物理学家用巨型激光“炸毁”金粒子，意外推翻著名物理模型

物理学家首次利用巨型X射线激光器直接测量了处于极端高温状态的金粒子的温度 —— 这是一项重大突破，对航天器或核聚变反应堆的工程学具有深远意义。

在SLAC国家加速器实验室（SLAC National Accelerator Laboratory），配备巨型激光器的科学家们“炸毁”了金粒子，将其加热至其沸点的14倍。在令人心悬一秒的瞬间，他们以为打破了物理定律，但幸运的是并没有。不过，他们确实打破了别的东西：一个在物理化学领域存在了数十年的、关于物质基本属性的模型。

在今天发表于《自然》杂志的一项实验中，研究人员有史以来第一次展示了一种直接测量物质在极端状态（即具有极高温度、压力或密度的条件）下温度的方法。利用这项新技术，科学家们成功捕捉到了金在远超过其沸点的温度下的状态 —— 这一过程称为过热（superheating） —— 此时这种常见金属处于一种介于固体和液体之间的奇异状态。结果表明，在合适的条件下，金可能没有过热极限。研究人员表示，如果属实，这将在太空飞行、天体物理学或核化学领域具有广泛的应用前景。

该研究基于一个双管齐下的实验。首先，科学家们使用激光将金样品过热，抑制了金属在受热时自然膨胀的趋势。接着，他们使用超亮X射线轰击金样品，X射线在金粒子表面发生散射。通过计算X射线与金粒子碰撞后频率发生的畸变，研究团队锁定了原子的速度和温度。

实验结果似乎反驳了物理学中一个公认的理论。该理论认为，像金这样的结构无法被加热到超过其沸点（华氏1948度，即摄氏1064度）的三倍。超过此温度，过热的金粒子本应达到所谓的“熵灾”（entropy catastrophe） —— 或者用更通俗的话说，受热的金粒子应该会爆炸。

研究人员自己也没预料到会突破这个极限。新结果不仅推翻了传统理论，而且是以远超理论预测的方式做到的。实验表明，将金加热到令人瞠目结舌的华氏33740度（摄氏18726度）是可能的。

“老实说，这种过热状态只持续了区区几万亿分之一秒。而且，它确实爆炸了。”该研究的首席作者、内华达大学里诺分校的物理学家托马斯·怀特（Thomas White）说。但他补充道，这仍然是“足够长的时间，长到值得玩味”，并且“如果你能阻止它膨胀，（理论上说）你可以无限加热它。”对此他又补充道：“谢天谢地，我能用巨型激光炸东西来做发现。你知道，这就是我的工作。”

怀特指出，这个猜想还需要通过后续对金和其他材料的实验来验证。但从实际角度来看，SLAC的资深科学家、该研究的资深作者鲍勃·纳格勒（Bob Nagler）解释道，过热的金粒子保持完整状态的时间足够长，使得团队能够使用他们的新技术直接捕捉到其温度。

“其实，温度是人类已知最久的物理量之一 —— 但我们并不直接测量温度本身，”纳格勒说，“我们测量的是温度影响的东西。例如，水银温度计测量的是温度如何改变一团水银的体积。”

当研究一些现实世界中处于极端状态的炽热致密物质时，例如恒星的内部、飞船的鼻锥体或聚变反应堆的内部，这可能带来问题。了解物质在这些情况下的温度 —— 一个基本的物理属性 —— 可以极大地指导我们如何研究它们，或者对于后两者，如何操控它们以造福人类。

然而，纳格勒说，这些系统通常依赖于一些难以测量的、与温度相关的变量。他指出，从技术上讲，你可以在实验室中重现它们，但它们会“非常迅速地爆炸” —— 更不用说，你仍然需要知道被复制的系统在现实中的温度，以确保实验的有效性。

“所以你就有了一个先有鸡还是先有蛋的问题，”他说。这就是为什么科学家们渴望研究他们的新技术如何在这方面提供帮助。

“这项工作最令人兴奋之处在于 —— 我们现在有了一支温度计，可用于我们一直在做的所有这些疯狂的实验。”

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