徹底“打敗”熱力學？科學家突破“熵災難極限”，實現物質超加熱

溫度是件古怪的事。就像水一樣，溫度這種東西，我們平日里幾乎不會花太多心思去想，除了選衣服或討論氣候變化之外。然而，若認真思考，溫度本身其實是個奇異的概念。畢竟，從科學角度看，“冷”并非一種獨立的量度，而只是“熱”的缺席。

從這個意義上說，“冷”只是個形容詞。我們無法測量“冷度”，我們只能“感受”它。相反，“熱”既是形容詞，又是可度量的量。但即便如此，測量“熱”并非總是那么直接——尤其當我們談論的是極高溫的物體，比如太陽，或地球核心的極端高溫。事實上，直到如今，科學家都認為這種溫度幾乎無法真正測量。

而在最近的一項研究中，科學家不僅成功地測量了極高的溫度，還在這一過程中實現了對黃金的超加熱——讓它的溫度遠遠超出熔點，卻依舊不熔化——從而推翻了長達40年的既定理論。

問題所在

當溫度升高到某個程度，即便最先進的技術也會束手無策。對普通人而言，這不成問題，但對科學家來說卻至關重要。

例如，要精準測量所謂“溫暖致密物質”（warm dense matter）的溫度極為困難——這種物質包括太陽的等離子體、核聚變反應堆內部的巨大壓力，以及行星核心的高溫狀態。

美國能源部斯坦福線性加速器中心（SLAC）科學家鮑勃·納格勒（Bob Nagler）在接受采訪時解釋道：

“我們在密度和壓力測量上有很好的技術，但溫度不行。在這些研究中，溫度數據往往只是帶有巨大誤差的估算，這嚴重拖慢了我們的理論建模。這是一個困擾數十年的問題。”

問題的一大部分在于，這些系統的溫度可高達數十萬開爾文。1開爾文約等于華氏459度或攝氏273度。

然而，正所謂“有志者，事竟成”。納格勒與他同樣執著的團隊，最近就以行動證明了這一點。

經過近十年的不懈努力，他們研發出一種全新的技術，繞過了以往測量極端溫度時的諸多難題，并在此過程中取得了令人震驚的發現。

熵災難（Entropy Catastrophe）

要理解這項研究及其意義，我們需要先談一個令人費解的物理概念。

幾乎所有物質都有一個特定的熔點——即從固態轉為液態的溫度——以及一個沸點——即從液態轉為氣態的溫度。

然而，事情并非總是如此簡單。某些情況下，物質可以被“超加熱”，也就是被加熱至超過其熔點或沸點，卻依然不熔化、不沸騰。

舉個例子：把一杯水放進微波爐加熱，有時液體會被超加熱到超過212華氏度（100攝氏度），卻仍未沸騰。之所以會這樣，是因為水的表面張力阻止了蒸汽逸出，而光滑的容器表面又缺乏雜質或“氣泡種子”來引發沸騰。

不過，這種自然的“巧合”只能在不被擾動的情況下維持。一旦系統偏離正常的熔點或沸點越遠，它就越容易因為環境的細微擾動而瞬間熔化或沸騰。

再回到微波水的例子：如果此時你攪動或拿起這杯超加熱的水，打破了表面張力，液體就會“爆沸”，可能導致嚴重燙傷。

這種效應被稱為“熵災難極限”（entropy catastrophe limit）。

我猜這有點像是你把憤怒壓在心底，表面笑著，直到褲腰帶被門把手勾住那一刻。我們都經歷過那種——一點點小事，原本微不足道，卻足以讓人爆發，把怒氣傾瀉在最近的受害者身上，哪怕是那扇門。

回到科學上來——熵災難極限最早由1988年的一項研究提出，指的是當物質被超加熱到一定程度，其內部熵（也即無序度）將迫使其熔化或沸騰的那一刻。

更具體地說，該理論認為：超加熱固體無法超過其正常熔點的三倍，否則將被迫熔化。這個極限至今仍被視為“終極邊界”。

因此，若以水為例——它的正常沸點是100攝氏度（212°F），那么即便被超加熱，也最多只能維持到大約300°C（636°F），超過這一點，就會發生“熵災難”，強制沸騰。

