Газовые гиганты Солнечной системы и наглядное сравнение с Землей (в центре)
Изолирующий водород становится проводящим металлическим твердым телом при очень высоком давлении. Такой удивительный фазовый переход остается плохо изученным. Но он может произвести революцию в технологиях и помочь понять, что происходит в самом сердце планет-гигантов, в основном состоящих из водорода. Искусственный интеллект теперь помогает смоделировать поведение металлического водорода на компьютере, чтобы раскрыть тайну.
Глубокое обучение искусственного интеллекта позволило сократить время вычислений за счет умного численного моделирования, объединяющего законы квантовой механики и статистической механики. Все это необходимо для изучения развития теоретического открытия, сделанного в 1935 г. венгерским лауреат ом Нобелевской премии Юджин Вигнер со своим коллегой американским физиком Хиллардом Беллом Хантингтоном. Очень молодая теория химической связи привела их к пониманию того, что ковалентные связи атомов в молекулах водорода H2 в конечном итоге уступают место связям металлов, если эти молекулы были достаточно сжаты. Позже выяснилось, что металлический водород может обладать замечательными сверхпроводящими свойствами и что он скорее всего находится в ядрах гигантских газовых планет Солнечной системы.
Художественная интерпретация экзопланеты WASP-121b, которая является представителем планет типа горячий Юпитер, но расположена слишком близко к родительской звезде
Если металлический водород действительно является сверхпроводящим, и особенно если он остается таким при атмосферном давлении, будучи метастабильным после образования при давлении около одного миллиона атмосфер, его технологические применения будут многочисленны. Таким образом, весь прогресс в этой области исследований дополнительно даст ключи к пониманию происхождения магнитных полей гигантов, таких как Юпитер, Сатурн и их кузенов, в области экзопланет. Физики теперь говорят, что согласно расчетам, сделанным возможным благодаря ИИ, фазовый переход, приводящий к сверхпроводящему металлическому водороду, не будет первоклассным на их жаргоне.
Это отсылка к первоначальной работе гениального физика Поля Эренфеста, жизнь которого трагически оборвалась. В начале 20 века он действительно набросал классификацию фазовых переходов на две категории. Первый касается, например, перехода от льда к жидкой воде, а второй - перехода ферромагнитного материала из магнитного состояния в прекращение этого состояния. Существует современная классификация, которая несколько отличается от классификации Эренфеста, которая взяла на себя ее термины, а именно переходы первого и второго рода.
«Существование металлического водорода было теоретизировано столетие назад, но мы не знаем, как происходит этот процесс, из-за трудностей с воссозданием условий экстремального давления изнутри гигантской планеты в лаборатории, и огромная сложность заключается в предсказании поведения больших систем с атомами водорода», - объясняет ведущий автор статьи, физик Бинцин Ченг из Кавендишской лаборатории в Кембридже.
Можно получить представление о теоретической сложности расчетов, зная, что моделирование с использованием уравнения Шредингера - фундаментального уравнения квантовой механики поведения всего нескольких тысяч атомов для нескольких наносекунд в условиях, преобладающих в сердце Юпитера и которые трудно воспроизвести в лаборатории, превышают возможности самых больших и быстрых компьютеров в мире.
Расчеты, ставшие возможными сегодня, предполагают, что фазовый переход между молекулярным водородом и металлическим атомарным водородом не первого рода, с разрывом, может осуществляться непрерывно с использованием точки обзора. Эта точка является аналогом известной в термодинамике критической точки. При температурах и давлениях выше, чем у критической точки для жидкости, мы больше не можем отличить жидкую фазу от газовой, и мы непрерывно переходим от свойств жидкости (при высоком давлении и относительно низкой температуре) к свойствам газа (при относительно низком давлении и высокой температуре). И тогда это называется сверхкритической жидкостью.