當氫成為金屬，它將具備哪些不可思議的能力？

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美國科學家創造出地球上從來沒有的金屬氫。它為什麼被稱為「高壓物理學界的聖杯」?這塊金屬氫達到「亞穩態」了嗎?究竟有多大意義?

文/實習記者 楊京寧 圖文編輯/李乃麟

新媒體編輯/黃珊

採訪專家>>

何祚庥(中國科學院院士、粒子物理、理論物理學家)

劉鵬(中國科學院高能物理研究所研究員)

太長不看版

1、 金屬氫是對氫氣施加巨大的壓力(大約相當於488萬個大氣壓)，使它從氣態變為液態，再由液態變為固態，最後打開分子鍵，成為氫原子，具備導電性能。

2、 金屬氫可以製造更高威力的炸藥和發射葯、新一代的氫彈。同時，它還是一種常溫超導體，可以被應用在輸電、磁懸浮列車、航空航天等領域。

3、 金屬氫目前尚未實現亞穩態，也就是說，一旦外力消失，它便會恢復到氣體狀態。所以世界各地的科學家們仍在為製成亞穩態的金屬氫而努力著。

博士後研究員蘭加·迪亞茲(Ranga Dias)與用來「製造」金屬氫的實驗設備(圖片來源於網路)

最近，一個叫做「金屬氫」的名詞似乎成了「網紅」，頻頻見於各種新聞的標題中，被稱為「突破性、革命性的發現」。確實，當1月26日的美國《科學》雜誌刊登出「哈佛大學科學家已經創造出金屬氫這種物質」的論文時，幾乎全球物理學界的目光都被吸引過去了。只因在此之前，地球上並不存在金屬氫這種物質。也就是說，他們創造出的，是一種地球上從未有過的、極其稀有、珍貴的新材料。

在壓力足夠的條件下，透明氫分子轉變為黑氫半導體，再轉變為金屬氫原子(圖片來源於網路)

「高壓物理學界的聖杯」神在哪?

在我們一貫的認知里，氫應該是氣態的。比如小時候玩的氫氣球、長大後經常聽人議論的清潔能源等等。那麼什麼是金屬氫呢?

顧名思義，金屬氫指的是金屬狀態的氫。它不僅以固體的形式存在，還具備「導電」等金屬才有的特殊性能。是不是有些不可思議?其實，早在上世紀30年代，美國著名的物理學家E·P·維格納等人就曾預測，在一定的壓力下，氫可以呈現出金屬的特有屬性。

從氣態到金屬，可不僅僅是狀態的變化那麼簡單。「變身」之後，成為金屬的氫也擁有了不可思議的「超能力」。

▎炸藥中的「威力之王」

密蘇里號戰列艦406毫米主炮炮彈(圖片來源於網路)

首先，根據理論預測，金屬氫作為超高含能物質的能量密度高達218kJ/g，是TNT炸藥(4.65kJ/g)的約50倍，是綜合性能最好的奧托金HMX炸藥(5.53kJ/g)的約40倍。換句話說，金屬氫的爆炸威力是現在高能炸藥的四五十倍之多，這可以用於製造更高威力的炸藥和發射葯。

舉個例子，二戰時期，美國密蘇里號戰列艦406毫米口徑的主炮，一枚高爆炮彈重達862千克，彈頭裡裝葯約70千克，如果換成金屬氫，相當於同樣尺寸的彈頭裡裝載了約3噸的高爆炸藥，威力可想而知。

密蘇里號戰列艦406毫米主炮開火(圖片來源於網路)

▎新一代核武的「不二之選」

除了常規武器，金屬氫還能幫人類研製出新一代的氫彈。目前的氫彈都是通過原子彈爆炸引發核聚變反應，進而實現氫彈的爆炸。正因為如此，無論原子彈還是氫彈都會帶來巨大的核污染。如果可以大量製備出金屬氫，利用金屬氫爆炸的威力引發核聚變，那麼這種新一代的氫彈爆炸後將十分「乾淨」。

氫彈爆炸(圖片來源於網路)

