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2019.04.10
當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家證實，在適當?shù)膲毫蜏囟认拢@種金屬可以同時保持固體和液體狀態(tài)?！斑@有點奇怪，”該研究的合作者、愛丁堡大學的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)人小學時只知道物質(zhì)的三種狀態(tài)，但物理學家已經(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，一個研究團隊使用一種人工智能證實了一種新物質(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、愛丁堡大學的凝聚態(tài)物理者Andreas Hermann說，其研究團隊在本周的《美國國家科學院院刊》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。當被打造成一根固體棒時，鉀原子會排列成排，很容易導熱和導電。很長一段時間以來，研究人員認為他們可以很輕易地預測這些晶體結(jié)構在巨大壓力下會發(fā)生什么變化。 不過，大約15年前，科學家們發(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)不僅不導電，反而會阻止電流流動?？茖W家通過x射線探測鈉后發(fā)現(xiàn)，其原子組成了復雜的晶體結(jié)構，而不是單一的晶體結(jié)構。 科學家對鉀也進行了大量實驗研究。在類似的極限壓力下，鉀的原子會排列成一種復雜的形態(tài)——5個柱形管構成的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)構松散的亞晶格，”Hermann說。不過，當科學家提高溫度后，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)絡的人工智能來進行模擬。神經(jīng)網(wǎng)絡是一種人工智能機器，能夠根據(jù)先前的例子來學習如何預測行為。研究者使用少量鉀原子對神經(jīng)網(wǎng)絡進行模擬訓練后，神經(jīng)網(wǎng)絡深入掌握了量子力學，足以模擬包含上萬個鉀原子集合的行為特征。 計算機模型證實，在大約20000-40000倍大氣壓和127℃-527℃的溫度下，鉀進入了所謂的鏈融態(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)。 這是科學家首次證明任何元素在這種狀態(tài)下都能保持熱力學穩(wěn)定性。 該研究團隊開發(fā)的機器學習技術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驗室設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，”他補充道。 奇異狀態(tài) 現(xiàn)在科學家已經(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。 超導體：當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)，夸克可以在攜帶強作用力的膠子之間自由運動。 （譯者：流浪狗） |
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