Водород — простейший элемент во Вселенной. Один протон, один электрон. Именно из него в основном состоят звёзды, именно он был первым элементом, возникшим после Большого взрыва, именно он составляет большую часть видимой материи в космосе. Казалось бы, мы знаем о нём всё. Но есть одна форма водорода, которая до сих пор остаётся одновременно подтверждённой теоретически, труднодостижимой экспериментально и колоссально важной для понимания планет-гигантов. Эта форма — металлический водород. Вещество, которое на Земле удавалось получить лишь на долю секунды в лабораторных условиях, но которое, по всей видимости, составляет значительную часть Юпитера и Сатурна.
Что такое «металл» в физическом смысле
Прежде чем говорить о металлическом водороде, нужно понять: что вообще делает вещество металлом? В обыденной жизни металлы — это твёрдые блестящие предметы: железо, медь, золото. Но в физике понятие «металл» определяется иначе — через электрическую проводимость.
Металл — это вещество, в котором электроны не привязаны к конкретным атомам, а свободно перемещаются по всему объёму материала. Именно этот «электронный газ», текущий между атомами, обеспечивает и проводимость тока, и блеск, и теплопроводность. В изоляторах — таких как дерево или пластик — каждый электрон крепко сидит на своей орбите вокруг атома и никуда не уходит.
Теперь вопрос: что произойдёт с изолятором, если сдавить его так сильно, что атомы окажутся вплотную друг к другу? При чудовищном давлении электронные оболочки соседних атомов начинают перекрываться. Электроны оказываются в ситуации, когда им буквально «некуда деться» — они уже не могут принадлежать только одному атому. Они делокализуются, становятся общими, то есть вещество приобретает металлические свойства. Именно этот механизм лежит в основе металлизации водорода.
Почему водород — особый случай
Обычный водород при комнатных условиях — это газ. Молекулы H₂ , два атома водорода, скреплённых ковалентной связью, беспорядочно летают в пространстве. При охлаждении до -253°C он становится жидкостью, при ещё большем охлаждении — твёрдым телом. Во всех этих состояниях электроны прочно привязаны к своим атомам. Водород — диэлектрик.
Но что случится под давлением в миллионы атмосфер? Этот вопрос впервые серьёзно поставили физики Юджин Вигнер и Хиллард Хантингтон в 1935 году. Они теоретически показали: при достаточно высоком давлении расстояние между атомами водорода уменьшится настолько, что электроны начнут переходить от атома к атому свободно. Водород станет металлом.
Это звучит странно — как может простейший газ стать металлом? Но вспомним, что металличность — это не про химическую природу атома, а про поведение электронов. При правильных условиях металлом теоретически может стать что угодно. Водород — лишь наиболее интересный случай, потому что давление, необходимое для его металлизации, реально существует в природе — внутри планет-гигантов.
Два вида металлического водорода
Теория предсказывает существование нескольких форм металлического водорода в зависимости от давления и температуры.
Жидкий металлический водород — наиболее распространённая, как считается, форма внутри Юпитера и Сатурна. При огромном давлении и высокой температуре молекулы H₂ диссоциируют на отдельные атомы, и электроны начинают свободно перемещаться между ними. Водород ведёт себя как жидкий металл — что-то вроде ртути, только во много раз более экзотичной. Именно эта форма порождает магнитные поля планет-гигантов: текущий жидкий металлический водород создаёт гигантские электрические токи, а они, в свою очередь, — магнитное поле.
Твёрдый металлический водород — форма, которая существует при ещё более высоком давлении, но относительно низкой температуре. Атомы в этом случае выстраиваются в кристаллическую решётку, как в обычных металлах. Некоторые теоретики предсказывают, что эта фаза должна быть метастабильной: то есть, если такой водород получить при высоком давлении, а затем давление сбросить, вещество теоретически может остаться в металлическом состоянии при обычных условиях. Это было бы революционным открытием.
Почему на Земле его нет
Ответ прост и жесток: на Земле нет нужного давления. Теоретические расчёты — постоянно уточняемые, от первых оценок Вигнера и Хантингтона до современных квантово-механических вычислений — указывают на то, что для металлизации водорода требуется давление порядка 400–500 гигапаскалей. Для сравнения: атмосферное давление на поверхности Земли составляет около 0,0001 гигапаскаля. То есть нам нужно превысить атмосферное давление примерно в четыре-пять миллионов раз.
Внутри Земли, в её ядре, давление достигает примерно 360 гигапаскалей — и это уже близко к нужным значениям. Но там нет водорода: ядро Земли состоит преимущественно из железа и никеля. Водорода в таких количествах и в таком сжатом состоянии на нашей планете просто нет — ни в природе, ни в доступных нам слоях.
В лабораториях физики используют специальные устройства — алмазные наковальни — чтобы создать экстремальное давление между двумя крошечными алмазными поверхностями. Алмаз — твёрдейшее из известных природных веществ, и он позволяет сжимать микроскопические образцы до нескольких сотен гигапаскалей. Именно в таких установках исследователи работают с водородом при экстремальных условиях.
Лабораторная история: попытки и споры
Получить металлический водород в лаборатории — одна из самых амбициозных задач экспериментальной физики высоких давлений. История этих попыток полна как триумфов, так и разочарований.
Первый крупный успех случился в 1996 году, когда группа учёных из Национальной лаборатории Лоуренса Ливермора в США объявила о получении жидкого металлического водорода в ударно-волновом эксперименте. Образец водорода сжимался мощной ударной волной от взрыва — давление достигало нужных значений на ничтожные доли секунды. Измерения электропроводности показали резкий скачок — переход в металлическое состояние. Это был настоящий прорыв, хотя и мгновенный по времени.
Значительно более громким стал скандал вокруг публикации 2017 года. Гарвардские физики Рангá Диас и Исаак Сильвера объявили в журнале Science, что им удалось получить твёрдый металлический водород при давлении около 495 гигапаскалей в алмазной наковальне. Образец, по их словам, был серебристым и отражал свет — совсем как металл.
Научное сообщество встретило публикацию с огромным интересом, но и с огромным скептицизмом. Критики указывали на недостаточность данных, проблемы с контролем давления и возможную ошибку интерпретации. А в начале 2017 года образец был безвозвратно утерян — алмазная наковальня треснула, и вещество испарилось. Воспроизвести результат не удалось.
Споры продолжались. Тот же Диас в 2023 году опубликовал в Nature работу о другом водородсодержащем соединении — гидриде лютеция, — заявив о сверхпроводимости при почти комнатной температуре. Статья была отозвана после выявления проблем с данными. Репутация исследователя оказалась под вопросом, что отбросило тень и на более ранние заявления.
Тем не менее поиск продолжается. Сегодня многие группы по всему миру работают с водородом и его соединениями под экстремальным давлением, методично приближаясь к заветной цели.
Юпитер и Сатурн: планеты из металлического водорода
А вот в космосе металлический водород — не редкость и не лабораторная экзотика, а обычная составляющая планет-гигантов. Юпитер и Сатурн — это огромные шары, состоящие преимущественно из водорода и гелия. По мере погружения вглубь этих планет давление стремительно нарастает.
Внутреннее строение Юпитера, по современным моделям, выглядит примерно так. Снаружи — толстая атмосфера из молекулярного водорода и гелия с облаками аммиака, воды и других соединений.
Глубже давление превышает критическое значение, и водород переходит в жидкое металлическое состояние — примерно на глубине около 20–30 тысяч километров от верхней границы атмосферы. Эта жидкометаллическая оболочка простирается до самого центра планеты, где, возможно, находится каменно-ледяное ядро. Доля металлического водорода в общей массе Юпитера — по разным оценкам, от 70 до 80 процентов.
У Сатурна картина схожая, но порядка давлений несколько ниже — Сатурн меньше и легче Юпитера. Считается, что металлический водород там тоже присутствует, но занимает меньшую долю.
Именно жидкий металлический водород отвечает за одно из самых впечатляющих свойств этих планет — их чудовищно мощные магнитные поля. Магнитное поле Юпитера примерно в 20 000 раз сильнее земного. Механизм его генерации называется магнитным динамо: конвективные движения электропроводящего жидкого металлического водорода в сочетании с вращением планеты создают электрические токи, а те порождают магнитное поле. Это та же физика, что работает в земном ядре из жидкого железа, но гораздо масштабнее.
Уран и Нептун: другой сценарий
Уран и Нептун — так называемые ледяные гиганты — устроены иначе. Они меньше Юпитера и Сатурна, и в их недрах давления, достаточного для полноценной металлизации водорода, может не хватать. Зато там, по современным данным, огромное количество воды, аммиака и метана в экзотических сверхкритических состояниях. Тем не менее некоторые модели допускают наличие частично металлизированного водорода и в этих планетах — особенно ближе к их центрам.
Интересно, что магнитные поля Урана и Нептуна сильно смещены относительно осей вращения — они наклонены под большим углом и имеют сложную форму. Это может говорить о том, что механизм их генерации существенно отличается от юпитерианского, и вопрос об источнике этих полей до сих пор открыт.
Почему это важно: сверхпроводимость
Металлический водород интересен учёным не только как экзотика. Ещё Нил Эшкрофт, один из крупнейших теоретиков физики твёрдого тела, предсказал в 1968 году, что металлический водород должен быть высокотемпературным сверхпроводником — то есть проводить электрический ток без какого-либо сопротивления при относительно высокой температуре.
Обычные сверхпроводники работают лишь при температурах, близких к абсолютному нулю (-273°C). Это делает их использование дорогостоящим и технически сложным. Если же металлический водород окажется метастабильным — то есть сохранит свои свойства после снятия давления — это открыло бы путь к сверхпроводящим материалам, способным работать при обычных или даже комнатных температурах.
Представьте провода без потерь энергии. Поезда на магнитной подушке без дорогостоящего охлаждения. Медицинские томографы, которые не требуют жидкого гелия. Энергосети без потерь при передаче. Перспективы настолько грандиозны, что этим и объясняется огромный интерес к металлическому водороду — и академический, и, что уж там, коммерческий.