在很多人口中,黄金意味着财富;在科学家眼中,它则是一种完美的实验材料,尤其适合拿来“煎”出真理。最近,美国SLAC国家加速器实验室的一群科研人员,给黄金做了一道极限加热大菜,结果不仅让这块金子成功挺过了一场“熵灾难”,还一不小心把上世纪八十年代以来的物理理论给掀了个底朝天。
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他们不止“炒”了黄金,还“炸”了物理学界。
这不是标题党,而是《Nature》亲自盖章的学术突破。用最精炼的方式概括这项研究的核心成果就是:黄金在不熔化的情况下,被加热到了1万9千开尔文,这是它正常熔点的14倍,按常理早该化成一滩贵金属汤,但它偏偏纹丝不动,还保留了固体晶体结构。
简而言之,科学家发现:所谓的“熵灾难”,在极端快速加热的条件下,根本不发生。这下,老理论该让位了。
热到爆也不融?黄金的倔强让科学家傻眼
过去几十年,有个物理界共识:当物质被快速加热超出它的稳定范围时,比如超出熔点很远,系统会因为内部“熵”快速上升而突然崩溃。这个崩溃就叫“熵灾难”,就像超市微波炉里不小心加热过头的水,外表平静,一碰就“砰”地炸开。
这理论曾经非常稳,几乎没人质疑。直到SLAC团队登场。
这项研究由SLAC的“极端条件物质仪器”(MEC)领衔完成,主力队员包括美国内华达大学、哥伦比亚大学、普林斯顿、牛津、加州大学默塞德分校、英国女王大学贝尔法斯特分校、欧洲自由电子激光中心(XFEL)以及华威大学。这么一串机构合起来,基本可以代表当今高能密度物质研究的一线水平。
他们做了件别人做不到的事:直接测出了“温暖致密物质”的原子温度
这不是“估算”温度,而是第一次真正测量到了原子的实际热运动速度,从而精确还原出温度本身。
这个听起来简单,做起来却比登月还难。
“我们过去几十年都在靠模型猜。压力和密度能测得挺准,温度却总是糊里糊涂,误差大得离谱,”SLAC物理学家Bob Nagler说,“这直接拖累了我们对高能系统的理解。”
现在,他们不再猜了,而是把猜测升级为“实锤”。
怎么测温度?拿激光煎黄金,再射X光“听它跳舞”
他们的实验设计堪称科幻片既视感。研究团队拿一片纳米级厚度的金箔,先用激光快速加热。这个加热速度非常极端,大约在皮秒级别(1皮秒是1万亿分之一秒),让金子的原子几乎在瞬间剧烈震动起来。
然后,他们用X射线自由电子激光(LCLS)打进样品。X射线和震动的金原子碰撞后会发生“散射”,就像听众听到歌手的颤音一样,X射线频率也会发生微妙的偏移。这种偏移量直接告诉我们原子在跳多快的“热舞”。
跳得越快,温度越高,物理就这么朴素。
“我们这项技术的精度,几乎可以在1,000到500,000开尔文之间自由取温。”Nagler语气里充满自豪。
这就像科学家以前都在闭着眼抓热锅,现在,他们终于戴上了热感夜视仪。
黄金直接冲破“熵灾难”理论上限,完好无损
按照传统熵灾难理论,物体如果超出某个临界温度,就会突然融化、沸腾、瓦解。比如水在光滑容器里加热过头,没来得及冒泡就被打翻,瞬间爆开。
而黄金在这次实验里,不仅被加热到了33,740华氏度(差不多1万9千开尔文),还保持着完美晶体结构,完全没“炸”。这比它的熔点(1337K)高了14倍,离液化、气化早该一脚踩进地狱,可它竟然活了下来。
研究团队解释说,这种“幸存”不是偶然,而是因为加热太快,金子还没来得及膨胀松散,结构就定型了。换句话说,熵灾难理论并不总成立,尤其是在加热速度快到三观崩塌的实验中。
团队主力Tom White教授干脆笑着说:“我们当然没违反热力学第二定律,我们只是告诉大家,这种所谓灾难,并不如大家想象中那样不可避免。”
一句话总结:只要你加热得足够快,宇宙可能没那么快崩溃。
这可不是小打小闹,而是高能物理界的一记重拳
这项成果的重要性,不止在于“金子烤不化”这么简单,它本质上告诉我们:很多过去被认为是“极限”的临界值,其实都是方法学的错觉
几十年来,研究者对像恒星内部、行星核心、核聚变反应堆这些高能环境中的温度估算,可能都偏离了真实值。而这项研究,终于提供了一个标准尺子。
更让人兴奋的是,这项技术已经在别的领域开花结果。比如,今年夏天,研究团队又用它去测了一些被冲击压缩的材料,模拟地球深层或木星内部的极端状态。
Nagler说:“我们研究聚变燃料时,必须知道它们在什么温度下才会相变,才会点燃。以前我们一直靠猜,现在终于有办法实测了。”
这不仅是理论物理的突破,也是核聚变工程的助推器。
未来,在惯性约束聚变、超新星模拟、高压材料科学等领域,这种新式“原子温度计”都能派上用场。
参考:
DOI: 10.1038/s41586-025-09253-y
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