▎民用領域的「希望之星」

當然，除了軍事用途，金屬氫在民用領域同樣具有廣泛的前途。在理論預測中，金屬氫是一種常溫超導體。用金屬氫製作導線，可以避免輸電損耗;用它製作發電機，可以大幅度降低重量和提高輸出功率;用在磁懸浮技術中，則會讓超高速磁懸浮列車研究取得質的突破;而核磁共振這種醫療設備如果使用金屬氫，則會大大降低製造和使用維護成本，同時也更精確。

另外，金屬氫的超高能量密度在航天領域也有很大應用，如果用金屬氫做火箭燃料，理論比沖可達約1700秒，是目前比沖最高的氫氧發動機的近4倍，可以輕鬆做到火箭單級入軌，帶來太空發射能力的革命。

日本超高速磁懸浮列車(圖片來源於網路)

正因為有如此多的「超能力」，在金屬氫理論被提出之後的80多年裡，世界各地的研究人員爭相嘗試，想把預測變成現實。然而，儘管他們先後製成了金屬碘、金屬硫等物質，卻始終在氫上「栽跟頭」，一直沒有成功。於是，金屬氫便漸漸有了「高壓物理學界的聖杯」的名頭。

想把氫變成金屬，究竟有多難?

回答這個問題，我們先要來說說它的製造過程。

「製造金屬氫有幾個環節，先對氫氣施加壓力，讓它成為液態，然後再施壓，讓它從液態變為固態。」中國科學院高能物理研究所研究院劉鵬對北京科技報「科學加」客戶端記者說，「但固態不等於金屬態，只有具備了導電性能，才可以被稱為是金屬氫。」

圖中的上下兩顆金剛石對頂砧壓縮氫分子，在壓力足夠的條件下，樣本轉化為右圖的氫原子(圖片來源於網路)

▎要施加超過地心壓力的巨大力量

要讓固態的氫導電，就必須讓組成它的氫分子打開化學鍵，變成一個個氫原子。打個不算恰當的比方，氫分子就像手拉著手圍成一圈的小朋友，而打開化學鍵就是讓他們鬆開手，變成一個個獨立的個體，也就是氫原子。由於原子周圍存在大量的可以自由移動的電子，當那些電子定向移動的時候會產生電流，也就意味著能導電了。

當然，化學鍵不是輕易能打開的，需要施加非常強大的外力。據席爾瓦拉和他的博士後研究員蘭加·迪亞茲(Ranga Dias)介紹，他們在實驗時，將樣品置於高達495千兆帕斯卡(大約相當於488萬個大氣壓)的壓力下，而這個數值甚至超過了位於地球中心的壓力值。

金剛石對頂砧產生的壓力甚至超過地球中心壓力(圖片來源於網路)

▎要有完美的金剛石對頂砧設備

看到這裡你可能會問了，這麼大的壓力是從哪兒來的呢?答案就是——金剛石對頂砧。

「所謂金剛石對頂砧，是將兩塊金剛石的尖頭相對擠壓，從而給夾在中間的物質施加壓力。」劉鵬一邊說著，一邊舉起兩隻手掌，做出互相接近、擠壓的動作。「我們都知道，在壓力一定的情況下，受力面積越小，壓強越大。因為金剛石尖頭的面積非常小，一般只有幾十微米，所以當我們通過金剛石給中間的氫樣品施加壓力時，就會產生極大的壓強，促使分子鏈斷裂，從而使氫擁有導電性能。」

在劉鵬看來，製成金屬氫的一大技術難點就在於這個金剛石對頂砧設備。「目前我們北京的設備還做不出這麼大的壓力。有時根據情況需要，我們會使用激光加溫等輔助手段，可即便這樣，能施加的最大壓力也只能到300千兆帕斯卡。」此外，這項實驗對金剛石品質的要求也非常高，由於金剛石的結構越完美，抗壓能力才越好，要承受如此大的壓力，金剛石絕對不能輕易碎裂，「所以哈佛大學的科學家們能找到合適的金剛石，再加工成實驗需要的形狀，其實也是很有難度的。」劉鵬說道。

哈佛「創造」金屬氫只是噱頭?

