搜狐科技《思想大爆炸——對(duì)話科學(xué)家》欄目第114期，對(duì)話南京大學(xué)物理學(xué)院和固體微結(jié)構(gòu)物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室教授孫建。

嘉賓簡(jiǎn)介：

孫建，南京大學(xué)物理學(xué)院和固體微結(jié)構(gòu)物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室教授，博士生導(dǎo)師，國(guó)家基金委杰出青年基金項(xiàng)目、重大項(xiàng)目獲得者。在高壓物理、計(jì)算凝聚態(tài)物理、材料設(shè)計(jì)與模擬、行星深部物質(zhì)等研究領(lǐng)域積累多年。發(fā)展了機(jī)器學(xué)習(xí)驅(qū)動(dòng)的物質(zhì)模擬新方法；預(yù)言了多個(gè)新材料，若干被實(shí)驗(yàn)證實(shí)；預(yù)言了若干系統(tǒng)在高溫高壓下的超離子態(tài)、塑晶態(tài)和協(xié)同擴(kuò)散態(tài)等新奇物態(tài)。

• 二氧化硅和氧化鎂等會(huì)在高壓下和水形成穩(wěn)定化合物，并在天王星、海王星內(nèi)部高溫高壓條件下處于超離子態(tài)，這有可能是冰巨星磁場(chǎng)來(lái)源之一。

• 冰巨星石質(zhì)核心和積冰層之間可能存在一層熱導(dǎo)比較低的物質(zhì)，從而阻礙巨行星內(nèi)部的熱量向外傳輸，導(dǎo)致行星表面溫度偏低、亮度也低。

• 我們要利用AI發(fā)展一些新算法，提升科學(xué)探索的能力，我覺(jué)得應(yīng)該鼓勵(lì)使用而沒(méi)必要有太多限制。
  

• 以量子力學(xué)和機(jī)器學(xué)習(xí)理論為先導(dǎo)，推動(dòng)動(dòng)靜高壓實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證理論預(yù)言，再把理論數(shù)據(jù)、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和觀測(cè)數(shù)據(jù)相結(jié)合，進(jìn)一步提高行星模型的精度。

出品｜搜狐科技

作者｜周錦童

在太陽(yáng)系的邊緣，有兩顆巨型行星始終蒙著神秘的面紗，那就是“躺著”公轉(zhuǎn)的天王星和溫度最低的海王星。

盡管最近科學(xué)家首次利用韋伯望遠(yuǎn)鏡在海王星觀測(cè)到了極光現(xiàn)象，也用哈勃望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了天王星自轉(zhuǎn)比之前推測(cè)的慢28秒，但這“兩兄弟”的內(nèi)部結(jié)構(gòu)始終是天文學(xué)家爭(zhēng)論的焦點(diǎn)。

對(duì)此，搜狐科技對(duì)話了南京大學(xué)物理學(xué)院和固體微結(jié)構(gòu)物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室孫建教授。他的團(tuán)隊(duì)曾理論預(yù)言巨行星內(nèi)部存在混合配位的二氧化硅高壓相、一系列氦化合物、超離子態(tài)硅-氧-氫化合物以及超離子態(tài)氧化鎂水合物等，為解釋天王星和海王星的結(jié)構(gòu)和磁場(chǎng)生成，提供了重要參考。

硅-氧-氫、鎂-氧-氫等化合物的超離子態(tài)

有可能是冰巨星磁場(chǎng)來(lái)源之一

長(zhǎng)期以來(lái)，由于觀測(cè)數(shù)據(jù)有限，人們對(duì)天王星和海王星等巨行星內(nèi)部物質(zhì)存在很多爭(zhēng)議，目前存在冰巨星和巖石巨星兩類行星模型。

通常我們有兩種方法觀測(cè)巨行星，一是通過(guò)遠(yuǎn)程的光學(xué)和射電觀測(cè)，二是發(fā)射探測(cè)器進(jìn)行環(huán)繞探測(cè)。遠(yuǎn)程探測(cè)通常只能進(jìn)行光學(xué)和光譜探測(cè)，獲取到形狀以及大氣中的成分、元素等信息，由此來(lái)推測(cè)內(nèi)部物質(zhì)、剛度和粘滯系數(shù)等；發(fā)射探測(cè)器則用來(lái)探測(cè)大氣、引力場(chǎng)和磁場(chǎng)等。

“我們目前不大可能鉆到巨行星內(nèi)部去做研究，只能通過(guò)外部數(shù)據(jù)去構(gòu)建模型，然后再去理解它，在構(gòu)建模型的過(guò)程中，根據(jù)內(nèi)部成分的不同進(jìn)行劃分，巖石含量較多的模型就被稱為巖石巨星，另一種重元素含量少，冰的含量多，就稱為冰巨星。”孫建如是說(shuō)。

