19000℃不化的黃金，挑戰物理學的認知

19000℃下的黃金沒有熔化，這聽起來像科幻，卻真實登上了《自然》期刊。超快激光在飛秒尺度內將金加熱到遠超理論極限，它“來不及”熔化，保持固態。這一結果挑戰了現有物理學理論，但仍受到質疑。

撰文 | 周立新

2025年7月，《自然》（Nature）期刊發布的論文里公布了一個新的實驗結果，科學家們將黃金加熱至19000℃，黃金仍保持固態，并未熔化[1]。結果發布，猶如扔出一顆炸彈，以“‘熵災難’被打破”、“物理學大廈崩塌了”“物理學規律不存在了”等為標題的新聞紛紛發出。

我第一時間將這個消息帶給家里的理工男，沒想到引發了一場由信息分享上升到有關科學嚴肅性問題的“辯論”。他秉持著一貫的科學嚴謹性和對新發現的懷疑精神，對事件的真實性提出充分質疑。不用半點懷疑，我一定是輸掉辯論的那頭。那一刻，我好像一個謠言散布者，又好似一個委屈的小孩。物理學的大廈是否真的會崩塌不知道，我已經接近3倍熔點，離“爆炸”不遠了。

明明是已經正式發表的論文結果，為什么有人就是那么多疑問呢？為了回應他的質疑，我認真的研究了一下相關物理名詞。

熔點（Melting Point，縮寫M.p）是指晶體物質在標準大氣壓下（101.325kPa），由固態完全轉變為液態時的溫度。固態下，組成物質的粒子在分子間作用力、化學鍵等相互作用下處于在固定位置振動，物質在宏觀上保持相對穩定狀態。隨著溫度的升高，粒子熱動能增加，對抗分子間作用力。當粒子熱運動剛好可以打破固態的有序結構時，粒子從相對穩定的振動狀態變為自由移動狀態，物質從固態轉變為到液態。純金在標準大氣壓（101.325kPa）下的熔點為1064℃。這里溫度指的是物質處于平衡態下的溫度。

“熵”（Entropy，縮寫 S），熱力學中描述“體系混亂度” 的物理量。從“有序”到“無序”的過程是熵增的過程，形象點理解可以想象一下，整齊的書架在使用后圖書被胡亂放回，這是個熵增過程。一般來說，物質從固態變為液態的過程，分子間混亂程度增加，是熵增過程。在這篇Nature研究中，1萬多度下，固態金處于有序狀態，熵值低于液態金。

這項研究涉及一個概念——“熵災難”（Entropy Catastrophe），該理論是1988年由H. J. Fecht和W. L. Johnson提出的一個理論預言。當物質溫度達到熔點約3倍時，固體內的無序度（熵）會逼近或超過液態，導致固體不可避免地、“災難性” 地熔化。完成“熵災難”過程需要滿足加熱速度快，但是過往理論并沒有對“快”給出具體限定。“熵災難”理論即是從“熵”的角度理解固液轉變的物理條件，如果一定給出一個具體值，大概是3倍。根據估算，理想狀態下，3倍溫度下固態熵值可以追平液態熵值。

按照這個理論，黃金的過熱極限約為3000℃，剛好約是熔點的3倍。現實情況是，傳統加熱條件下，材料的純度、缺陷會讓晶格熔點降低，通常不用加熱到3倍溫度物質即發生熔化，這一推論缺少實驗驗證。

這里提到“過熱”，指的是液體被加熱到高于其沸點的溫度，但仍未發生沸騰的狀態。例如，一杯蒸餾水，可以在微波爐中被加熱很長時間，超過沸點的溫度，但卻不發生沸騰。類似的，對晶體加熱至熔點以上的溫度，如本文討論的金在19000℃仍然處于固態，也是過熱狀態。過熱狀態不穩定,稍有擾動即可能被破壞，但不穩定并不意味著不存在。

