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(nèi)將金加熱到遠超理論極限，它“來不及”熔化，保持固態(tài)。這一結(jié)果挑戰(zhàn)了現(xiàn)有物理學(xué)理論，但仍受到質(zhì)疑。

撰文 | 周立新

2025年7月，《自然》（Nature）期刊發(fā)布的論文里公布了一個新的實驗結(jié)果，科學(xué)家們將黃金加熱至19000℃，黃金仍保持固態(tài)，并未熔化[1]。結(jié)果發(fā)布，猶如扔出一顆炸彈，以“‘熵災(zāi)難’被打破”、“物理學(xué)大廈崩塌了”“物理學(xué)規(guī)律不存在了”等為標(biāo)題的新聞紛紛發(fā)出。

我第一時間將這個消息帶給家里的理工男，沒想到引發(fā)了一場由信息分享上升到有關(guān)科學(xué)嚴(yán)肅性問題的“辯論”。他秉持著一貫的科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)性和對新發(fā)現(xiàn)的懷疑精神，對事件的真實性提出充分質(zhì)疑。不用半點懷疑，我一定是輸?shù)艮q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(xué)的大廈是否真的會崩塌不知道，我已經(jīng)接近3倍熔點，離“爆炸”不遠了。

明明是已經(jīng)正式發(fā)表的論文結(jié)果，為什么有人就是那么多疑問呢？為了回應(yīng)他的質(zhì)疑，我認(rèn)真的研究了一下相關(guān)物理名詞。

熔點（Melting Point，縮寫M.p）是指晶體物質(zhì)在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下（101.325kPa），由固態(tài)完全轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)時的溫度。固態(tài)下，組成物質(zhì)的粒子在分子間作用力、化學(xué)鍵等相互作用下處于在固定位置振動，物質(zhì)在宏觀上保持相對穩(wěn)定狀態(tài)。隨著溫度的升高，粒子熱動能增加，對抗分子間作用力。當(dāng)粒子熱運動剛好可以打破固態(tài)的有序結(jié)構(gòu)時，粒子從相對穩(wěn)定的振動狀態(tài)變?yōu)樽杂梢苿訝顟B(tài)，物質(zhì)從固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榈揭簯B(tài)。純金在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（101.325kPa）下的熔點為1064℃。這里溫度指的是物質(zhì)處于平衡態(tài)下的溫度。

“熵”（Entropy，縮寫 S），熱力學(xué)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(zhì)從固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)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(tài)金處于有序狀態(tài)，熵值低于液態(tài)金。

這項研究涉及一個概念——“熵災(zāi)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(yù)言。當(dāng)物質(zhì)溫度達到熔點約3倍時，固體內(nèi)的無序度（熵）會逼近或超過液態(tài)，導(dǎo)致固體不可避免地、“災(zāi)難性” 地熔化。完成“熵災(zāi)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(zāi)難”理論即是從“熵”的角度理解固液轉(zhuǎn)變的物理條件，如果一定給出一個具體值，大概是3倍。根據(jù)估算，理想狀態(tài)下，3倍溫度下固態(tài)熵值可以追平液態(tài)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?，F(xiàn)實情況是，傳統(tǒng)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(zhì)即發(fā)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(fā)生沸騰的狀態(tài)。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(fā)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(tài)，也是過熱狀態(tài)。過熱狀態(tài)不穩(wěn)定,稍有擾動即可能被破壞，但不穩(wěn)定并不意味著不存在。

如Nature報道，固態(tài)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(zāi)難理論，不如說掀起了關(guān)于熵災(zāi)難適用條件的討論，或者說引發(fā)了極端條件下物質(zhì)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(tǒng)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(tǒng)方式，研究者通過非彈性 X 射線散射（Inelastic X-ray Scattering）技術(shù)，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(yīng)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(guān)于這個實驗結(jié)果，實驗的發(fā)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(fā)生熱膨脹，這段“來不及”變化的“2皮秒”，就是他們認(rèn)為金以固態(tài)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(zāi)難發(fā)生的溫度值。如此，新聞標(biāo)題說物理學(xué)大廈崩塌了，物理學(xué)規(guī)律不存在了，比較夸張，但確實超越了以往認(rèn)知。

但對于上述解釋，科學(xué)家的反應(yīng)是不能完全認(rèn)同。

通常意義下，溫度是熱平衡態(tài)下的定義，有人認(rèn)為激光加熱下的系統(tǒng)是一個非熱平衡態(tài)，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(zhì)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(rèn)定金以固態(tài)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(nèi)華達大學(xué)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(lǐng)域的國際知名教授，主要研究方向是超快激光驅(qū)動的極端環(huán)境下物質(zhì)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(gòu)有密切合作。結(jié)合上述背景，他不應(yīng)該想不到上述質(zhì)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(tǒng)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(nèi)的物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)。宇宙大爆炸最初的一秒內(nèi)發(fā)生的關(guān)鍵事件數(shù)量與復(fù)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(zhì)疑測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，但這無疑是一種新的診斷方法。當(dāng)然，這同樣得益于技術(shù)進步。如果38年前就有這種加熱方法和測溫手段，“熵災(zāi)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(zhì)疑，科學(xué)界對實驗的創(chuàng)新性還是給予了充分肯定，實驗設(shè)計巧妙，突破了以往的設(shè)計理念，為人類探索極端條件下的物質(zhì)性能提供了新的思路和方法。悄咪咪地說，有人認(rèn)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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