北京
你可能也好奇过，钻石除了戴在手上闪闪发光，还能干什么？答案可能超出你的想象——它被用在核聚变实验里当“微型燃料舱”，还可能像雨一样落在海王星和天王星的深处。但科学家过去20年一直没搞明白一件事：钻石在极端压力下到底怎么熔化？实验室测的和电脑算的，差了整整20%。
最近，劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）的研究人员终于把这事给捋顺了。他们用激光把微小的钻石样品压缩到比地球核心还高三倍的压力，同时加热到比太阳表面还高的温度，然后测出了钻石熔化时的原子结构、温度、密度和光学反射率。结果发表在《自然·物理学》上，直接终结了这场持续20年的争论。
钻石在高压下熔化，反而变得更“沉”
先说个反直觉的事：大多数材料熔化后密度会变小，但钻石在高压下熔化后，密度反而变大了。这听起来很奇怪，但你其实见过类似的现象——冰浮在水面上，就是因为液态水比固态冰密度更大。LLNL科学家Marius Millot打了个比方：“Jon的发现意味着，在高压下，钻石会像冰块浮在水里一样，浮在液态碳上。”
这个发现是大约20年前由LLNL的Jon Eggert和他的同事们做出来的。当时他们用冲击波压缩钻石，观察它在高压下的熔化行为，结果发现了这个反常现象。实验本身是个突破，但麻烦也随之而来：实验室测到的熔化温度，和理论模型预测的差了大约20%。
“不管理论学家怎么折腾——哪怕用最先进的计算机模拟技术——他们都无法重现实验的结果，”Millot说。这个差距让整个领域头疼了20年。
两个矛盾，一次解决
除了熔化温度的争议，还有另一个悬而未决的问题。桑迪亚国家实验室的研究人员用Z机器（一种能产生极强磁场的装置）冲击压缩微小的钻石样品，测量信号显示，钻石在完全熔化成液态碳之前，可能先经过另一种晶体结构。但计算机模拟并不支持这个说法。
这次LLNL的新实验，把两个问题一起解决了。研究人员用激光驱动冲击波，把钻石样品压缩到超过海王星和天王星中心的压力，同时加热到超过太阳表面的温度。在这种极端条件下，他们测到了钻石的原子结构、温度、密度和光学反射率——这是以前没人做到的。
结果让实验测量和基于量子力学的模拟结果高度吻合。也就是说，理论模型和实验数据终于对上了。20年的分歧，就此画上句号。
对核聚变和行星模型都有用
这项研究的意义不只是解决一个学术争论。它有两个很实际的应用方向。
第一个是惯性约束聚变。钻石在聚变实验中用来做燃料舱的微小胶囊。研究人员说，如果把这些新数据应用到聚变实验中，可能让能量增益提高三倍。这是个相当可观的提升。
第二个是行星内部模型。冰巨星（比如海王星和天王星）内部压力极高，科学家一直猜测钻石可能在这些行星深处形成，甚至像雨一样落下来。现在有了更精确的钻石高压行为数据，行星内部模型就能建得更准。
说人话总结一下
这件事本身没那么神奇，真正神奇的是：科学家用激光把一小粒钻石压到比地心还高三倍的压力、加热到比太阳表面还热，然后测出了它在熔化瞬间的原子结构。20年来实验室和计算机各说各话的难题，就这么被解决了。
至于钻石会不会真的在海王星上下雨？那是另一个还没完全确认的故事。但至少现在，我们对钻石在极端压力下的行为，有了一个靠谱的答案。
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