物理学家加热黄金至极限颠覆40年理论

科学家超高温加热黄金，颠覆40年固体物理极限假说

近日，一项突破性实验使黄金的加热温度达到了其熔点的14倍，不仅颠覆了对固体温度极限的长久假设，还为材料科学和热力学研究打开了全新的大门。这项研究成果发表在《自然》杂志上，由来自美国内华达大学雷诺分校和SLAC国家加速器实验室的研究团队共同完成。

一般而言，黄金的熔点为1300开尔文（约1027摄氏度），这一温度已经比火山熔岩还要炽热。然而，本次实验通过超快激光加热，将一块仅几纳米厚的黄金样品瞬间加热至惊人的19000开尔文。这一温度突破了以前所提出的“熵灾难极限”，即传统理论认为黄金在达到此温度时应必然熔化，因为固体黄金的熵（系统混乱程度）不可能超过液体黄金，否则将违反热力学第二定律。

“这一发现完全出乎意料，”研究团队成员、内华达大学雷诺分校的托马斯·怀特（Thomas White）指出，“这一温度远超熵灾难极限，但黄金依然保持固体状态，这与我们过去40年的预测截然不同。”

研究人员发现，正是因为使用了超快激光，使样品在仅45飞秒（45千万亿分之一秒）的时间内被快速加热，材料还未来得及发生膨胀，从而避免了高熵状态的出现。因此，这一极端条件使得黄金在理论上不可能的温度下维持固体形态，从而揭示了一种新的物理机制。

尽管这一实验引起了学术界的广泛关注，中国西南交通大学的物理学家罗生年（Sheng-Nian Luo）对这一发现持谨慎态度。他表示，这种“超快速、超微小、超复杂”的加热条件可能导致样品内部压力升高，从而带来了异常的态势。“在常规压力下，这一现象或许并无法直接应用到一般固体中，”罗生年指出。

然而，研究团队对此观点表示质疑。他们认为内部压力和材料电离等因素不足以完全解释实验中观察到的温度现象，“这种超高温度的出现表明了我们正在接触一种全新的物质状态，”怀特补充道。

这项研究不仅提出了一种更精准的温度测量方法，还为多个领域的科学研究提供了理论突破。实验中使用了全球最强大的X射线激光——位于SLAC国家加速器实验室的直线相干光源（Linac Coherent Light Source, LCLS）。这台装置通过加速电子接近光速并使其通过磁场波动，产生每秒高达万亿个光子的极强X射线束。利用这一光束，研究人员得以精确测量金原子内部的运动速度，从而确定样品的温度。“这可能是此次研究最具长期意义的贡献，”团队成员、SLAC科学家鲍勃·纳格勒（Bob Nagler）表示。

在黄金实验成功的基础上，研究人员进一步测试了其他高温高压材料。例如，为模拟地球核心的条件，他们将激光脉冲作用于一小块铁箔，通过分析其熔化温度为地球内部物理模型提供依据。“如果我们能确定材料在极端条件下的熔点，就能更有效地模拟地球内部环境以及相关过程，”纳格勒解释道。

此外，这一技术在核聚变研究中同样潜力巨大。例如，美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室（Lawrence Livermore National Laboratory）的研究人员采用激光加热靶材以实现热核聚变，而黄金实验所开发的新测温技术为研究这些极端材料的状态变化提供了重要工具，未来或将大幅提升实验效率和理论准确性。