金属氢引起的“纷争”：科学家探索近90年 人类渴望的终极燃料

谁能想到世界上最神奇的材料会产生这么大的热度？遗憾的是，它不是有用的热度。至少现在还没有。90多年来，人们一直试图以金属形式制造氢，但目前它所带来的是专业人士之间的纷争。

如果谁能第一个成功制造金属氢，那将是一项意义重大的成就，以至于多个研究小组已经宣称取得了成功，只是他们的竞争对手对此表示高度怀疑。

纽约罗切斯特大学的兰加·迪亚斯，对今年6月份法国原子能委员会的保罗·鲁贝雷领导的研究小组发布的一项最新金属氢研究的回应是：无事生非。您可能会觉得他的这句评论很刺耳，然而您并不知道这句话的背景，这篇新研究的作者实际上在对2017年哈佛大学研究的评价时，也用了类似的字眼。

研究人员之间的唇齿之争，都源于一个风险相当高的研究。金属氢的拥护者声称这种普通元素可能会给科学和技术带来颠覆性的改变。

首先，它可能是一种突破性的火箭燃料，因为它可以转化为氢分子，释放出大量的热量；另外它还会给行星科学家们带来巨大希望，因为像木星这样的气态巨行星，它的核心被认为是由这种物质构成的。如果我们能在实验室里制造出来，我们也许就能了解这些行星是如何形成的；第三点，最吸引人的是传说中的金属氢在室温下的超导能力，它能让电流在不损失能量的情况下流动。

澳大利亚中子散射中心的海伦·梅纳德·凯斯利说，基于以上这些原因，一次确认最终成功的金属实验无疑将是一件大事，每位投身该研究的研究人员都希望能因此获得诺贝尔奖。这种潜在的成就听起来相当诱人。那么为什么一项很有前途的物理研究会如此折磨人呢？

1935年，尤金·维格纳和希拉德·贝尔·亨廷顿第一个意识到氢的这种转变是可能的。他们预测，为了在元素周期表上表现得和它的邻居一样，所有的氢都需要很大的压强。如果想要让氢原子的电子脱离质子，转而在坚硬的固体晶格中漫游，需要近400千兆帕卡（GPA)，相当于400万倍的大气压，形象的比喻，就好像一架针头上平衡的巨型喷气式飞机。

我们第一次足够接近金属氢是在50多年后的1998年。纽约康奈尔大学和马里兰大学的一组工程师将氢样本压缩在一个被称为“钻石砧”的地方。本质上钻石砧是一对钻石，它们的尖端非常锋利，大约是人类头发直径的四分之一。它们的尖端虽然微小，却能够对氢进行捕捉。

研究人员之后转动螺丝，将两颗钻石紧压，进而压缩捕获的氢气。最终在打碎了15对钻石后，该团队设法将尖端之间的压力提高到342 GPa，这已经是接近地球核心的压强。根据已知理论，这样高的压强应该足以使氢金属化，然而结果它不是。

四年后，由法国原子能委员会的保罗·鲁贝雷领导的一个小组表明，这样的结果是意料之中的。金属化压力的计算是基于对氢原子中电子所能达到的两种完全不同的能态之间的“间隙”的测量。随着压力的增大，这种间隙缩小了。于是进而改变了电子吸收或发射光的方式。就在间隙关闭、材料变成金属之前，氢的电子吸收光但不释放光，这导致材料变得越来越不透明。但是一旦间隙关闭，电子能够以自由移动的导体的形式存在，它们将重新释放出被吸收的光能，使材料具有高反射性。根据他们的观察推断，鲁贝雷和他的同事认为，要产生金属氢，需要大约450 GPa的压力。

又过了13年，我们终于可以说成功了。科学们在495 GPa压强下，看到了金属氢的出现。至少，这是当时在哈佛大学工作的迪亚斯和艾萨克·西尔瓦在2017年发表于《科学》杂志上的一篇同行评议论文中提出的观点。哈佛大学发布了一份新闻稿，称该成就是“高压物理学的圣杯”。

然而别那么快下结论，保罗·鲁贝雷在《自然》杂志上发表意见回应说“我不认为这篇论文有任何说服力”。这篇关于氢金属化的声明是基于氢的反射率的测量：在495 GPa时它开始发光。鲁贝雷解释说，这种情况也可能是由于其他原因造成的，比如钻石顶端的氧化铝涂层改变了氢气在压力下的反射率。另外获得的压力也是基于钻石在高压下振动的方式下校准而不是从直接测量中得出。这样的事实也不能说服其他研究人员，他们认为压力可能不超过350 GPa。

德国美因茨马克斯·普朗克化学研究所的米哈伊尔·埃雷梅斯也认为哈佛的说法尚未得到证实。他和他的同事亚历山大·德罗兹多夫在Arxiv论坛回复说，"在他们公布的数据中，我们没有发现金属氢的令人信服的证据"。

这两位研究人员知道自己在说什么，因为他们也在尝试制造金属氢。他们的反对主要来自两点，除了指出反射率变化可能来自钻石上的涂层外，压力测量也是"模糊的"。很显然，现在需要做的事情是重复实验。但是说起来容易做起来难，因为该实验是自毁的。

哈佛大学的迪亚斯和西尔瓦一直担心他们的样品是易碎的，所以限制了他们进行实验测量的数量和范围。他们认为更重要的是公布具有里程碑意义的成果。然而当他们打算做进一步实验时，他们发现样品消失了。两年后他们仍然不知道发生了什么事。这篇研究人员称之为“金属氢”的薄片只有10微米厚。它可能从铁锤的颚部滑落，在仪器的底部丢失。或者它可能只是蒸发了。但是这些事情并没有改变他们坚持的主张，他们回应了所有的批评，并且表示确信观察到金属氢。

今年六月，保罗·鲁贝雷在arXiv预印本论坛上发布了大胆的研究，结论是“在425 GPa附近观察到金属氢的一阶相变”。纽约罗切斯特大学的兰加·迪亚斯同样对研究结果表示了质疑。反对目前这些观测结果的科学家说，这些结果很有趣但却远非有结论性的。

迪亚斯表示，为了证明金属状态的存在，有必要证明两件事之一。首先，当温度接近绝对零度时，电导率保仍然是有限。二是表明材料的反射率随着波长的增加而增加。无论如何，金属氢研究的开端相当强劲。我们不知道它是液体还是固体的临界点在哪里，或者它是否可能是室温超导体。全球科学家现在还有很多事情要做，需要共同努力来回答这些问题。