“但不管是哪種模型都只能解釋部分的數(shù)據(jù)，比如冰巨星模型可以解釋天王星和海王星的磁場(chǎng)，但這種模型不能解釋行星大氣中的氕氘比例。而巖石巨星模型雖然可以解釋氕氘比例，并且其冰巖比例與柯伊伯帶天體相近，更容易解釋行星的起源問(wèn)題，但是缺少導(dǎo)電物質(zhì)來(lái)解釋行星磁場(chǎng)。”

在近幾年的研究中，孫建團(tuán)隊(duì)曾預(yù)言巨行星內(nèi)部存在氦化合物、金屬性鋁氧化物、超離子態(tài)硅-氧-氫化合物以及超離子態(tài)氧化鎂水合物等，這些發(fā)現(xiàn)對(duì)理解巨行星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和物理特性又有什么重要意義呢？

對(duì)此，孫建表示：“冰巨星模型主要是三層結(jié)構(gòu)，最上面一層是氫、氦氣體，中間層主要是由水、氨、甲烷組成的積冰層，最里面是石質(zhì)內(nèi)核，我們?cè)缧┠臧l(fā)現(xiàn)上層的氦氣有可能鉆到積冰層中與里面的物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，生成新的化合物。”

眾所周知，氦在常溫常壓下是一種惰性氣體，一般不與其他物質(zhì)反應(yīng)，但到了高壓下就會(huì)發(fā)生變化。孫建團(tuán)隊(duì)通過(guò)基于量子力學(xué)的第一性原理計(jì)算發(fā)現(xiàn)在高壓下氦是可以和水、甲烷或者氨反應(yīng)形成穩(wěn)定化合物的，而這些化合物在高溫高壓條件下還會(huì)形成特殊的新物態(tài)，比如超離子態(tài)、塑晶態(tài)等。

此外，在冰巨星的石質(zhì)內(nèi)核中，他們還發(fā)現(xiàn)了二氧化硅新型高壓相，這也是前人沒(méi)有想到的。“我們理論預(yù)言了一個(gè)二氧化硅新結(jié)構(gòu)，其中硅原子處于混合配位的情形，從能量上計(jì)算，我們發(fā)現(xiàn)在645-890吉帕壓強(qiáng)范圍內(nèi)，這種新型R-3結(jié)構(gòu)的二氧化硅會(huì)成為最穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，比前人預(yù)言的高壓相更穩(wěn)定。”

“最重要的是這種高壓相的穩(wěn)定壓強(qiáng)范圍正好覆蓋了海王星的核心壓強(qiáng)范圍，而且當(dāng)系外行星的質(zhì)量達(dá)到5倍到7倍地球質(zhì)量的時(shí)候（這種行星也叫超級(jí)地球），其核幔邊界的壓強(qiáng)也正好覆蓋我們預(yù)言的R-3相二氧化硅的穩(wěn)定范圍。這也預(yù)示著這種二氧化硅高壓相可能在太陽(yáng)系巨行星和系外行星的內(nèi)部大量存在。”孫建如是說(shuō)。

不僅如此，他們還發(fā)現(xiàn)在石質(zhì)核心和積冰層邊界處，水和二氧化硅會(huì)反應(yīng)生成新的硅-氧-氫化合物，如果石質(zhì)核心中有氧化鎂，還會(huì)生成氧化鎂水合物。二氧化硅和氧化鎂是地球上地殼、地幔的最重要的成分，如果海王星、天王星的內(nèi)部有石質(zhì)核心的話，那么二氧化硅、氧化鎂都應(yīng)該大量存在。

而后孫建團(tuán)隊(duì)又發(fā)現(xiàn)這些二氧化硅和氧化鎂的水合物在天王星、海王星內(nèi)部的溫壓條件下處于超離子態(tài)，也就意味著其中部分元素呈現(xiàn)固體行為，而另一些元素又可以像液態(tài)一樣到處擴(kuò)散、流動(dòng)，并且當(dāng)質(zhì)子流動(dòng)起來(lái)后就會(huì)產(chǎn)生電流，有了電流的流動(dòng)就會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)。

因此，孫建團(tuán)隊(duì)預(yù)言硅-氧-氫、鎂-氧-氫化合物的超離子態(tài)有可能是天王星、海王星這些巨行星磁場(chǎng)的來(lái)源之一，當(dāng)然像超離子態(tài)冰等其他物質(zhì)也可以產(chǎn)生磁場(chǎng)，前面那些物質(zhì)只可能是其中來(lái)源之一。但這也說(shuō)明能夠產(chǎn)生磁場(chǎng)的物質(zhì)可能比前人設(shè)想的要更多、分布得更深、更厚，會(huì)對(duì)磁場(chǎng)分布、演化，甚至行星模型造成影響。

