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[猎奇]5000℃高温冰？在天王星海王星内部，也许就藏着物质的终极奥秘 [22P] [复制链接]

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只看楼主倒序阅读使用道具楼主发表于: 2023-11-23

— 本帖被 xgch 执行加亮操作(2023-11-23) —

哪怕没有上过学，我们也知道水的三种形态：液态、气态、固态。
可当有一天有人告诉你，水的形态不止这三种，而且会以别的形态存在的时候，你会相信吗？
比如我们都知道，冰在加热中会变成液体水，继续加热会气化蒸发。但是有一种已发现的形态是，在几千摄氏度的高温下，水依旧是固体冰的形态。

听上去完全打破了人的认知，过去没有在实验中模拟出来的时候，不相信的人还能反驳。而今，已有科学家在相关实验中确实得到了这种形态。
科学家还进一步发现，水的这种独特的形态，在宇宙中的其他行星内部可能存在。而且，这不同于地球上水形态的方式，也是导致天王星和海王星磁场异常的原因。

高温下不融化更不气化

这种奇特的形态，叫超离子水，也叫超离子冰，或者叫超离子水冰。相关的研究，是在2018年由美国的科学家推动的。

简单来说就是，在实验的环境下，当模拟环境被加热到5000摄氏度高温的时候，创造出来的超离子水冰，依旧保持着固体冰的形态。
日常生活中，固体的冰只要达到0摄氏度以上，就会融化成水，如果温度继续上升，不用到100摄氏度，沸腾的水就会逐步汽化蒸发。而实验中的温度竟然高达5000摄氏度，超离子水冰，又是如何做到始终保持固体的形态的呢？

实验的具体步骤是，在两颗钻石间放入一块冰，由钻石将冰块碾碎，而后再由激光束照射这块碎冰。激光束瞬间产生的温度，可以达到类似恒星表面那样的高温。
神奇的一幕在接下来便出现了，原先的碎冰并没有汽化，而是依然保持着固体的形态，只是颜色上看起来有些发黑。
高温下还能是固体形态而且既不融更不气化，这就意味着水确实会以另外的形态存在。不过在实验中，这一过程只维持了10到20纳秒。

虽然时间相当有限，不过这却能帮助科学家证明一点，即在极高温和极高压之下，水原有的形态就会发生改变。
而且，极高温和极高压两种环境，在普通的自然环境中不会出现，只有在实验模拟出来的环境中才能呈现。这也就说明，超离子水冰这种形态，在地球的环境中是不会自然存在的。

这项研究成功后，相关结论发表在了权威期刊《自然》上。参与实验的芝加哥大学教授比塔利·普拉卡蓬表示，实验是一个惊喜。因为在此前的研究中，人们一直认为该形态的水不会出现，至少在地球上是不能模拟出来的。
而今，人们可以清楚的看到它了，虽然超离子水冰出现的时间极其短暂，可这足以证明，只要环境合适，就能将其完全模拟出来。
2018年的实验之后，相关的研究团队在2019年，又通过实验模拟出了它的状态，并且发现了超离子水冰存在晶体结构。

那么，究竟是什么因素，才会让水以这样的一种形态存在呢？

高温却是固体形态的原理是什么

科研人员表示，还在上世纪八十年代，相关的理论研究中，就证实了超离子水冰的存在。只不过当时只有理论，并没有实验依据，所以有关其存在也存在争议。后来随着相关的数字模拟，虽然又一次证实了它的存在，可在现实中如果模拟不出来，就一直不能将这种形态的存在当成是板上钉钉。

而要说起这背后的原理，就还得从水的形态说起。一个氧原子和两个氢原子，这是一个水分子的基本构成单位，当水以固体形态也就是结成冰的时候，水分子内部的氧原子和氢原子，也都被固定住了。
所以，普通的液体水变成固体冰，就是大量的水分子被连接在一起，最终成为了固体的形态。超离子水冰则不同，其中的氧原子，被固定在了晶体结构中，这种晶体结构原本就是固态的形式。

另一方面，氢原子在超离子水冰的形态下，它并没有被固定住，而是能够像流动的液体一样继续自由活动。
由此形成的固体晶体结构，也使整个超离子水冰形态的融点变得更高。在这种形态下，超离子水冰有了更高的导电特性，氢原子也由此成为了类似固体金属中，自由电子的角色。

