ลึกเข้าไปในภายในของดาวเคราะห์ก๊าซยักษ์อย่างดาวพฤหัสบดี สสารสามารถอยู่ภายใต้แรงกดดันหลายล้านชั้นบรรยากาศ ในสภาวะที่รุนแรงที่สุด แม้แต่ไฮโดรเจนก็ไม่มีอยู่ในรูปแบบโมเลกุลตามปกติอีกต่อไป พันธะโควาเลนต์ของมันจะสลายตัวและเชื่อว่าวัสดุจะกลายเป็นของแข็งโลหะ ในขณะที่นักดาราศาสตร์พยายามทำความเข้าใจโครงสร้างทางกายภาพของก๊าซยักษ์
ความรู้โดยละเอียดเกี่ยวกับกระบวนการทำให้เป็นโลหะนี้
มีความสำคัญเพื่อให้ได้ข้อมูลเชิงลึกเหล่านี้ นักวิจัยต้องดูที่แผนภาพเฟสของไฮโดรเจน ซึ่งแสดงให้เห็นว่าคุณสมบัติทางกายภาพของไฮโดรเจนแปรผันตามอุณหภูมิและความดันอย่างไร แม้ว่าไดอะแกรมเฟสของไฮโดรเจนในสภาวะที่รุนแรงน้อยกว่าจะได้รับการแมปอย่างแม่นยำ แต่ก็ห่างไกลจากกรณีของไฮโดรเจนที่เป็นโลหะที่มีความหนาแน่นสูง ช่องว่างในความรู้นี้ได้กระตุ้นให้มีการสอบสวนหลายครั้งว่าขอบเขตระหว่างไฮโดรเจนเหลวระดับโมเลกุลกับรูปแบบโลหะที่เป็นของแข็งอยู่ที่ใด อย่างไรก็ตาม เป็นเรื่องยากมากที่จะสร้างแรงกดดันสูงที่จำเป็นในห้องปฏิบัติการ
ขอบเขตที่แตกต่างเมื่อเร็ว ๆ นี้ นักฟิสิกส์ได้ใช้การจำลองด้วยคอมพิวเตอร์เพื่อสร้างแบบจำลองไฮโดรเจนภายใต้สภาวะที่รุนแรง โดยใช้กลศาสตร์ทางสถิติและควอนตัมเพื่อสร้างปฏิสัมพันธ์ระหว่างกลุ่มของอะตอมเสมือนขึ้นใหม่ สำหรับตัวอย่างที่มีอะตอมสองสามร้อย รันในช่วงเวลาจำลองหลายพิโควินาที แบบจำลองเหล่านี้คาดการณ์ว่าภายใต้ความดันที่เพิ่มขึ้นไฮโดรเจนจะผ่านการเปลี่ยนเฟสลำดับที่หนึ่งอย่างกะทันหันจากสถานะโมเลกุลไปเป็นสถานะอะตอม การใช้ผลลัพธ์เหล่านี้กับการตกแต่งภายในของดาวเคราะห์แสดงให้เห็นว่ามีขอบเขตที่ชัดเจนระหว่างชั้นฉนวนและชั้นสื่อกระแสไฟฟ้าในแผนภาพเฟส
อย่างไรก็ตาม ความพยายามล่าสุดเหล่านี้
ต้องเผชิญกับข้อจำกัดสำคัญ ซึ่งทำให้ข้อค้นพบของพวกเขากลายเป็นข้อสงสัย “แม้แต่วิธีการล้ำสมัยก็สามารถจำลองอะตอมไฮโดรเจนได้หลายร้อยอะตอม” Bingqing Cheng จากมหาวิทยาลัยเคมบริดจ์อธิบาย “เนื่องจากก่อนหน้านี้เราถูกจำกัดให้ใช้ขนาดระบบที่เล็กเช่นนี้ จึงถือว่ามีการเปลี่ยนแปลงลำดับแรก”
ปัญหาพื้นฐานของการจำลองเหล่านี้คือ เมื่อมีการเพิ่มอะตอมมากขึ้น ความซับซ้อนของพวกมันก็เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วเนื่องจากลักษณะของปฏิกิริยาควอนตัมของพวกมัน โมเดลขนาดใหญ่กว่าจะเกินความสามารถของซูเปอร์คอมพิวเตอร์ที่ทันสมัยที่สุดในปัจจุบัน ในการศึกษาใหม่Cheng และเพื่อนร่วมงานในสหราชอาณาจักรและสวิตเซอร์แลนด์ได้แก้ไขปัญหาจากมุมที่ต่างออกไป คราวนี้ใช้การเรียนรู้ของเครื่อง ซึ่งสามารถสร้างแบบจำลองของระบบที่ซับซ้อนได้ด้วยการ “ฝึก” ตัวเองเกี่ยวกับข้อมูลจริง
เรียนรู้จากกลศาสตร์ควอนตัม”โดยสรุปแล้ว เราใช้ประโยชน์จากเทคนิคการเรียนรู้ของเครื่องเพื่อ ‘เรียนรู้’ ปฏิสัมพันธ์ของอะตอมจากกลศาสตร์ควอนตัม” เฉิงอธิบาย “อินพุตของโครงข่ายประสาทเทียมคือตำแหน่งของแต่ละอะตอม และผลลัพธ์คือพลังงานและแรงที่พวกมันได้รับ” วิธีนี้ช่วยลดเวลาและต้นทุนในการประมวลผลที่จำเป็นลงอย่างมาก ทำให้ทีมสามารถจำลองอะตอมได้มากกว่า 1,700 อะตอมในช่วงอุณหภูมิและความดันที่หลากหลาย และเป็นเวลาเกือบหนึ่งนาโนวินาที