另外，水一旦和二氧化硅、氧化鎂反應(yīng)之后，原先設(shè)想的石質(zhì)核心與積冰層之間的清晰界面就可能不存在了，邊界處會(huì)變模糊，反應(yīng)后內(nèi)核會(huì)膨脹，從而影響物質(zhì)分布。目前國(guó)際上對(duì)冰巨星模型存在著清晰邊界模型和模糊邊界模型的爭(zhēng)議，而這些發(fā)現(xiàn)支持了模糊邊界模型。

利用AI發(fā)展新算法

啟發(fā)新型能源材料設(shè)計(jì)

研究又是如何為低亮度之謎提供新解釋的呢？

“我們?cè)谒阊趸V水合物熱導(dǎo)的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)超離子態(tài)本身熱導(dǎo)比較低，也就是說(shuō)在核心和積冰層之間存在一層熱導(dǎo)比較低的物質(zhì)，有可能阻礙巨行星內(nèi)部的熱量向外傳輸，這樣就可能導(dǎo)致行星表面溫度比較低，表面溫度低就意味著亮度低。”孫建解釋道。

那么，巨行星內(nèi)部超離子態(tài)化合物或?qū)щ娢镔|(zhì)與極光之間是否會(huì)有關(guān)聯(lián)呢？

孫建表示：“巨行星的極光主要是由巨行星的磁場(chǎng)和行星大氣電離層之間相互作用產(chǎn)生的，因?yàn)榈厍蛏系臉O光就是由于臭氧層和磁場(chǎng)之間的相互作用，我想巨行星可能也是比較類似的機(jī)制，我們所預(yù)言的這些行星內(nèi)部物質(zhì)對(duì)于理解行星磁場(chǎng)會(huì)有一定的幫助，對(duì)于理解極光也會(huì)有一定的幫助，但比較間接。”

上面也提到了超離子態(tài)介于固態(tài)和液態(tài)之間，是地球和行星科學(xué)研究中的新物態(tài)。那超離子態(tài)物質(zhì)在巨行星內(nèi)部的表現(xiàn)是否可能啟發(fā)某些新型能源材料的設(shè)計(jì)？

對(duì)此，孫建表示：“這些都是緊密關(guān)聯(lián)的，固態(tài)鋰電池本身就是典型的超離子態(tài)，因?yàn)槠渚酆衔锟蚣苁枪虘B(tài)的，但鋰離子可以像液體一樣到處流動(dòng)，我們可以用類似的方法對(duì)它進(jìn)行研究，包括它的相變、擴(kuò)散系數(shù)等。這對(duì)于理解新能源材料的實(shí)際應(yīng)用都是有益的，包括我們所發(fā)展的研究方法也可以用來(lái)研究新型能源材料。”

談到這，孫建還介紹了他們自主開(kāi)發(fā)的一系列計(jì)算模擬新方法，包括機(jī)器學(xué)習(xí)與圖論輔助的晶體結(jié)構(gòu)搜索軟件MAGUS、高精度機(jī)器學(xué)習(xí)力場(chǎng)HotPP以及合作開(kāi)發(fā)的機(jī)器學(xué)習(xí)分子動(dòng)力學(xué)模擬軟件GPUMD。

“這三個(gè)工具對(duì)于我們開(kāi)展研究工作都非常重要，我們開(kāi)發(fā)的MAGUS程序搜索效率高，適用于復(fù)雜的多元素體系結(jié)構(gòu)，計(jì)算范圍也更大；當(dāng)我們有了穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu)后，就可以此為基礎(chǔ)構(gòu)建大體系，并用機(jī)器學(xué)習(xí)分子動(dòng)力學(xué)方法GPUMD做動(dòng)力學(xué)模擬，研究其熱導(dǎo)，相變、熔化過(guò)程等。”

“我們合作開(kāi)發(fā)的機(jī)器學(xué)習(xí)分子動(dòng)力學(xué)軟件GPUMD ，可以在單張顯卡模擬上千萬(wàn)原子的體系，對(duì)于大體系的動(dòng)力學(xué)模擬是非常有利的。”

孫建和團(tuán)隊(duì)的優(yōu)勢(shì)在于許多工具都是自主研發(fā)的，但他坦言也會(huì)有些焦慮，畢竟現(xiàn)在AI的能力越來(lái)越強(qiáng)，很多事情都可以交給AI進(jìn)行處理，未來(lái)也許AI會(huì)發(fā)展的更強(qiáng)大。不過(guò)，孫建也覺(jué)得搞科研更多地是要發(fā)現(xiàn)、提出好的科學(xué)問(wèn)題，好在AI目前還做不到。

“我覺(jué)得應(yīng)該把AI當(dāng)成的工具，比如文章的英文部分可以讓AI幫助檢查語(yǔ)法等等，我們做理論計(jì)算，很多本身就是AI驅(qū)動(dòng)的，就是要利用AI發(fā)展一些新算法，提高工作效率并拓展我們的能力，我覺(jué)得應(yīng)該鼓勵(lì)使用而沒(méi)必要有太多限制，當(dāng)然對(duì)于通用人工智能可能也需要考慮科學(xué)倫理和安全方面的一些更深層次的因素。”

未來(lái)會(huì)繼續(xù)探究

“氦雨”、“鉆石雨”等物理效應(yīng)

孫建一直從事和高壓科學(xué)相關(guān)的研究工作，致力于用計(jì)算模擬的方法去研究高壓科學(xué)中的有趣科學(xué)問(wèn)題，高壓科學(xué)是一門(mén)典型的交叉學(xué)科，與物理、化學(xué)、材料、地球和行星科學(xué)都是緊密相關(guān)的。

“地球內(nèi)部和行星內(nèi)部天然都具有高溫高壓的條件，幾百年來(lái)大家對(duì)地球研究的已經(jīng)比較多了，相較而言對(duì)巨行星內(nèi)部物質(zhì)的研究還比較少，我們就是想去研究一些人們以前沒(méi)有想過(guò)的問(wèn)題，不斷突破人類認(rèn)知邊界。”

在孫建看來(lái)，研究巨行星內(nèi)部物質(zhì)并不只是好奇心的驅(qū)動(dòng)，“現(xiàn)在我們國(guó)家正在推進(jìn)新的行星探測(cè)計(jì)劃，比如天問(wèn)四就是要探測(cè)木星及其衛(wèi)星，而探測(cè)目標(biāo)的設(shè)定和探測(cè)數(shù)據(jù)的解讀都需要我們先行做一些基礎(chǔ)研究來(lái)支撐。”

談及研究是否已經(jīng)處于國(guó)際前列時(shí)，孫建謙虛地說(shuō)：“我不敢說(shuō)是領(lǐng)先，但至少是并跑的情況，我們的很多工作都發(fā)表在很重要的期刊上，也受到了國(guó)際同行的關(guān)注。”

像硅-氧-氫的工作，被評(píng)選為PRL的編輯推薦，也被美國(guó)物理學(xué)會(huì)的physics雜志焦點(diǎn)評(píng)論。法國(guó)著名的行星科學(xué)家Tristan Guillot教授也對(duì)我們的工作給予了很高的評(píng)價(jià)，他認(rèn)為這些結(jié)果具有很重要的啟示，將對(duì)行星內(nèi)部的熱傳導(dǎo)等性質(zhì)有重要影響，進(jìn)而影響其結(jié)構(gòu)、演化和磁場(chǎng)。美國(guó)科學(xué)院外籍院士Erio Tosatti也認(rèn)為，行星模型可能需要加入出人意料的氦化合物。

孫建主要從微觀、物質(zhì)結(jié)構(gòu)的角度提供一些理解，但巨行星很大，也包括許多宏觀過(guò)程，從微觀去推演宏觀這之間可能還存在著一定的鴻溝。

“原來(lái)大家基于觀測(cè)數(shù)據(jù)會(huì)去構(gòu)建行星模型，現(xiàn)在我們想以基于量子力學(xué)和機(jī)器學(xué)習(xí)的理論預(yù)言為先導(dǎo)，去推動(dòng)動(dòng)靜高壓實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證理論預(yù)言，再把理論數(shù)據(jù)、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和觀測(cè)數(shù)據(jù)相結(jié)合，進(jìn)一步提高行星模型的精度。”孫建向搜狐科技分享了一種新的科研范式。

當(dāng)然，在這個(gè)研究領(lǐng)域還有許多問(wèn)題有待解決，有些問(wèn)題現(xiàn)在可以研究，但有些問(wèn)題還不具備研究手段，比如木星、土星主要成分是氫和氦，行星內(nèi)部的壓強(qiáng)升高，溫度也會(huì)升高，在不同溫壓條件下，原先混合的氫和氦是否會(huì)發(fā)生分離還存在爭(zhēng)議。

氫和氦一旦分離之后，氫元素會(huì)往上“跑”，重一點(diǎn)的氦會(huì)往下“落”，這就會(huì)產(chǎn)生一種叫“氦雨”的現(xiàn)象。另外冰巨星內(nèi)部還有甲烷等物質(zhì)，在高壓下也會(huì)分解并發(fā)生聚合，聚合后會(huì)產(chǎn)生金剛石，所以大家也想象在冰巨星內(nèi)部可能會(huì)出現(xiàn)“鉆石雨”，但是否會(huì)形成，以及它的形成過(guò)程還沒(méi)完全搞清楚。

這些現(xiàn)象有什么樣的物理效應(yīng)，對(duì)磁場(chǎng)和行星演化過(guò)程有怎樣的影響，都值得去探討，這也是孫建未來(lái)努力的研究方向。

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