每當提及物質狀態,我們大多數人想到的都是固態、液態和氣態。但物理學家們已經發現,在極端溫度和壓力條件下還存在著更多的物態。

據美國國家地理雜誌網報導,愛丁堡大學凝聚態物理學家Andreas Hermann帶領的一個研究團隊利用人工智能證實了一種奇異的新物態,其鉀原子同時表現出固體和液體的特性。這種特殊狀態的鉀可能存在於類似地幔的條件下,但通常會與其它物質相結合。

Hermann說:「這就像拿著一塊兒吸滿水並且開始滴水的海綿,但海綿也是由水製成的。」該研究發表於近期的《美國國家科學院院刊》(Proceedings of the National Academy of Science)。

滲漏的晶體

類似鉀的金屬在微觀層面上相當簡單。當形成實心棒時,其原子有序連接成行並能很好地導熱導電。長期以來,研究人員一直相信能輕而易舉地預測這種晶體結構在壓力下的狀態。

但十幾年前科學家們發現,在相當於地球表面壓力20,000倍的壓力下,與鉀有相似屬性的金屬鈉從銀色塊狀物變為透明材料,而且不僅不再導電,甚至還阻止電流通過。在X的探測下,能看到其原子形成了複雜晶體而非原先的簡單晶體。

科學家們對鉀也進行了多次實驗。當在極端條件下被壓縮時,鉀原子將自己排列成複雜的形狀:五個圓柱體組成X形,四個長鏈條位於該構造的彎曲處,幾乎像是兩種獨立的、非互相交織的材料。但隨著科學家們調高溫度,X圖像顯示,四個鏈條消失了。

為了一探究竟,Hermann和同事們開始藉助於神經網絡——一種能學會如何根據先例來進行行為預測的人工智能機器。在經過針對少量鉀原子的訓練後,神經網絡掌握了量子力學,能模擬包含數萬個原子的集合體。

人工智能模擬證實,在相當於大氣壓力約20,00040,000倍的壓力下以及絶對溫度400800之間,鉀會進入所謂的「鏈熔狀態」(chain-melted state),其中的鏈條溶解成液體,而剩餘的鉀晶體則保持固態。

該團隊開發的這種機器學習技術也可用於模擬其它物質的行為。

奇特態

其實,除了近期發現的這種鉀的鏈熔態之外,科學家們已經發現了物質的多種非同尋常的「奇特態」。

電漿態一種過熱的氣體形式,其原子核與電子分離,這意味著它們可以產生電場和磁場並受其影響。

玻色-愛因斯坦凝聚態:僅形成於接近絕對零度的溫度,其所有的原子都開始充當單個粒子。

超導體:當某些金屬冷卻到低溫時所出現的狀態,具有零電阻的特性。

超流體:液體冷卻到接近絕對零度的狀態,可以無摩擦地流動,甚至能爬上容器的側壁並從外面滴下。

物質:只有在白矮星和中子星這兩種死亡恆星的極端高壓下才能找到。

夸克-膠子電漿態質子和中子溶解到它們的組成夸克中的狀態,可以在強力膠子粒子之間自由移動。

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