金的過熱極限，遠超理論預測！

一杯蒸餾水有時可以在微波爐中加熱很長時間卻不沸騰，直到被輕輕攪動時才突然劇烈沸騰。這個現象被稱為“過熱”：它表明水已經被加熱到超過沸點的溫度，卻仍保持液態，直到外界的擾動才使其迅速發生相變。同樣地，當晶體被加熱至熔點以上仍維持固態時，也會出現“過熱”現象。

在一項新發表于《自然》雜志的研究中，一個研究團隊報道了對金（Au）的固態過熱極限的研究。他們利用激光對金薄膜進行快速加熱，發現金可以在不發生相變的情況下，溫度高達19,000開爾文——相當于其熔點的14倍，遠超此前理論預測的過熱極限。

突破：清晰直接的測溫手段

在太陽內部和行星核心等極端環境下，物質會處于一種被稱為“溫密物質”的特殊狀態，其溫度可高達數十萬開爾文。想要測量極端高溫下物質的溫度，是非常困難的。

盡管科學家已經掌握了測量極端環境下密度和壓力的成熟技術，但溫度仍難以直接測量。在以往的研究中，溫度往往只能估算，誤差極大，從而嚴重制約了理論模型的發展。

近十年來，這項新研究的研究團隊一直在探索如何繞過極端條件下測溫的技術難點——比如這些高溫狀態在實驗中持續時間極短，以及難以校準復雜系統對周圍材料的影響。

在實驗中，研究人員使用一束持續時間僅45飛秒的高能、高聚焦激光脈沖，對一個50納米厚的金薄膜樣品迅速加熱。當熱量快速傳遞時，薄膜樣品中的原子會隨之振動，并且振動速度與溫度直接相關。接著，研究人員采用了一種被稱為“非彈性X射線散射”的技術來測量樣品的溫度：當這束X射線脈沖穿過樣品，樣品中的振動原子會吸收X射線光子的能量，再發射出頻率略有變化的新的光子。

利用這種方法，研究團隊觀察到，激光能在僅僅數萬億分之一秒的瞬間，將金加熱到高達約19000開爾文。這是科學家首次成功直接測量溫密物質中原子的溫度。

熵災難下的幸存

更令人興奮的是：當他們進一步分析實驗數據時，發現了更加顛覆性的結果：這一發現推翻了物理學界長期以來被稱為“熵災難”（entropy catastrophe）的理論極限。根據這一理論，固體在高于其熔點三倍的溫度下會失去穩定性并自發熔化。

但新研究卻通過實驗表明，當他們利用激光將熔點為1337開爾文的金，加熱到遠高于這個臨界值的溫度，卻依舊保持固體晶體結構。研究團隊認為，金之所以能保持固態，是因為超快加熱抑制了金的熱膨脹。這一發現意味著：如果加熱足夠迅速，那么材料的過熱狀態可能并不存在固定的溫度上限。

這是研究人員從未設想過會出現的結果，完全顛覆了上世紀80年代以來的理論框架。但他們強調，這樣的結果并沒有違反熱力學第二定律，而是證實了，如果材料被加熱得足夠快——比如在萬億分之一秒內完成，就能在極短的時間尺度下“避開”這種熵災難。

科學新前沿：未來應用廣闊

研究人員指出，過去研究溫密物質的科學家，或許早已在不知不覺中突破了“熵災難”理論設定的溫度極限，只是因無法直接測溫而未曾察覺。他們表示，如果這項首次實現的實驗就挑戰了既有理論，那么他們迫不及待想知道接下來還能發現什么。例如，今年夏天，研究團隊再次利用這一技術，測量了了通過沖擊壓縮模擬行星深層環境的材料溫度。他們還計劃將這項技術用于慣性聚變研究，因為這項技術可以精確測量1000到50萬開爾文范圍內的原子溫度。

#參考來源：

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

#圖片來源：

封面圖&首圖：Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory