​地球最稀有的金属氢被造出，它有哪些不可思议的能量？

地球最稀有的金属氢被造出，它有哪些不可思议的能量？

美国科学家创造出地球上从来没有的金属氢。它为什么被称为“高压物理学界的圣杯”?这块金属氢达到“亚稳态”了吗?究竟有多大意义？

文/实习记者 杨京宁 图文编辑/李乃麟

新媒体编辑/黄珊

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)

▲博士后研究员兰加·迪亚兹(Ranga Dias)与用来“制造”金属氢的实验设备(图片来源于网络)

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了。只因在此之前，地球上并不存在金属氢这种物质。也就是说，他们创造出的，是一种地球上从未有过的、极其稀有、珍贵的新材料。

▲在压力足够的条件下，透明氢分子转变为黑氢半导体，再转变为金属氢原子(图片来源于网络)

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“高压物理学界的圣杯”神在哪?

在我们一贯的认知里，氢应该是气态的。比如小时候玩的氢气球、长大后经常听人议论的清洁能源等等。那么什么是金属氢呢?

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。是不是有些不可思议?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。“变身”之后，成为金属的氢也拥有了不可思议的“超能力”。

▎炸药中的“威力之王”

▲密苏里号战列舰406毫米主炮炮弹(图片来源于网络)

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。

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。

▲密苏里号战列舰406毫米主炮开火(图片来源于网络)

▎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”。

▲氢弹爆炸(图片来源于网络)

▎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。

▲日本超高速磁悬浮列车(图片来源于网络)

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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想把氢变成金属，究竟有多难?

回答这个问题，我们先要来说说它的制造过程。

“制造金属氢有几个环节，先对氢气施加压力，让它成为液态，然后再施压，让它从液态变为固态。”中国科学院高能物理研究所研究院刘鹏对北京科技报 | “科学加”客户端记者说，“但固态不等于金属态，只有具备了导电性能，才可以被称为是金属氢。”

▲图中的上下两颗金刚石对顶砧压缩氢分子，在压力足够的条件下，样本转化为右图的氢原子(图片来源于网络)

▎要施加超过地心压力的巨大力量

要让固态的氢导电，就必须让组成它的氢分子打开化学键，变成一个个氢原子。打个不算恰当的比方，氢分子就像手拉着手围成一圈的小朋友，而打开化学键就是让他们松开手，变成一个个独立的个体，也就是氢原子。由于原子周围存在大量的可以自由移动的电子，当那些电子定向移动的时候会产生电流，也就意味着能导电了。

当然，化学键不是轻易能打开的，需要施加非常强大的外力。据席尔瓦拉和他的博士后研究员兰加·迪亚兹(Ranga Dias)介绍，他们在实验时，将样品置于高达495千兆帕斯卡(大约相当于488万个大气压)的压力下，而这个数值甚至超过了位于地球中心的压力值。

▲金刚石对顶砧产生的压力甚至超过地球中心压力(图片来源于网络)

▎要有完美的金刚石对顶砧设备

看到这里你可能会问了，这么大的压力是从哪儿来的呢?答案就是——金刚石对顶砧。

“所谓金刚石对顶砧，是将两块金刚石的尖头相对挤压，从而给夹在中间的物质施加压力。”刘鹏一边说着，一边举起两只手掌，做出互相接近、挤压的动作。“我们都知道，在压力一定的情况下，受力面积越小，压强越大。因为金刚石尖头的面积非常小，一般只有几十微米，所以当我们通过金刚石给中间的氢样品施加压力时，就会产生极大的压强，促使分子链断裂，从而使氢拥有导电性能。”

在刘鹏看来，制成金属氢的一大技术难点就在于这个金刚石对顶砧设备。“目前我们北京的设备还做不出这么大的压力。有时根据情况需要，我们会使用激光加温等辅助手段，可即便这样，能施加的最大压力也只能到300千兆帕斯卡。”此外，这项实验对金刚石品质的要求也非常高，由于金刚石的结构越完美，抗压能力才越好，要承受如此大的压力，金刚石绝对不能轻易碎裂，“所以哈佛大学的科学家们能找到合适的金刚石，再加工成实验需要的形状，其实也是很有难度的。”刘鹏说道。

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哈佛“创造”金属氢只是噱头?