▎質疑者：達不到「亞穩態」沒有實際意義

「沒有達到亞穩態，哈佛大學的金屬氫是根本不能用的。」在接受《北京科技報》科學加客戶端採訪時，中國科學院院士、粒子物理、理論物理學家何祚庥坦言，「我認為這個發現的意義被誇大了。」

何祚庥所說的亞穩態，指的是當施加在某種物質上的外力消失後，該物質還能在一定時間內維持原來的狀態。放在金屬氫上講，就是即便停止施加巨大的壓力，氫樣品也不會馬上恢復成氫氣，並仍具備導電性能。換句話說，如果外力消失就化作氣體，現在談金屬氫的任何應用都將是天方夜譚。

「至少我們現在看不到任何數據能證明金屬氫已經實現了亞穩態，」何祚庥說，「而能夠通過外力擁有金屬性的物質實際上有很多，所以氫也稱不上是稀奇。」

金剛石對頂砧產生的強大壓力是固態氫轉變為金屬氫的關鍵(圖片來源於網路)

▎支持者：有了這個「開始」已經足夠重要

不過關於這一點，劉鵬有不同的看法。「哈佛的實驗畢竟讓我們知道，世界上是有這種東西存在的，而一項研究從實驗室走嚮應用，往往需要一個漫長的過程。」

在他看來，金屬氫的出現是一個開始，而這個「開始」本身，已經具備足夠重要的意義。

「舉個例子，2003年的SARS想必很多人都記憶猶新，當時我們剛上了一條試驗線，就把這個病毒的主要蛋白質的結構測試出來了。」劉鵬說道，「可能有人會說，知道這個病毒的結構也不能治病啊，我們想要的是真正的葯。但其實，這二者之間的距離並不遠。任何的藥劑都有研發過程，你想做這個葯，得先知道這個病毒是怎麼回事兒，它的結構是什麼。

SARS病毒結構(圖片來源於網路)

知道結構了，就可以知道它的作用機理是什麼，為什麼會都人體造成損害，而知道它這的作用機理，就知道這個病毒存活的關鍵，然後我們就可以想辦法去破壞它、抑制它。當經過實驗，發現病毒的活性喪失了，就可以開發這種葯並投入使用了。」而當我們回溯過去，會發現一切的開始恰恰是對SARS這種病毒的探索。

是不是金屬氫，究竟該怎樣證明?

▎光憑眼睛看下結論並不「靠譜」

席爾瓦拉教授在接受採訪時曾說，「那時候研究團隊正在進行實驗，大家都認為我們很有可能實現這一目標。後來他們給我打電話說，『樣品閃閃發光!』我馬上跑下去看，發現真的是金屬氫!」而對之後進一步的實驗測試，卻顯然有些含糊其辭，「我立即說，我們必須進行測量確認，所以我們隨後重新安排了實驗室......我們就是這麼做的。」

哈佛大學自然科學教授伊薩克·席爾瓦拉(Issac Silvera)(圖片來源於網路)

這一表述造成了劉鵬的疑慮，「在這則公開報道中，哈佛沒有說明進一步測試是什麼。他們對金屬氫的判定顯然藉助於可見光——一種不太可靠的方法。」

為了向記者解釋清楚，他隨手拿起桌子上的一隻遙控器。「比如這個東西，從表面上看，它是一個遙控器，但它有沒有相應的功能是憑肉眼看不出來的。目前哈佛只能證明，他們創造的物質具備金屬氫的一些特徵，但並不能完全說服別人，它百分之百就是金屬氫。」

▎「驗明正身」最直接的方法是同步輻射

據劉鵬介紹，要證明這個物質就是金屬氫，必須測試它的內部結構並公布相關的數據，「最直接的測試方法就是同步輻射。」

同步輻射成像可以清楚「看」到氧化鐵納米顆粒(圖片來源於網路)

在物理學領域，有一種設備叫同步加速器，用於高能物理的對撞實驗。上世紀中葉，人們無意中發現，同步加速器運轉的時候會產生很強的輻射，而這種輻射的性能非常優異，因為是從同步加速器上發現的，所以這種輻射就被命名為同步輻射。

同步輻射重點發展的實驗技術是光學，通過X射線、γ射線、紅外線和紫外線等，將某種物質的原子、分子結構看清楚。

「我們肯定創造金屬氫的意義，但更期待哈佛能拿出更直接、詳細的實驗數據。」劉鵬笑著說。

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