科学家以超高温加热黄金 通过测量原子的运动速度直接揭示其温度

科学家们长期以来一直面临一个挑战：如何准确测量极高温物质的温度。从太阳内的等离子体，到行星核心和聚变反应堆，所谓“温暖致密物质”状态的温度可高达几十万开尔文。迄今为止，研究人员尚未掌握可靠的精确测温方法。

美国能源部斯坦福线性加速器中心（SLAC）工作人员Bob Nagler表示：“我们有可靠方法测量这些系统的密度和压力，但温度一直缺乏准确的测量手段。在这些研究中，温度总是估算值且误差巨大，这影响了理论模型的发展。这个难题已经困扰我们几十年。”

如今，研究团队首次在《自然》杂志上报告，他们直接测量了“温暖致密物质”中原子的温度。不同于以前依赖复杂模型的方法，这项新突破通过测量原子的运动速度，直接揭示其温度，具有显著优势。

该研究由SLAC极端物质仪器团队Nagler与内华达大学雷诺分校物理学副教授Tom White联合领导。合作机构包括贝尔法斯特女王大学、欧洲XFEL、哥伦比亚大学、普林斯顿大学、牛津大学、加州大学默塞德分校与华威大学。

研究过程中，团队利用激光对金箔样品进行超高温加热，使其原子随着温度升高而加剧振动。SLAC的Linac Coherent Light Source（LCLS）发射超亮X射线穿透样品，所散射的X射线频率发生微小偏移，由此揭秘原子的运动速度和温度。这项基于高分辨率无弹性X射线散射的技术，使研究人员可在超快加热过程中直接追踪晶格温度。

结果远超科研团队预期。黄金被加热至约19000开尔文（33740华氏度），是其熔点的14倍以上，但依然保持晶体结构。这一发现大大突破了理论上的稳定边界“熵灾变”（entropy catastrophe）。

“熵灾变”是由Fecht和Johnson首次提出的理论极限，指当超热晶体的熵与其液态熵相等时，固体将失去稳定性。一般认定其发生在熔点三倍左右。在实际操作中，固体通常在更低的温度下因表面熔化或缺陷形成等“中间灾变”而失稳，这也一直使实验难以探究熵灾变的极限。此次，研究人员在万亿分之一秒的超快加热下，使材料来不及发生扩张，从而成功绕过这些中间不稳定性，使黄金保持固态。

这一发现表明，熵灾变未必是超热固体的绝对上限，只要加热足够快，固体可以在更高温度下依然稳定。这挑战了物理学过去四十年关于熔化极限的主流理论，为极端条件下的熔化动态研究打开了新的视角。

Nagler指出，科学家们在以往实验中可能已无意间超越了“熵灾变”上限，但此前缺乏有效判据。“如果我们首次应用这一技术就能颠覆已知科学理论，我非常期待以后会有哪些重大新发现。”

该团队已经将新方法用于类行星内部冲击压缩材料的研究，也计划在惯性聚变领域应用此技术，精确测量燃料靶的温度对实验设计至关重要。通过该方法，研究人员现可测量1000至500000开尔文的原子温度，将极端物质研究推向更高精度时代。