如Nature報道，固態的金溫度上限可達熔點的14倍值或更高，與其說推翻了熵災難理論，不如說掀起了關于熵災難適用條件的討論，或者說引發了極端條件下物質特性的討論。

實驗中采用50飛秒長的強激光激光器加熱，加熱速率超過 10^15 K/s ，僅45 飛秒（4.5×10^（?1?）秒）即讓金從室溫加熱到19000℃，與傳統加熱方式相比，極大地縮短了升溫速率。這里，實驗樣品金為僅50納米厚的金膜。測溫方法也非傳統方式，研究者通過非彈性 X 射線散射（Inelastic X-ray Scattering）技術，通過接收樣品在X光下散射回來的粒子反推溫度。這里，金離子的隨機熱運動會改變散射光的波長，從而改變散射光子的能量，熱運動不同對應的散射不同，直接測量離子速度分布，通過多普勒展寬反推，是一種更直接獲得溫度的方法。

關于這個實驗結果，實驗的發起者、通訊作者Thomas G.White給出的解釋是，金原子雖然變熱，但還來不及發生熱膨脹，這段“來不及”變化的“2皮秒”，就是他們認為金以固態存在的時間段。19000℃顯然突破金的3倍熔點，可以說突破了原有熵災難發生的溫度值。如此，新聞標題說物理學大廈崩塌了，物理學規律不存在了，比較夸張，但確實超越了以往認知。

但對于上述解釋，科學家的反應是不能完全認同。

通常意義下，溫度是熱平衡態下的定義，有人認為激光加熱下的系統是一個非熱平衡態，如果后者為真，則論文中有混淆名詞使用場景的嫌疑。

有人質疑熔化需要時間，但另有人給出對于實驗中50納米厚的金箔樣品，2皮秒遠超樣品熔化所需時間，即可以認定金以固態存在。

此外，強激光加熱下隨高壓，金在加熱過程中伴隨高溫高壓，研究者回避了高壓對實驗過程的影響。

Thomas G. White教授，就職于內華達大學雷諾分校（University of Nevada, Reno）物理系，是極端條件材料物理與高壓物理領域的國際知名教授，主要研究方向是超快激光驅動的極端環境下物質行為，且與美國國家點火裝置（NIF）、SLAC 國家加速器實驗室等機構有密切合作。結合上述背景，他不應該想不到上述質疑，卻又為什么別不提呢？

順便補充一點，金是慣性約束聚變系統中靶丸的重要制備材料，點火過程即是引爆以金為原料的靶丸內的物質發生反應。宇宙大爆炸最初的一秒內發生的關鍵事件數量與復雜度遠超之后138億年的總和，2皮秒對于研究核聚變的重要性自然不言而喻。

回到研究本身，實驗中使用的極端條件下直接獲得溫度方法，也是一項巨大的進步，雖然人們依然質疑測量結果的準確性，但這無疑是一種新的診斷方法。當然，這同樣得益于技術進步。如果38年前就有這種加熱方法和測溫手段，“熵災難”的提出者也許會對理論的使用條件做出限定，又或者不會提出這個理論。

總得來說，盡管存在質疑，科學界對實驗的創新性還是給予了充分肯定，實驗設計巧妙，突破了以往的設計理念，為人類探索極端條件下的物質性能提供了新的思路和方法。悄咪咪地說，有人認為這是一種秀肌肉“湊”成果行為，畢竟NIF研究花費巨大，需要制造一些轟動性成果“交差”，借機彰顯一下美國研究實力也是好的。

參考文獻

[1] White, T.G., Griffin, T.D., Haden, D. et al. Superheating gold beyond the predicted entropy catastrophe threshold.Nature643, 950–954 (2025).

[2] Solid gold superheated to 14 times its melting temperature

[3] Fecht, H. J., and W. L. Johnson. "Entropy and enthalpy catastrophe as a stability limit for crystalline material."Nature334.6177 (1988): 50-51.

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