然而，納格勒及其團隊最新的研究表明：只要加熱速度足夠快，物質在改變狀態前，或許根本不存在所謂的“上限”。

研究過程

在這項于2025年7月發表在《自然》（Nature）期刊上的劃時代研究中，納格勒帶領美國能源部斯坦福線性加速器中心（SLAC）的一支國際科研團隊，利用激光將一片納米級厚度的金樣品進行超加熱實驗。（為了方便理解：1毫米中包含10萬納米，而他們所用的金箔僅僅50納米厚。）

眾所周知，熱量來源于原子的摩擦或振動。因此，當激光的能量穿透黃金時，其內部的原子會以與溫度直接相關的速度開始劇烈振動。

在完成超加熱后，研究團隊隨后用世界上最強大的X射線激光——“線性相干光源”（LCLS）——向樣品發射脈沖光束。該裝置位于加州斯坦福大學校園，長達1.9英里（約3公里）。

X射線脈沖中的光子與黃金中被超加熱的高速振動原子發生散射，這使得團隊能夠精確測量這些原子的運動速度，從而直接推算出黃金的溫度。

這一點至關重要。因為在極高溫下，傳統的測溫方法不僅極難驗證，而且過程極為復雜。而通過測量原子的振動速度，他們首次實現了真正意義上的“直接溫度測定”——結果卻令人目瞪口呆。

研究結果

在常規條件下，黃金的熔點大約為1300開爾文（即1880°F或1026°C）。在理論上，黃金可以被“超加熱”至高于這一點而暫不熔化，但根據熵災難極限，它頂多只能維持到約三倍熔點，也就是3900開爾文（5640°F或3078°C）。超過這個溫度，它理應無法再保持固態，必然會融化。

然而，研究人員發現，他們那片僅納米級厚度的超加熱黃金樣品竟達到了驚人的19000開爾文——并且依然保持了固態結構。

這意味著，它的溫度超過自身正常熔點的14倍，并遠遠突破了理論上所謂的“熵災難極限”。

論文第一作者、內華達大學里諾分校（University of Nevada, Reno）物理學家托馬斯·懷特（Thomas White）在接受《科學美國人》（Scientific American）記者克拉拉·莫斯科維茨（Clara Moskowitz）采訪時說：

“當我們看到樣品實際達到的溫度時，所有人都完全震驚了。”

研究團隊認為，這一結果源于激光加熱速度的驚人快。此前我未提到，SLAC用于此次實驗的“Matter in Extreme Conditions（極端物質狀態）”裝置，其激光能在45飛秒內完成閃光加熱——也就是45百萬億分之一秒。

由于加熱速度過于迅猛，他們推測黃金原子來不及熱膨脹，因此系統內部的熵仍被約束在已知物理規律之內。

英國牛津大學的物理學家山姆·文科（Sam Vinko）并未參與此研究，但在接受《新科學家》（New Scientist）記者亞歷克斯·威爾金斯（Alex Wilkins）采訪時評論道：

“這項研究引出的真正問題是：如果我們足夠快，是否可能徹底‘打敗’熱力學？也就是說，只要反應速度快到熱力學規律還未來得及起作用，那這些定律或許就暫時不再適用。”

研究團隊為他們的成功欣喜若狂——不僅因為他們用這種方法突破了長達四十年的理論極限，也因為這一新技術勢必將徹底改變材料科學領域。

同時，他們也為實驗的溫度測量精度感到震撼——通過這種方法，他們能將原子溫度的測量范圍精準地控制在1000至50萬開爾文之間。

需要特別指出的是，雖然他們的結果推翻了“熵災難極限”，但這并不違反熱力學第二定律——后者指出，熵（即無序程度）總是隨時間增加。

懷特在接受《自然》（Nature）雜志記者丹·加里斯托（Dan Garisto）采訪時解釋說，那些金原子被加熱得實在太快，以至于它們根本來不及發生無序化。他說道：

“必須澄清一點：我們并沒有違反熱力學第二定律。我們所展示的，是如果在極短時間內以極高速度加熱材料，就可以避免熵災難——在我們的實驗中，這一過程僅發生在萬億分之一秒之內。”

然而，正如所有科學突破一樣，每一個新發現都會引出新的疑問。畢竟，如果“熵災難極限”并非物質熔化前溫度的終極上限，那么真正的極限是什么？甚至——是否根本不存在這樣的上限？

在SLAC的官方聲明中，研究團隊表示：根據他們的實驗結果，目前看來，似乎確實沒有所謂的最高限度。