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为什么金属氢是高压物理学界的圣杯?

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采访专家

何祚庥(中国科学院院士、粒子物理、理论物理学家)

刘鹏(中国科学院高能物理研究所研究员)

科学家早就怀疑氢可以作为金属在宇宙的某些部分存在。在历经近一个世纪之后,当哈佛大学的科学家们看到位于金刚石对顶砧中间的氢样本“闪闪发光”的那一刻,似乎意味着人类终于将曾经的理论变为现实—— 创造了这个星球上最稀有的,也是最有价值的材料:金属氢。

但是,2月22日英国《独立报》披露,由于操作失误,这份弥足珍贵的样本已损毁或消失。

据《独立报》介绍,首个金属氢样本被“夹”在两粒极小的钻石之间,所处压力比地球内部核心的压力更大,所处温度则近乎绝对零度。然而,当研究人员试图用激光测试具体压力值时,随着一声异响,其中一粒钻石碎为粉末。由于钻石损毁,夹在中间的金属氢样本也不见影踪。

一些物理学家质疑,西尔韦拉等人或许从未真正造出过金属氢样本。针对这类质疑,西尔韦拉态度坚决:“我们有足够证据显示,毫无疑问那是(氢的)金属形态……我对各项测量数据完全有信心。”西尔韦拉表示,研究团队准备按照先前的方法重新造出一份金属氢样本。

其实,任何创造的过程都必须要回答三个问题:为何要创造?怎样来创造?如何证明成功?对于金属氢,我们必须要承认一个事实——经过漫长的探索,至少到目前为止,人类只回答了前两个问题,对于最重要的第三个问题,我们还欠一个“答案”。

 为什么金属氢是高压物理学界的圣杯?

核心要点

金属氢可以制造更高威力的炸药和发射药、新一代的氢弹。

它还是一种常温超导体,可应用在电力、磁悬浮列车、航空航天、医疗等领域。

最近,一个叫做“金属氢”的名词似乎成了“网红”,频频见于各种新闻的标题中,被称为“突破性、革命性的发现”。确实,当1月26日的美国《科学》杂志刊登出《哈佛大学科学家已经创造出金属氢这种物质》的论文时,几乎全球物理学界的目光都被吸引过去。只因在此之前,地球上并不存在金属氢这种物质。

▲2016 年11 月3 日,我国新一代运载火箭“长征五号”成功首飞,其中二级发动机的燃料就是液态氢

顾名思义,金属氢指的是金属状态的氢。它不仅以固体的形式存在,还具备“导电”等金属才有的特殊性能。其实,早在上世纪30年代,美国著名的物理学家E·P·维格纳等人就曾预测,在一定的压力下,氢可以呈现出金属的特有属性。

从气态到金属,可不仅仅是状态的变化那么简单。一旦完成“变身”,成为金属的氢会拥有不可思议的“超能力”。

炸药中的“威力之王”

首先,根据理论预测,金属氢作为超高含能物质的能量密度高达218kJ/g,是TNT炸药(4.65kJ/g)的约50倍,是综合性能最好的奥托金HMX炸药(5.53kJ/g)的约40倍。换句话说,金属氢的爆炸威力是现在高能炸药的四五十倍之多,这可以用于制造更高威力的炸药和发射药。

▲衣阿华级战列舰406 毫米主炮齐射,巨大的后坐力使舰体横移

举个例子,二战时期,美国密苏里号战列舰406毫米口径的主炮,一枚高爆炮弹重达862千克,弹头里装药约70千克,如果换成金属氢,相当于同样尺寸的弹头里装载了约3吨的高爆炸药,威力可想而知。

新一代核武的“不二之选”

除了常规武器,金属氢还能帮人类研制出新一代的氢弹。目前的氢弹都是通过原子弹爆炸引发核聚变反应,进而实现氢弹的爆炸。正因为如此,无论原子弹还是氢弹都会带来巨大的核污染。如果可以大量制备出金属氢,利用金属氢爆炸的威力引发核聚变,那么这种新一代的氢弹爆炸后将十分“干净”。

民用领域的“希望之星”

当然,除了军事用途,金属氢在民用领域同样具有广泛的前途。在理论预测中,金属氢是一种常温超导体。用金属氢制作导线,可以避免输电损耗;用它制作发电机,可以大幅度降低重量和提高输出功率;用在磁悬浮技术中,则会让超高速磁悬浮列车研究取得质的突破;而核磁共振这种医疗设备如果使用金属氢,则会大大降低制造和使用维护成本,同时也更精确。

另外,金属氢的超高能量密度在航天领域也有很大应用,如果用金属氢做火箭燃料,理论比冲可达约1700秒,是目前比冲最高的氢氧发动机的近4倍,可以轻松做到火箭单级入轨,带来太空发射能力的革命。

正因为有如此多的“超能力”,在金属氢理论被提出之后的80多年里,世界各地的研究人员争相尝试,想把预测变成现实。然而,尽管他们先后制成了金属碘、金属硫等物质,却始终在氢上“栽跟头”,一直没有成功。于是,金属氢便渐渐有了“高压物理学界的圣杯”的名头。


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