Hành trình Khoa học, Không gian và Thời gian!
Các nhà khoa học đã phát triển một phương pháp học máy dựa trên vật lý để kiểm tra hoạt động của hydro ở áp suất cực cao. Mô hình tiết lộ bằng chứng về quá trình kim loại hóa liên tục và do đó có ý nghĩa quan trọng đối với khoa học hành tinh. Về cơ bản hơn, nó chỉ ra con đường phía trước cho một sự thay đổi dựa trên mô phỏng trong cách chúng ta hiểu hành vi của vật chất trong các lĩnh vực đa dạng như phát triển thuốc và hợp kim cho ô tô.
Nguyên tử hydro, với một proton đơn lẻ được quay quanh bởi một electron, được cho là vật chất đơn giản nhất hiện có. Tuy nhiên, hydro nguyên tố có thể thể hiện hành vi cực kỳ phức tạp – ở áp suất megabar, nó trải qua quá trình chuyển đổi từ một chất lỏng cách điện sang chất lỏng dẫn điện kim loại.
Mặc dù sự chuyển đổi hấp dẫn chỉ đơn giản theo quan điểm của vật lý vật chất cô đặc và khoa học vật liệu – sự chuyển đổi pha lỏng-lỏng khá bất thường – nó cũng có ý nghĩa quan trọng đối với khoa học hành tinh, vì hydro lỏng tạo nên bên trong của các hành tinh khổng lồ như vậy như Sao Mộc và Sao Thổ cũng như các ngôi sao lùn nâu. Khi đó, hiểu được sự chuyển đổi lỏng-lỏng là một phần trung tâm của việc mô hình hóa chính xác cấu trúc và sự tiến hóa của các hành tinh như vậy và các mô hình tiêu chuẩn thường giả định một sự chuyển đổi rõ nét giữa chất lỏng phân tử cách điện và chất lỏng kim loại dẫn điện. Sự chuyển đổi rõ nét này có liên quan đến sự không liên tục về mật độ và do đó có một biên giới rõ ràng giữa lớp phủ kim loại bên trong và lớp phủ cách nhiệt bên ngoài trong các hành tinh này.
Trong khi các nhà khoa học đã nỗ lực đáng kể để khám phá và mô tả đặc điểm của quá trình chuyển đổi này cũng như nhiều đặc tính khác thường của hydro đậm đặc – bao gồm tính đa hình rắn phong phú và khó hiểu, đường nóng chảy dị thường và khả năng chuyển đổi sang trạng thái siêu dẫn – thì việc điều tra trong phòng thí nghiệm rất phức tạp vì nhu cầu tạo ra một môi trường áp suất và nhiệt độ cao có thể kiểm soát được cũng như hạn chế hydro trong quá trình đo. Nghiên cứu thực nghiệm sau đó vẫn chưa đạt được sự đồng thuận về việc liệu sự chuyển đổi diễn ra đột ngột hay trơn tru và các thí nghiệm khác nhau đã xác định được sự chuyển đổi chất lỏng-chất lỏng ở các áp suất chênh lệch nhau 100 gigapascal.
Ceriotti nói: “Loại thí nghiệm mà bạn cần thực hiện để có thể nghiên cứu một vật liệu trong cùng một phạm vi áp suất mà bạn tìm thấy trên Sao Mộc là rất không tầm thường. “Kết quả của những ràng buộc, nhiều thí nghiệm khác nhau đã được thực hiện, với các kết quả rất khác nhau.”
Mặc dù các kỹ thuật mô hình hóa được giới thiệu trong thập kỷ trước đã cho phép các nhà khoa học hiểu rõ hơn về hệ thống, nhưng chi phí tính toán khổng lồ liên quan đến việc giải quyết cơ bản vấn đề cơ học lượng tử đối với hành vi của nguyên tử hydro có nghĩa là những mô phỏng này nhất thiết bị giới hạn về thời gian, ở quy mô một vài pico giây, và trong phạm vi chỉ vài trăm nguyên tử. Kết quả ở đây cũng đã được trộn lẫn.