氧原子结成了晶体，而且成了分布均匀的晶格，氢原子则在晶格中自由的漂浮着，这就使整个形态成为了超离子导体。
至于在肉眼的状态下，超离子水冰呈现出黑色，正是因为漂浮着的氢原子，以自身排列组合的特性，阻止住了外部的光线穿过冰层，于是就会让冰层呈现出黑色的状态来。
科研人员表示，超离子水冰，仅仅是一种新的形态罢了，随着氢原子和氧原子以不同的方式结合，还会产生其他的形态模式。

此前的理论中，已经确认有20种组合状态，而超离子水冰是第18个组合状态。相比于普通水的形态，超离子水冰的密度高出了60%。
能够在现实环境中模拟出这种形态，基本上解决了困扰科学界一个三十多年的问题。这个问题，跟遥远的天王星和海王星有关。因为科学家们猜测，这两颗行星的内部构造，正是超离子水冰的形态。

怪异磁场产生的问题

一切还要从上世纪八十年代，对天王星和海王星的探测说起。彼时，美国发射了旅行者2号，对这两颗行星进行了近距离的探测考察。

就在绘制两颗行星的磁场图的时候，科学家却发现了奇特的地方。包括我们生活的地球在内，大多数的行星都有两极磁场。
地球的磁极就在极地附近，它和南北两极存在一个偏角，这被称之为磁偏角。通过人类现有的观察和探测，别的行星也有类似的情况。比如木星和土星，以及木星的很多卫星，都存在跟地球相似的磁偏角，而且度数还都相似。

而在探测的过程中，无论是天王星还是海王星，其磁场表现出来的状态却和地球不一样。这两颗行星的磁场，居然存在多个磁极，而且磁偏角的度数更是大的离谱。
地球磁偏角的度数为11.5度，木星的度数为10度，可天王星的度数为59度，海王星的度数为47度。如此离谱而怪异的磁场，当年科学界曾提出过多种理论和假设，但相关假设都没有得到普遍的认可。
到了九十年代，科学家进一步猜测，导致磁场怪异，是因为两颗行星的薄外壳循环流动的结果。天王星和海王星的外壳，是由水、甲烷、氨、硫化氢组成的带电流体。这种情况，导致了它们的磁场异常。

到了2004年，哈佛大学的科学家，利用一个数学模型检验了此前的理论假设。经过模拟验证后发现，天王星和海王星的薄外壳，产生了磁场的循环层。这种情况和地球是不同的，地球产生磁场，是地球内部接近核心的外核区域。
而天王星和海王星产生磁场，则是在薄外壳，而且该区域处于循环、流动的运动状态。也正因为如此，才导致了磁场的异常情况。

磁场的产生，是由行星中导电体的复杂流动运动所产生的。如果天王星和海王星的磁场产生区域处于流动和运动状态，若是其中也含有超离子水冰这样的形态，它的运动就会更加复杂，由此或许可以解释两颗行星的磁场为何会如此异常。
当然，这一切目前也还只是假设。科研人员在此前表示，这只是有助于研究天王星和海王星怪异的磁场，能否最终确定，还存在很大的变数。

我国的科学家在2022年初的时候表示，天王星和海王星的内部结构，其主要组成成分可能是硅-氧-氢化合物。

我国科学家的新研究

这项新的研究，是由南京大学物理学院以及地球科学与工程学院的几位教授推动的。新的研究，提出了与此前不一样的结论。

天王星和海王星的内部结构，多年来一直存在很大的争议，相关的假设目前主要有两种。一种假设就是上述所说的冰巨星形态，这种形态可以解释天王星和海王星的怪异磁场。但是这种假设也并非完美无缺，用该理论无法解释行星大气层中的氕-氘比例。
另一种假设是岩石巨星，其相关假设认为天王星和海王星的内部结构，其冰和岩石的比例，与柯伊伯带天体是相近的。这样一来，行星生成的起源就解释的通，可反过来又没办法解释磁场怪异的问题。

所以，天王星和海王星的内部构成到底是什么，什么才是主要的构成成分，一直不存在确切的结论。
南京大学几位教授的最新研究是，超离子态硅-氧-氢化合物，或许是天王星和海王星内部结构的重要组成部分。
这项新研究与以往的区别在于，以往的一些观点认为，超离子冰是天王星和海王星上产生磁场的主要因素。新观点则认为，硅-氧-氢化合物的超离子态也能产生导电性，进而也就能产生磁场。

按照这一观点，磁场的产生就有了新的思路。这项研究于去年初，发表在了物理学的权威期刊《Physical Review Letter》上面。上面提到的超离子水冰或者超离子冰，是在传统的假设观点中，认为是天王星和海王星磁场产生以及异常的构成因素。
而随着新观点的提出，对于两颗行星内部构造的研究，以及磁场的生成和异常，就提供了新的视角。