如果你将自来水置于与地心相同的压力和温度下——是的，就是那种能压碎骨头、灼伤皮肤的压力和温度——它会变成一种奇怪的、黑暗的冰，既非液体也非固体。科学家称这种物质为超离子冰，其性质对大多数科学家来说仍然是个谜。
研究人员最近才能够在实验室中制造出超离子冰。现在，一个科学家团队已经解析了它的性质。他们的研究结果可能有助于解释天王星和海王星的磁场之谜：超离子冰可能是造成这些行星奇怪、倾斜的磁场的原因，这些磁场长久以来一直困扰着科学家。
研究人员于10月14日在《自然物理学》杂志上发表了他们的研究成果。
大自然的冰之调色盘
当水在我们地球大气层中结冰时，其分子会自然地排列成六边形；这就是为什么，如果你生活在足够寒冷的气候中，你会看到六角形的雪花。但是，通过将水置于地球上通常不存在的极端条件下，可以制造出大量奇怪的冰相。这些冰具有奇特的形状，有些可以在室温下存在——或者，实际上，远高于室温。
为了给它们起富有想象力的名字，科学家们用罗马数字标记不同的冰相。例如，你冷饮中的冰是“冰 I”。将该冰压缩到地球大气压的10,000倍，它可能会变成冰 VI，其分子形成矩形棱柱。再增加压力，它可能会变成冰 VII，其分子排列成立方体。
你还可以找到冰 XI，其电荷在电场中翻转，以及冰 XVI，它被“囚禁”在其他冰的“笼子”中。是的，如果你读过库尔特·冯内古特的《猫的摇篮》，里面确实有“冰 IX”，尽管它完全无害。
从更宏观的角度来看，这些奇怪的冰可能并不那么奇怪。冰 VII尤其被认为存在于海洋世界的外星海洋之下和木星的卫星欧罗巴深处。更近一些，科学家已经在形成于地幔的钻石中发现了被包裹的冰 VII；那里的压力可以使这些冰存在。
冰家族的最新成员是超离子冰。在这里，液态水和固态冰之间的界限开始瓦解。水分子中的氧原子像在固体中一样，排列整齐。但氢原子会失去电子，变成带电的离子，并在冰中跳跃——就像在流体中一样。
这确实是一种奇特的冰。首先，它会变成深色。而且，与室温下的纯水不同，这些自由运动的质子使超离子冰成为一种优良的导电体。
用钻石和X射线制作冰
科学家自20世纪80年代末就已预测了超离子冰的存在。“从那时起，我们就一直在考虑进行这类实验，”卡内基科学研究所（华盛顿特区）的物理学家、该论文的作者之一Alexander Goncharov说道。
但直到最近，科学家们才得以在实验室中对其进行研究。一些研究人员通过对少量水施加高压冲击波制造出了超离子冰。2018年，他们测量了其导电性；2019年，他们确定了标志着超离子冰的氧原子的特征结构。他们将其命名为“冰 XVIII”。
但冲击波持续时间很短：根据Sebastien Hamel（这些研究人员之一，加州劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的物理学家）的说法，整个实验持续几纳秒。
然而，与此同时，另一组研究人员以不同的方式制造他们自己的超离子冰。他们不是在冲击波中发现这种冰，而是想在更静态的环境中实际制造它，以便进行研究。
“我们可以识别结构，”芝加哥大学物理学家、该论文的另一位作者Vitali Prakapenka说道。“我们可以测量光学性质。”
但要达到这一点是一个繁琐而困难的过程，尤其因为它涉及到地球中心令人难以置信的温度和压力：比太阳表面还热，是地球大气压的三百五十万倍。
为了做到这一点，科学家们将冰挤压在一个0.2克拉的钻石砧中。由于钻石是地球上已知最坚硬的材料，它们是施加巨大压力推动冰的有效方式。然后，他们可以通过激光照射样品来将样品加热到类似恒星的温度。
为了真正观察冰的内部，科学家们将他们的砧和样品带到芝加哥郊区的阿贡国家实验室，使用同步加速器——一种可以产生极其明亮X射线的机器。当X射线穿过冰时，它们会散射，科学家们可以通过测量它们来重建冰的性质。
为了使一切更加复杂，当X射线穿过钻石时，它们会被折射。这很像透过水看东西时，物体看起来会扭曲。他们需要纠正这一点。
“这非常具有挑战性，但我们正在做到，”Prakapenka说。
他们的实验持续整个微秒，而不是短短的纳秒，这给了他们更多的测量时间。“他们能够比我们更详细地探索这个系统……，”Hamel说，他没有参与这项研究。然而，他说，激光加热引起的温度梯度带来了相当大的不确定性。
尽管如此，除了发现冰 XVIII，研究人员还发现了第二种超离子冰，他们称之为“冰 XX”。（冰 XIX是一个非超离子相，恰好在此过程中被发现并命名。）此外，他们能够测量超离子冰的结构和导电性。
与天王星的联系
研究人员制造超离子冰不仅仅是为了玩钻石砧。正如冰 VII可能存在于欧罗巴一样，超离子冰也可能存在于太阳系的遥远区域。
在许多方面，天王星和海王星非常相似。它们的大小相近。它们都是“冰巨星”，大气层充满氢、氦和甲烷。
而且它们的磁场都非常、非常奇怪。
地球的磁场，在很大程度上，与地球的自转轴对齐。我们的行星的物理极点与磁极相差不远。然而，这两颗行星的磁场相当倾斜。此外，磁极错位，尴尬地切入行星的侧面，而不是穿过它们的中心。
现在，冰科学家们正着力于寻找一个解释：位于巨行星气体外壳深处的超离子冰层。由于超离子冰的导电性，科学家们认为它可以干扰磁场。如果研究人员是正确的，那么一层巨大的超离子冰——比我们在地球上看到的任何东西都要庞大——可能会使每颗行星的磁场都远远偏离中心。
最终，任何猜测都必须依赖于模拟和建模。“在行星科学中，我们正在玩一个大型的侦探游戏，”Hamel说。“我们不能把行星切开来观察它是如何形成的。”
但Prakapenka说，他的团队最新的实验增加了超离子冰可以在那里找到的证据。“我们估计那里应该有大量的冰，”他说，“而且在行星深处，温度和压力与我们发现超离子冰的条件完全相同。”
