宇宙深處的秘密！天王星海王星內部，竟有物質在螺旋軌道上流動？

在距離太陽數十億公里的寒冷宇宙深處，天王星和海王星的內部正在上演一場地球上從未見過的物質奇觀# 既非固體也非液體：科學家發現冰巨星深處潛藏第五種物質狀態

太陽系最神秘的兩顆行星，正在交出一個令物理學家眼睛發亮的答案。

2026年4月，卡內基科學研究所的劉聰和羅納德·科恩在《自然·通訊》上發表研究，通過量子物理級別的計算模擬預測：天王星和海王星深處極端高壓高溫環境中，碳氫化合物會形成一種此前從未在這兩顆行星上預測過的物質狀態，稱為"準一維超離子態"。這種狀態既不是固體，也不是液體，而是兩者之間一種結構異常精密的第三種存在。

超離子態本身并不是全新概念。

早在2019年，勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的研究團隊就通過激光沖擊實驗，在極端壓力下短暫制造出了超離子冰，證實了這種物質狀態在天體內部確實可能存在。超離子態的基本特征是：一種原子保持固定在晶格框架中，保持固體的有序性；另一種原子則獲得類似液體的自由流動性，能夠在晶格間穿梭移動。這兩種性質同時存在于同一種材料中，是凝聚態物理學中最奇異的現象之一。

此次卡內基研究團隊的發現，將這種奇異狀態推進到了一個更精細的層次。

他們模擬的對象是碳氫化合物（CH），模擬條件為500萬到3000萬倍大氣壓、溫度區間在攝氏約3727度到5727度之間，這與天王星和海王星介于大氣層和巖質內核之間的"熱冰層"的物理條件高度吻合。計算結果顯示，在這種極端環境下，碳原子自發形成了有序的六方對稱晶格框架，而氫原子則不像普通超離子水那樣在三維空間中自由漫游，而是沿著嵌入碳結構中精確定義的螺旋軌道運動，幾乎只在一個維度方向上流動。

這就是"準一維"的關鍵所在。科恩的表述非常直接："原子運動并非完全三維的，氫原子優先沿著嵌入有序碳結構中的明確螺旋路徑運動。"這種高度方向性的粒子運動方式，在已知行星物質模擬中尚屬首次被預測。

天王星和海王星的磁場，是太陽系中最令行星科學家困惑的謎題之一。

地球的磁場基本上是偶極的，磁極與自轉軸大致對齊，結構規整。而旅行者2號探測器在1986年和1989年分別飛越天王星和海王星時，發現這兩顆行星的磁場形態極度不規則：磁軸與自轉軸之間的夾角分別約為59度和47度，磁場中心還偏離了行星幾何中心相當大的距離。這種"傾斜且偏心"的磁場，用傳統的行星發電機理論很難解釋。

此次預測的準一維碳氫超離子態，為理解這一謎題提供了一個新的切入角度。超離子態中自由流動的氫原子在螺旋路徑上的定向運動，會產生具有強烈方向偏好的電流分布，這與球對稱的傳統發電機模型截然不同。理論上，這種各向異性的導電行為，可能正是造成天王星和海王星磁場如此怪異的深層機制之一。

此外，熱量在行星內部的傳輸方式也與這種粒子運動的維度特性高度相關。碳氫超離子層的存在，可能改變了科學家對這兩顆行星內部熱流分布的既有認知，進而影響對其整體演化歷程的判斷。

這項研究還有一個值得單獨點出的方法論層面的意義。

劉聰和科恩結合了高性能計算與機器學習技術，實現了在量子物理精度下對極端條件物質行為的第一性原理模擬。傳統實驗室手段在如此極端的壓力溫度條件下幾乎無能為力，即便是目前世界上最先進的激光沖擊裝置，也只能在極短時間內制造出這種條件的近似狀態，且觀測窗口極窄。機器學習與量子模擬的結合，正在成為行星內部物理研究的主力工具，這一趨勢在2025至2026年間已經愈發明顯。

距離上一次人類探測器飛越天王星和海王星，已經過去了將近40年。美國國家科學院在2023至2024年行星科學十年規劃中，將天王星軌道器探測任務列為首要優先級。如果這顆神秘的藍色星球終于迎來專屬探測器，那些螺旋前行的氫原子，或許將親自出來驗證這份預言。