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

2 025 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 ” （E ntropy C atastrophe ） ，該 理論 是 1 988 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3 000℃， 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1 9000℃ 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1 4 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5 0 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5 0 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 （ I nelastic X-ray S cattering ） 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3 8 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 N IF 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.

本文轉載自《返樸》微信公眾號

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