金的过热极限，远超理论预测！

一杯蒸馏水有时可以在微波炉中加热很长时间却不沸腾，直到被轻轻搅动时才突然剧烈沸腾。这个现象被称为“过热”：它表明水已经被加热到超过沸点的温度，却仍保持液态，直到外界的扰动才使其迅速发生相变。同样地，当晶体被加热至熔点以上仍维持固态时，也会出现“过热”现象。

在一项新发表于《自然》杂志的研究中，一个研究团队报道了对金（Au）的固态过热极限的研究。他们利用激光对金薄膜进行快速加热，发现金可以在不发生相变的情况下，温度高达19,000开尔文——相当于其熔点的14倍，远超此前理论预测的过热极限。

突破：清晰直接的测温手段

在太阳内部和行星核心等极端环境下，物质会处于一种被称为“温密物质”的特殊状态，其温度可高达数十万开尔文。想要测量极端高温下物质的温度，是非常困难的。

尽管科学家已经掌握了测量极端环境下密度和压力的成熟技术，但温度仍难以直接测量。在以往的研究中，温度往往只能估算，误差极大，从而严重制约了理论模型的发展。

近十年来，这项新研究的研究团队一直在探索如何绕过极端条件下测温的技术难点——比如这些高温状态在实验中持续时间极短，以及难以校准复杂系统对周围材料的影响。

在实验中，研究人员使用一束持续时间仅45飞秒的高能、高聚焦激光脉冲，对一个50纳米厚的金薄膜样品迅速加热。当热量快速传递时，薄膜样品中的原子会随之振动，并且振动速度与温度直接相关。接着，研究人员采用了一种被称为“非弹性X射线散射”的技术来测量样品的温度：当这束X射线脉冲穿过样品，样品中的振动原子会吸收X射线光子的能量，再发射出频率略有变化的新的光子。

利用这种方法，研究团队观察到，激光能在仅仅数万亿分之一秒的瞬间，将金加热到高达约19000开尔文。这是科学家首次成功直接测量温密物质中原子的温度。

熵灾难下的幸存

更令人兴奋的是：当他们进一步分析实验数据时，发现了更加颠覆性的结果：这一发现推翻了物理学界长期以来被称为“熵灾难”（entropy catastrophe）的理论极限。根据这一理论，固体在高于其熔点三倍的温度下会失去稳定性并自发熔化。

但新研究却通过实验表明，当他们利用激光将熔点为1337开尔文的金，加热到远高于这个临界值的温度，却依旧保持固体晶体结构。研究团队认为，金之所以能保持固态，是因为超快加热抑制了金的热膨胀。这一发现意味着：如果加热足够迅速，那么材料的过热状态可能并不存在固定的温度上限。

这是研究人员从未设想过会出现的结果，完全颠覆了上世纪80年代以来的理论框架。但他们强调，这样的结果并没有违反热力学第二定律，而是证实了，如果材料被加热得足够快——比如在万亿分之一秒内完成，就能在极短的时间尺度下“避开”这种熵灾难。

科学新前沿：未来应用广阔

研究人员指出，过去研究温密物质的科学家，或许早已在不知不觉中突破了“熵灾难”理论设定的温度极限，只是因无法直接测温而未曾察觉。他们表示，如果这项首次实现的实验就挑战了既有理论，那么他们迫不及待想知道接下来还能发现什么。例如，今年夏天，研究团队再次利用这一技术，测量了了通过冲击压缩模拟行星深层环境的材料温度。他们还计划将这项技术用于惯性聚变研究，因为这项技术可以精确测量1000到50万开尔文范围内的原子温度。

#参考来源：

https://www6.slac.stanford.edu/news/2025-07-23-limit-does-not-exist-superheated-gold-survives-entropy-catastrophe

https://www.unr.edu/nevada-today/news/2025/surviving-the-entropy-catastrophe

https://www.nature.com/articles/d41586-025-02332-0

https://www.nature.com/articles/d41586-025-02128-2

https://www.nature.com/articles/s41586-025-09253-y

#图片来源：

封面图&首图：Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory