金属氢到底是什么？

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在木星旋转的云顶之下，共同元素氢存在于一个非常奇怪的状态。（图片版权所有）Lella Erceg，Lycee Francais de Toronto/NASA/SwRI/MSSS，

Paul Sutter是俄亥俄州立大学的天体物理学家和COIS科学中心的首席科学家。萨特还是“问一个太空人”和“太空广播”的主持人，并领导世界各地的太空旅行。萨特将这篇文章贡献给了《太空专家之声：评论与洞察》。

固体。液体。加油。在我们正常的日常生活中，围绕着我们的材料被分成三个整齐的阵营。加热一个固体立方体的水（又称冰），当它达到一定的温度时，它就会变成液体。继续加热，最终，你会得到一种气体：水蒸气。

每一个元素和分子都有自己的“相图”，如果你对它施加特定的温度和压力，你应该会遇到什么。这张图对于每一种元素都是独一无二的，因为它取决于精确的原子/分子排列以及在各种条件下它如何与自身相互作用，所以科学家们要通过艰苦的实验和细致的理论来梳理出这些图。[2017年最奇怪的太空故事]

说到氢，我们通常根本不会遇到它，除非它与氧气混合，形成更熟悉的水。即使我们在孤独中得到它，它的羞怯也阻止了它单独与我们相互作用——它以双原子分子的形式配对，几乎总是以气体的形式配对。如果你把一些放在瓶子里，把温度降到33开尔文（零下400华氏度或零下240摄氏度），氢就会变成液体，在14 K（零下434华氏度或零下259摄氏度）时，氢就会变成固体。

你会认为在温度刻度的另一端，氢的热气会停留…热气。这是真的，只要压力保持在低水平。但是高温和高压的结合导致了一些有趣的行为。

木星深潜水

在地球上，正如我们所看到的，氢的行为是直接的。但是木星不是地球，在木星大气的大带和漩涡风暴的内部和下方发现的大量氢可以被推到它的正常极限之外。

深埋在木星可见表面之下，压力和温度急剧上升，气态氢慢慢地被一层超临界气液混合物所取代。由于这些极端条件，氢不能稳定到可识别的状态。它太热了，不能保持液态，但压力太大，不能像气体一样自由漂浮——这是一种新的物质状态。

下降得更深，它变得更奇怪。

即使在云顶下的一层薄薄的混合态中，氢仍然以二对一的双原子分子的形式反弹。但在足够的压力下（比如说，比海平面上的地球气压高出一百万倍），即使是那些兄弟般的结合也不足以抵抗压倒性的挤压，它们会断裂。

结果，在云顶下大约8000英里（13000公里）以下，是一个自由氢原子核的混乱混合体只是单个质子-与释放的电子混合。这种物质还原为液相，但氢的组成部分现在已完全分解。当这种情况在非常高的温度和低压下发生时，我们称之为等离子体——与太阳的主体或闪电的物质相同。

，但在木星的深处，压力迫使氢的行为与等离子体大不相同。相反，它具有更类似于金属的特性。因此：液态金属氢。

即金属

，元素周期表上的大多数元素都是金属：它们坚硬而有光泽，有利于形成良好的导电体。这些元素从它们在常温和常压下的排列中获得这些特性：它们连接起来形成晶格，并且每个人都会向社区罐捐赠一个或多个电子。这些离解的电子自由地游荡，随意地从一个原子跳到另一个原子。

如果你拿一块金熔化它，你仍然拥有金属的所有电子共享优势（除了硬度），所以“液态金属”并不是一个完全陌生的概念。一些通常不是金属的元素，比如碳，可以在一定的排列或条件下具有这些性质。

，因此，乍一看，“金属氢”不应该是一个奇怪的概念：它只是一种非金属元素，在高温高压下开始表现为金属。[实验室制造的‘金属氢’可以彻底改变火箭燃料]

一旦退化，总是退化的

有什么大惊小怪的

大惊小怪的是，金属氢不是一种典型的金属。各种各样的金属都有一种特殊的离子晶格，嵌在自由漂浮的电子海洋中。但是一个被剥离的氢原子只是一个质子，一个质子不能做任何事情来建立一个晶格。

当你挤压一根金属棒时，你正试图迫使相互连接的离子更紧密地结合在一起，这是他们绝对讨厌的。静电斥力提供了金属所需的全部支撑力。但是质子悬浮在液体中？那应该更容易压扁。木星内部的液态金属氢怎么能承受木星上方大气的重压呢？”

的答案是简并压力，一种极端条件下物质的量子力学怪癖。研究人员认为，只有在奇异的、超致密的环境中，比如白矮星和中子星，才有可能发现极端的情况，但事实证明，我们的太阳后院就有一个例子。即使当电磁力被压倒时，像电子这样的相同粒子也只能被紧紧地挤在一起——它们拒绝共享相同的量子力学状态。

换句话说，电子永远不会共享相同的能级，这意味着它们将不断地相互堆积，永远不会靠近，甚至如果你真的，真的很用力地挤压，

另一种看待这种情况的方法是通过所谓的海森堡不确定原理：如果你试图通过推动电子来确定它的位置，它的速度会变得非常大，从而产生一种压力力来阻止进一步的挤压。

木星的内部这真的很奇怪——一个由质子和电子组成的汤，被加热到比太阳表面更高的温度，承受着比地球强一百万倍的压力，并被迫揭示了它们真正的量子性质。

通过听“世界上什么是金属氢”这一集来了解更多在Ask A Spaceman播客上，可在iTunes和askaspaceman网站上找到。感谢Tom S.，@Upguntha，Andres C.和Colin E.提出的问题！使用AskASpaceman在Twitter上提问，或者关注Paul@PaulMattSutter Facebook/PaulMattSutter。

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