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鄭玄琦
高級版主 | 4 天前

剛剛,物理學大廈崩塌了? 美國加熱黃金到19000°C,竟還是固體!
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科學家們剛剛發現,當把一塊黃金加熱到比太陽表面還熱三倍的19000度時,它居然沒有熔化,還是依舊保持固態!

這簡直逆了個天! 但你並沒有看錯,這是7月23日發表在頂刊《自然》上的真實研究成果。 這一發現,就像一顆重磅炸彈,直接挑戰了物理學界一個長達40年的“金科玉律”,很可能將改寫未來的物理教科書。

你的第一反應可能是:這怎麼可能? 這不是違背熱力學定律了嗎?

別急,讓我們一步步揭開這個驚人實驗背後的秘密。

◆ 01一個被奉為圭臬的“熵災”預言
首先,我們得知道科學家們這次挑戰的是什麼。

1988年,物理學家提出了一個著名的理論,叫做“熵災難”(entropy catastrophe)。 你可以把它通俗地理解為一個「物質熔化的終極死線」。 這個理論認為,任何固體,無論你用多快的速度給它加熱,一旦溫度高到某個極限(大約是其熔點的3倍),它內部的混亂程度(也就是“熵”)就會達到和液體一樣的水平,此時它將不可避免地、瞬間地、災難性地熔化。

40年來,這個理論就像一個「物理預言」,是高溫物理研究中一個公認的邊界。 沒人想過,這個邊界竟然可以被打破。
◆ 02如何給一萬九千度的原子測體溫?

要挑戰這個極限,首先你得有個能精確測量極端高溫的“神器”。

但要給幾萬度的物質測溫壓根不現實,因為普通溫度計遠遠達不到這個溫度就已經灰飛煙滅了。 這也是幾十年來困擾科學家的難題:我們能創造極端高溫,卻很難精確測量它的溫度,誤差大到“估算基本靠猜” 。

而這次,來自SLAC國家加速器實驗室、內華達大學等機構的頂尖科學家們,發明瞭一種全新的測溫方法。 他們使用的設備堪稱「美國重器」——直線相幹光源(LCLS)。

整個過程如同一次精密的「原子狙擊」:
1. “加熱”:科學家用一束超強超快的鐳射,在萬億分之一秒內,閃電般地轟擊一片比頭髮絲還薄的金箔。

2. 「測速」:緊接著,另一束更亮的X射線脈衝(來自LCLS)穿過這片被加熱的金箔。 溫度越高,金原子振動得越快。 X射線撞上這些狂飆的原子后,就像交警的雷達測速槍一樣,其頻率會發生微小的改變(多普勒效應)。

3. 讀數「:通過分析X射線的頻率變化,科學家就能反推出原子的振動速度,從而精確地計算出金箔的實時溫度。

當他們用這雙「火眼金睛」讀出數據時,所有人都驚呆了——在好幾個皮秒(1皮秒=1萬億分之一秒)的時間里,黃金的溫度飆升到了19000開爾文(約等於19000攝氏度),是其正常熔點(約1337K)的14倍,但X射線衍射圖明確顯示,它的晶體結構依然完整,它居然還是固體!
“熵災”預言,在這一刻被徹底打破。
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◆ 03 為什麼它沒有熔化? 答案是:快!

為什麼黃金沒有熔化? 難道是熱力學第二定律失效了?

科學家解釋說:我們可沒有違反熱力學第二定律,答案,就藏在一個字裡——快。

天下武功,唯快不破。 原來在物理世界,這句話同樣適用。

這次的加熱速度達到了驚人的每秒千萬億度(10¹⁵ K/s)。 這是什麼概念? 它快到連黃金原子自己都“沒反應過來”。

你可能做過這個實驗,你迅速地從一桌鋪著桌布的餐具下抽走桌布,如果速度夠快,餐具會留在原地。 這個實驗異曲同工。

常規熔化:緩慢加熱時,原子獲得能量,開始劇烈振動,晶格膨脹,最終結構崩塌,
變成液體。

超快加熱:在萬億分之一秒的時間尺度上,能量瞬間注入,原子被“原地加熱”,劇烈振動,但晶格根本來不及膨脹和擴張。 由於沒有膨脹,其內部的“熵”增長方式就和傳統理論預言的完全不同,始終低於液體的熵,因此它成功地“欺騙”了熔化機制,在遠超理論極限的溫度下,維持了固態。

簡單說,就是加熱的速度,超越了物質膨脹和熔化的速度。
◆ 04 這項研究到底有什麼用?

你可能會問,讓黃金在超高溫下不熔化,除了發一篇頂刊論文,對我們普通人有什麼用?

用處太大了! 這扇門一打開,後面可能是一個全新的世界。

1. “人造太陽”的催化劑:可控核聚變是人類的終極能源夢想。 在聚變反應中,燃料靶丸就會被壓縮到這種「溫熱稠密」的極端狀態。 能精確測量其溫度,就能更好地設計反應路徑,讓人類離「人造太陽」更近一步。

2. 解密行星核心:地球、木星等行星的核心,就是超高壓、超高溫的物質。 利用這項技術,我們可以在實驗室里類比這些條件,從而揭開宇宙深處的奧秘。
3. 創造“不可能”的材料:既然可以打破“熵災”極限,意味著我們或許可以通過超快加熱和冷卻,創造出一些在自然界不存在的、擁有奇異特性的新材料。

每一次我們以為抵達了知識的邊界,其實只是推開了一扇通往新世界的大門。 這項研究不僅顛覆了我們對物質熔化的傳統認知,更提供了一個前所未有的強大工具,讓我們得以窺探和駕馭極端世界。

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732
皇帝 | 3 天前

本篇最後由 732 於 2025-7-27 16:26 編輯

這個實驗的確是走在熵災難的邊緣,除了快之外,因為用飛秒雷射加熱金原子的個數很少,所以才能維持固體晶格結構。

如果加熱的雷射點大一點,金箔肯定立刻融化。

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鄭玄琦
高級版主 | 3 天前

732 發表於 2025-7-27 09:38
這個實驗的確是走在熵災難的邊緣,除了快之外,因為用皮秒雷射加熱金原子的個數很少,所以才能維持固體晶格 ...

它快到連黃金原子自己都“沒反應過來”。
或許只要快到連黃金原子自己都“沒反應過來”
很多技術都能突破
這個實驗很實用

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732
皇帝 | 3 天前

鄭玄琦 發表於 2025-7-27 14:12
它快到連黃金原子自己都“沒反應過來”。
或許只要快到連黃金原子自己都“沒反應過來”
很多技術都能突破 ...

快的確是最主要的關鍵,但是只要有足夠的金原子受到激發,肯定還是會融化,所以這個實驗才會用幾乎只有一個金原子的金箔做實驗。

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