▎质疑者：达不到“亚稳态”没有实际意义

“没有达到亚稳态，哈佛大学的金属氢是根本不能用的。”在接受《北京科技报》|科学加客户端采访时，中国科学院院士、粒子物理、理论物理学家何祚庥坦言，“我认为这个发现的意义被夸大了。”

何祚庥所说的亚稳态，指的是当施加在某种物质上的外力消失后，该物质还能在一定时间内维持原来的状态。放在金属氢上讲，就是即便停止施加巨大的压力，氢样品也不会马上恢复成氢气，并仍具备导电性能。换句话说，如果外力消失就化作气体，现在谈金属氢的任何应用都将是天方夜谭。

“至少我们现在看不到任何数据能证明金属氢已经实现了亚稳态，”何祚庥说，“而能够通过外力拥有金属性的物质实际上有很多，所以氢也称不上是稀奇。”

▲金刚石对顶砧产生的强大压力是固态氢转变为金属氢的关键(图片来源于网络)

▎支持者：有了这个“开始”已经足够重要

不过关于这一点，刘鹏有不同的看法。“哈佛的实验毕竟让我们知道，世界上是有这种东西存在的，而一项研究从实验室走向应用，往往需要一个漫长的过程。”

在他看来，金属氢的出现是一个开始，而这个“开始”本身，已经具备足够重要的意义。

“举个例子，2003年的SARS想必很多人都记忆犹新，当时我们刚上了一条试验线，就把这个病毒的主要蛋白质的结构测试出来了。”刘鹏说道，“可能有人会说，知道这个病毒的结构也不能治病啊，我们想要的是真正的药。但其实，这二者之间的距离并不远。任何的药剂都有研发过程，你想做这个药，得先知道这个病毒是怎么回事儿，它的结构是什么。

▲SARS病毒结构(图片来源于网络)

知道结构了，就可以知道它的作用机理是什么，为什么会都人体造成损害，而知道它这的作用机理，就知道这个病毒存活的关键，然后我们就可以想办法去破坏它、抑制它。当经过实验，发现病毒的活性丧失了，就可以开发这种药并投入使用了。”而当我们回溯过去，会发现一切的开始恰恰是对SARS这种病毒的探索。

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是不是金属氢，究竟该怎样证明?

▎光凭眼睛看下结论并不“靠谱”

席尔瓦拉教授在接受采访时曾说，“那时候研究团队正在进行实验，大家都认为我们很有可能实现这一目标。后来他们给我打电话说，‘样品闪闪发光!’我马上跑下去看，发现真的是金属氢!”而对之后进一步的实验测试，却显然有些含糊其辞，“我立即说，我们必须进行测量确认，所以我们随后重新安排了实验室......我们就是这么做的。”

▲哈佛大学自然科学教授伊萨克·席尔瓦拉(Issac Silvera)(图片来源于网络)

这一表述造成了刘鹏的疑虑，“在这则公开报道中，哈佛没有说明进一步测试是什么。他们对金属氢的判定显然借助于可见光——一种不太可靠的方法。”

为了向记者解释清楚，他随手拿起桌子上的一只遥控器。“比如这个东西，从表面上看，它是一个遥控器，但它有没有相应的功能是凭肉眼看不出来的。目前哈佛只能证明，他们创造的物质具备金属氢的一些特征，但并不能完全说服别人，它百分之百就是金属氢。”

▎“验明正身”最直接的方法是同步辐射

据刘鹏介绍，要证明这个物质就是金属氢，必须测试它的内部结构并公布相关的数据，“最直接的测试方法就是同步辐射。”

▲同步辐射成像可以清楚“看”到氧化铁纳米颗粒(图片来源于网络)

在物理学领域，有一种设备叫同步加速器，用于高能物理的对撞实验。上世纪中叶，人们无意中发现，同步加速器运转的时候会产生很强的辐射，而这种辐射的性能非常优异，因为是从同步加速器上发现的，所以这种辐射就被命名为同步辐射。

同步辐射重点发展的实验技术是光学，通过X射线、γ射线、红外线和紫外线等，将某种物质的原子、分子结构看清楚。

“我们肯定创造金属氢的意义，但更期待哈佛能拿出更直接、详细的实验数据。”刘鹏笑着说。

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