致密金属氢——氢的一种相，具有导电性质——是构成巨行星内部结构的主要物质。金属氢的性质很难研究，人们对它的了解也很贫瘠。但是最近，通过结合人工智能和量子力学，研究人员发现了氢是如何在这些行星的极端压力条件下转变成金属氢的。

来自剑桥大学、IBM研究院和EPFL的研究人员利用机器学习来模拟氢原子之间的相互作用，以克服即使对于最强大的超级计算机在空间和时间尺度上也受到的限制。他们发现，氢的变化不是突然的，也就是说不是一级相变，而是平稳而渐进的。此研究结果发表在《自然》杂志上。

氢原子由一个质子和一个电子组成，是宇宙中最简单也最丰富的元素。它是太阳系中巨行星——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。

在巨行星的表面，氢仍然是一种气体分子。然而，当深入到巨行星的内部时，压力超过了数百万标准大气压。在这种极端条件下，氢会发生相变:氢分子内部的共价键断裂，气体变成了导电的金属氢。

文章的主要作者，来自剑桥大学卡文迪许实验室的程冰清博士说：“一个世纪以前，科学家提出了金属氢的存在,但是由于难以在实验室环境中实现如巨行星内部的极端高压条件,以及预测大型氢系统的行为的极端复杂性，我们并不清楚这一过程是如何发生的。”

实验人员曾尝试使用金刚石砧室来研究高密度氢，通过两颗金刚石对被束缚住的样品施加高压。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灵，尤其是在与氢接触时，这与钻石恒久不变的说法正好相反，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使用量子力学方程来求解,但是对于几千个氢原子系统行为的计算，已经超过了世界上最大、最快速的超级计算机的计算能力。

一般认为致密氢的相变是一级的，它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，它的外观和行为却完全改变了。

在目前的理论研究中，程和她的同事利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，发现致密氢流体中存在从分子状态到原子状态的连续相变，而不是一级相变，”程说，她也是三一学院的初级研究员。

相变是平滑的，因为相关的“临界点”是隐藏的。在所有流体间的相变中，临界点都普遍存在: 所有能在两相中存在的物质都有临界点。一个临界点暴露的系统，如蒸汽和液态水的系统，具有明显不同的相。而具有隐藏临界点的致密氢流体，可以在分子相和原子相之间逐渐、连续地转变。此外，这个隐藏的临界点还引出了其他异常现象，包括最大密度和热容。

连续相变的发现为解释高密度氢实验中的矛盾提供了一种新的方法。这也意味着在巨大的气体行星上，绝缘层和金属层之间有一个平滑的过渡。如果没有机器学习、量子力学和统计力学的结合，这项研究就不可能实现。毫无疑问，这种方法将在未来发现更多关于氢系统的物理本质。研究人员下一步的目标是回答许多关于致密氢固相图的开放问题。

实验人员曾尝试使用金刚石砧室来研究高密度氢，通过两颗金刚石对被束缚住的样品施加高压。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灵，尤其是在与氢接触时，这与钻石恒久不变的说法正好相反，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使用量子力学方程来求解,但是对于几千个氢原子系统行为的计算，已经超过了世界上最大、最快速的超级计算机的计算能力。

一般认为致密氢的相变是一级的，它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，它的外观和行为却完全改变了。

在目前的理论研究中，程和她的同事利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，发现致密氢流体中存在从分子状态到原子状态的连续相变，而不是一级相变，”程说，她也是三一学院的初级研究员。

相变是平滑的，因为相关的“临界点”是隐藏的。在所有流体间的相变中，临界点都普遍存在: 所有能在两相中存在的物质都有临界点。一个临界点暴露的系统，如蒸汽和液态水的系统，具有明显不同的相。而具有隐藏临界点的致密氢流体，可以在分子相和原子相之间逐渐、连续地转变。此外，这个隐藏的临界点还引出了其他异常现象，包括最大密度和热容。

连续相变的发现为解释高密度氢实验中的矛盾提供了一种新的方法。这也意味着在巨大的气体行星上，绝缘层和金属层之间有一个平滑的过渡。如果没有机器学习、量子力学和统计力学的结合，这项研究就不可能实现。毫无疑问，这种方法将在未来发现更多关于氢系统的物理本质。研究人员下一步的目标是回答许多关于致密氢固相图的开放问题。