完全沒有摩擦力，甚至可以沿著容器的側(cè)面向上流動，然后滴到外面。 簡并態(tài)物質(zhì)：這種物質(zhì)只發(fā)現(xiàn)于白矮星和中子星的極高壓下，白矮星和中子星是兩種死亡恒星。 夸克-膠子等離子體：質(zhì)子和中子溶解成其組成成分夸克的一種狀態(tài)，夸克可以在攜帶強(qiáng)作用力的膠子之間自由運(yùn)動。 （譯者：流浪狗） |
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