Để xem xét vấn đề kỹ lưỡng hơn, Ceriotti và các đồng nghiệp Bingqing Chen tại Đại học Cambridge và Guglielmo Mazzola tại IBM Research Zurich đã sử dụng kiến trúc mạng nơ-ron nhân tạo để xây dựng tiềm năng học máy. Dựa trên một số lượng nhỏ các phép tính rất chính xác (và tốn thời gian) về vấn đề cấu trúc điện tử, tiềm năng máy học rẻ tiền cho phép khảo sát sự chuyển pha hydro đối với nhiệt độ từ 100 đến 4000 K và áp suất từ 25 đến 400 gigapascal, với kích thước và thời gian mô phỏng hội tụ. Các mô phỏng, chủ yếu chạy trên các máy tính EPFL tại SCITAS, chỉ mất vài tuần so với thời gian của CPU là 100 triệu năm mà lẽ ra phải chạy các mô phỏng truyền thống để giải bài toán cơ lượng tử.
Kết quả nghiên cứu lý thuyết về giản đồ pha của hydro đậm đặc cho phép nhóm nghiên cứu tái tạo hành vi nóng chảy tái tạo và tính đa hình của pha rắn. Các mô phỏng dựa trên tiềm năng học máy cho thấy, trái với giả định phổ biến rằng hydro trải qua quá trình chuyển pha bậc một, bằng chứng về quá trình kim loại hóa liên tục trong chất lỏng. Đến lượt nó, điều này không chỉ gợi ý sự chuyển đổi suôn sẻ giữa các lớp cách điện và kim loại trong các hành tinh khí khổng lồ, nó còn điều hòa sự khác biệt hiện có giữa cả thí nghiệm trong phòng thí nghiệm và thí nghiệm mô hình.
Ceriotti cho biết: “Nếu hydro áp suất cao là siêu tới hạn, như các mô phỏng của chúng tôi cho thấy, sẽ không có sự chuyển đổi mạnh mẽ nào mà tất cả các đặc tính của chất lỏng đều có bước nhảy đột ngột. “Tùy thuộc vào thuộc tính chính xác mà bạn thăm dò và cách bạn xác định ngưỡng, bạn sẽ thấy quá trình chuyển đổi xảy ra ở một nhiệt độ hoặc áp suất khác. Điều này có thể dung hòa một thập kỷ kết quả gây tranh cãi từ các thí nghiệm áp suất cao. Các thí nghiệm khác nhau đã đo hơi khác nhau và họ đã không thể xác định được sự chuyển đổi tại cùng một điểm vì không có sự chuyển đổi rõ nét. “
Về việc đối chiếu kết quả của họ với một số mô hình trước đó đã thực sự xác định được sự chuyển đổi mạnh mẽ, Ceriotti nói rằng họ chỉ có thể quan sát thấy một bước nhảy rõ ràng trong các thuộc tính khi thực hiện các mô phỏng nhỏ, và trong những trường hợp đó, họ có thể theo dõi bước nhảy đến sự đông đặc, thay vì hơn là chuyển tiếp lỏng-lỏng. Sự chuyển đổi rõ nét được quan sát sau đó nên được hiểu như một hiện vật của những hạn chế của việc sử dụng mô phỏng dựa trên mô hình dựa trên vật lý truyền thống. Phương pháp học máy đã cho phép các nhà nghiên cứu chạy các mô phỏng thường lớn hơn từ 4 đến 10 lần và dài hơn vài 100 lần. Điều này giúp họ có cái nhìn tổng quan hơn nhiều về toàn bộ quá trình.
Trong khi nó được áp dụng trong bài báo cụ thể này cho một vấn đề liên quan đến khoa học hành tinh, công nghệ tương tự có thể được áp dụng cho bất kỳ vấn đề nào trong khoa học vật liệu hoặc hóa học.
Đây là một minh chứng về một công nghệ cho phép mô phỏng xâm nhập vào một chế độ không thể đạt tới. Công nghệ tương tự mà chúng ta có thể sử dụng để hiểu rõ hơn hành vi của các hành tinh cũng có thể được sử dụng để thiết kế các loại thuốc tốt hơn hoặc các vật liệu hiệu quả hơn. Thực sự có tiềm năng cho một sự thay đổi theo mô phỏng đối với cách chúng ta hiểu hành vi hàng ngày, như cũng như sự kỳ lạ của vật chất.
Nguồn truyện:
Tài liệu do Trung tâm Nghiên cứu Năng lực Quốc gia (NCCR) MARVEL cung cấp . Bản gốc do Carey Sargent viết. Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa về kiểu dáng và độ dài.
Tham khảo Tạp chí :