19000℃下的黃金沒有熔化，這聽起來像科幻，卻真實(shí)登上了《自然》期刊。超快激光在飛秒尺度內(nèi)將金加熱到遠(yuǎn)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

2 025 年7月， 《自然》 （ Nature ） 期刊發(fā)布 的論文里公布了一個新的實(shí)驗(yàn)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(shí)性提出充分質(zhì)疑。 不用半點(diǎn) 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(diǎn)， 離 “爆炸” 不遠(yuǎn) 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(diǎn)（ 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(yùn)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)?到液態(tài)。 純 金 在 標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（ 101.325kPa）下的熔點(diǎn)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(diǎn)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(xiàng)研究涉及一個概念—— “ 熵災(zāi)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(yù)言 。 當(dāng) 物質(zhì) 溫度達(dá)到熔點(diǎn)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3 000℃， 剛好約是熔點(diǎn)的3倍。 現(xiàn)實(shí)情況是， 傳統(tǒng)加熱條件下 ， 材料的純度、缺陷會讓晶格 熔點(diǎn)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

這里提到 “過熱” ， 指 的是 液體被加熱到高于其沸點(diǎn)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(diǎn)的溫度 ， 但卻不發(fā)生沸騰。 類似的，對 晶體加熱至熔點(diǎn)以上的溫度 ，如 本文討論的金在1 9000℃ 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(bào)道 ， 固態(tài) 的 金 溫度 上限可達(dá)熔點(diǎn)的1 4 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(shí)驗(yàn)中采用5 0 飛秒長的強(qiáng)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(shí)驗(yàn)樣品金 為 僅5 0 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 （ I nelastic X-ray S cattering ） 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(jī)熱運(yùn)動會改變散射光的波長，從而改變散射光子的能量，熱運(yùn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果， 實(shí)驗(yàn) 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(diǎn) ， 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(shí)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(shí)驗(yàn)中 50納米厚的金箔 樣品 ，2皮 秒 遠(yuǎn)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(qiáng)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(shí)驗(yàn) 過程 的 影響 。

Thomas G. White教授 ， 就職于 內(nèi)華達(dá)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(diǎn)火裝置（ NIF）、SLAC 國家加速器實(shí)驗(yàn)室等機(jī)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(bǔ)充一點(diǎn)， 金是 慣性約束聚變 系統(tǒng)中 靶丸 的重要制備材料 ， 點(diǎn)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(yuǎn)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(shí)驗(yàn)中使用的極端條件下直接獲得溫度方法，也是一項(xiàng)巨大的進(jìn)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(jìn)步 。如果3 8 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(shí)驗(yàn) 的創(chuàng)新性還是給予了充分肯定，實(shí)驗(yàn) 設(shè)計(jì) 巧妙 ，突破了以往的設(shè)計(jì)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 N IF 研究花費(fèi)巨大， 需要制造一些轟動性成果“交差”，借機(jī) 彰顯 一下 美國研究實(shí)力 也是好的 。

參考文獻(xiàn)

[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(zhuǎn)載自《返樸》微信公眾號

《物理》50年精選文章