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冰巨星深处的水彻底变样了!压力越大越不对称,太颠覆认知了!

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水,可能是我们最熟悉的物质。它在0°C结冰、100°C沸腾,似乎没有什么秘密可言。

但在遥远的天王星和海王星深处,压力是地球表面的数百万倍,水会变成我们完全认不出的样子。

美国内华达大学拉斯维加斯分校的一项新研究发现,在这种极端条件下,冰甚至会做出违反直觉的事情。

这个看似拗口的标题,讲的其实是一个颠覆直觉的发现。



通常来说,给一种材料施加压力,原子会被挤得更近,体积随之缩小。对许多材料而言,压力越高,原子排列也越倾向于整齐对称。

这很好理解:在极端拥挤的空间里,最省地方的排列方式往往也是最规则的,就像挤满乘客的地铁车厢里,人们会不自觉地站成整齐的队列。

物理学家原本也预期,水在超高压下会保持高度对称的结构。

尤其是冰X这种高压冰,长期被视为氢键完全对称化的“标准答案”。

研究团队观察到了截然相反的现象。在极端高压下,冰的原子结构反而变得不那么对称了。

这就好比把一群人挤进越来越小的房间,本以为他们会排得越来越整齐,结果队形反而歪了。

在他看来,水在压力下展现出的种种表现,实在令人惊叹。

其实,水本来就是一种“怪脾气”的物质。冰能浮在水面上,4°C时水的密度最大,这些反常性质早已被写进教科书。

科学家目前已经发现了二十种左右不同结构的冰。我们冰箱里的冰块,只是其中最普通的一种。



为了模拟海王星和天王星内部的环境,研究团队把冰样品压到了约3500万磅每平方英寸。作为对比,一个普通汽车轮胎的气压大约只有30磅每平方英寸。

换算成科学单位,这一压力超过222吉帕,相当于两百多万个大气压。

这差不多是地球中心压力的三分之二,约为马里亚纳海沟最深处压力的两千倍。

实现这种压力的工具,是一种叫金刚石对顶砧的装置。

它的原理并不复杂:把微小的样品夹在两颗钻石的尖端之间,像用两根手指捏住一粒沙子那样施压。

钻石是已知最坚硬的材料之一,又是透明的,研究人员可以透过它进行观测。

这种装置中的样品往往比一根头发丝的直径还小,实验操作需要极高的精度。

实验对象是一种名为“冰X”的特殊冰相。在这种高压冰中,氢原子被认为位于两个氧原子正中间,形成高度对称的结构。

研究人员用光谱技术观察样品的变化,又借助X射线技术研究其原子结构。正是在这些测量中,他们捕捉到了对称性降低的证据。

对称性降低意味着,冰X或许并不是高压冰演化的终点,在更高的压力下,水可能还会继续“变身”。

为什么要研究这么极端的冰?因为在太阳系里,这样的环境真实存在。

天王星和海王星被称为冰巨星,人们相信它们内部含有大量的水、氨和甲烷。在极端的压力和温度下,这些物质可能形成奇异的物态。

有理论认为,那里的水可能处于“超离子”状态:氧原子排成固态晶格,氢离子却像液体一样在其中自由流动。

可惜,至今没有任何探测器深入过这两颗行星内部。旅行者2号在上世纪80年代分别飞掠过它们,这是人类对它们为数不多的近距离观测。

目前,科学界正在推动专门的天王星探测任务,希望在未来几十年内补上这块空白。

萨拉马特说,由于距离太远,人们无法进入这些行星的外壳或大气层。

但借助旅行者计划等数据,科学家对它们的成分、内部压力和温度有了大致了解。实验室就可以据此模拟其中可能发生的化学过程。

这项发现的意义不止于满足好奇心。冰巨星内部水的结构,会影响热量如何传导、电流如何流动,进而可能关系到这两颗行星奇特磁场的成因。

天王星和海王星的磁场都严重偏离自转轴,形态古怪,一直是行星科学的难题。

旅行者2号当年的测量显示,天王星磁轴与自转轴的夹角接近60度,这在太阳系行星中极为罕见。

了解深处的水究竟长什么样,或许是破解这一谜团的关键一环。

此外,银河系中已发现大量与海王星大小相近的系外行星。弄清水在极端条件下的行为,也有助于推测这些遥远世界的内部结构。

对寻找宜居星球的研究来说,搞清楚水在各种极端环境下的状态,同样是绕不开的基础课。

萨拉马特认为,理解太阳系和可观测宇宙的运行机制,对人类知识的拓展至关重要。

等到人类真正抵达那些世界,会看到什么?他和同事希望在实验室里先找到答案,做这一问题的开拓者。

从厨房里的冰块到行星深处的“扭曲之冰”,同一种分子展现出完全不同的面貌。水的故事,远比我们以为的要长。

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