ภายในตัวอย่างจำลองที่ใหญ่กว่านี้
ทีมงานของ Cheng ได้ค้นพบว่าการเปลี่ยนแปลงระดับโมเลกุลสู่อะตอมไม่ได้เกิดขึ้นข้ามขอบเขตที่กำหนดไว้อย่างชัดเจน ตามที่การศึกษาก่อนหน้านี้ได้เสนอแนะ แต่ไฮโดรเจนกลับผ่านการเปลี่ยนแปลงอย่างราบรื่นเมื่อความดันสูงขึ้น สิ่งนี้เกิดขึ้นเนื่องจาก “จุดวิกฤต” ในแผนภาพเฟส ซึ่งอุณหภูมิและความดันที่สูงขึ้นทำให้ความแตกต่างทางกายภาพระหว่างของเหลวและโลหะหายไป ถูก “ซ่อน” ซึ่งหมายความว่าการเปลี่ยนแปลงระหว่างเฟสที่เป็นฉนวนและการนำไฟฟ้าของไฮโดรเจนเกิดขึ้นทั้งแบบค่อยเป็นค่อยไปและต่อเนื่อง
พฤติกรรมวิกฤตยิ่งยวดการเปิดเผยพฤติกรรม “วิกฤตยิ่งยวด” อาจมีนัยสำคัญต่อความเข้าใจของเราเกี่ยวกับแผนภาพเฟสของไฮโดรเจนที่แรงกดดันที่รุนแรง ตามที่ Cheng อธิบาย การค้นพบของทีมของเธอให้ภาพที่แม่นยำกว่ามากว่าไฮโดรเจนมีอยู่ในส่วนลึกของดาวเคราะห์ยักษ์ได้อย่างไร “ภายในร่างกายเหล่านี้ ชั้นฉนวนและชั้นโลหะมีโปรไฟล์ความหนาแน่นที่ราบรื่นระหว่างกัน แทนที่จะเป็นการเปลี่ยนแปลงอย่างกะทันหัน” เธออธิบาย
ภาพถ่ายเซลล์ทั่งเพชรทับบนดาวพฤหัสบดีไฮโดรเจนโลหะเหลวบนดาวพฤหัสบดีถูกสร้างขึ้นใหม่ในห้องแล็บหรือไม่?นอกเหนือจากความหมายสำหรับวิทยาศาสตร์ดาวเคราะห์แล้ว นักวิจัยเชื่อว่าผลลัพธ์ของพวกเขาชี้ให้เห็นถึงศักยภาพที่มีแนวโน้มสำหรับการเรียนรู้ของเครื่องในการสำรวจไดอะแกรมเฟสไฮโดรเจน “เราเชื่อว่าแมชชีนเลิร์นนิงจะไม่เพียงแค่เปลี่ยนวิธีการสร้างแบบจำลองไฮโดรเจนแรงดันสูง แต่จะอยู่ในกล่องเครื่องมือมาตรฐานของนักฟิสิกส์เชิงคำนวณ” เฉิงกล่าว “ด้วยแมชชีนเลิร์นนิง เราสามารถเรียกใช้การจำลองระดับนาโนวินาทีกับอะตอมหลายพันอะตอมได้ โดยมีความแม่นยำในหลักการเป็นอันดับแรก นี่เป็นสิ่งที่เกินความฝันของเราเมื่อสิบปีที่แล้ว”
John Proctorแห่งมหาวิทยาลัย Salford ชี้ให้เห็นว่าการสำรวจผลกระทบโดยละเอียดของงานนี้สำหรับการตกแต่งภายในของดาวเคราะห์จะไม่ใช่เรื่องง่าย “[เฉิงและเพื่อนร่วมงาน] เสนอว่าไม่มีการเปลี่ยนแปลงของของเหลวและของเหลวในไฮโดรเจนเป็นอันดับแรก และแบบจำลองดาวเคราะห์ที่สมมติว่าสิ่งนี้จำเป็นต้องได้รับการแก้ไข” เขากล่าว “เนื่องจากการตกแต่งภายในที่แท้จริงของดาวพฤหัสบดีและดาวเสาร์ไม่ได้ประกอบด้วยไฮโดรเจนบริสุทธิ์ แต่เป็นของผสมของไหลที่ประกอบด้วยไฮโดรเจนและฮีเลียมเป็นส่วนใหญ่ จึงจำเป็นต้องมีงานเพิ่มเติมอีกมากในการสำรวจความหมายของงานนี้สำหรับวิทยาศาสตร์ดาวเคราะห์”
แหนบแบบออปติคัลชนิดใหม่สามารถดักจับและจัดการวัตถุที่มีขนาดเล็กกว่า 10 นาโนเมตรได้โดยไม่ทำลายวัตถุ อุปกรณ์ opto-thermo-electrohydrodynamic แบบไฮบริดซึ่งพัฒนาโดยJustus Ndukaifeและเพื่อนร่วมงานที่Vanderbilt University ในสหรัฐอเมริกาสามารถใช้เพื่อควบคุมชีวโมเลกุลที่ไวต่อแสงและวัตถุระดับนาโนอื่น ๆ
Credit : francoisdelaval.org gaimanatjcpl.org gedaechtnisderalpen.net generic40mgnexium.com getridofacnesystem.com
