一杯蒸餾水有時可以在微波爐中加熱很長時間卻不沸騰，直到被輕輕攪動時才突然劇烈沸騰。這個現(xiàn)象被稱為“過熱”：它表明水已經(jīng)被加熱到超過沸點的溫度，卻仍保持液態(tài)，直到外界的擾動才使其迅速發(fā)生相變。同樣地，當(dāng)晶體被加熱至熔點以上仍維持固態(tài)時，也會出現(xiàn)“過熱”現(xiàn)象。

在一項新發(fā)表于《自然》雜志的研究中，一個研究團隊報道了對金（Au）的固態(tài)過熱極限的研究。他們利用激光對金薄膜進行快速加熱，發(fā)現(xiàn)金可以在不發(fā)生相變的情況下，溫度高達19,000開爾文——相當(dāng)于其熔點的14倍，遠超此前理論預(yù)測的過熱極限。

突破：清晰直接的測溫手段

在太陽內(nèi)部和行星核心等極端環(huán)境下，物質(zhì)會處于一種被稱為“溫密物質(zhì)”的特殊狀態(tài)，其溫度可高達數(shù)十萬開爾文。想要測量極端高溫下物質(zhì)的溫度，是非常困難的。

盡管科學(xué)家已經(jīng)掌握了測量極端環(huán)境下密度和壓力的成熟技術(shù)，但溫度仍難以直接測量。在以往的研究中，溫度往往只能估算，誤差極大，從而嚴重制約了理論模型的發(fā)展。

近十年來，這項新研究的研究團隊一直在探索如何繞過極端條件下測溫的技術(shù)難點——比如這些高溫狀態(tài)在實驗中持續(xù)時間極短，以及難以校準復(fù)雜系統(tǒng)對周圍材料的影響。

在實驗中，研究人員使用一束持續(xù)時間僅45飛秒的高能、高聚焦激光脈沖，對一個50納米厚的金薄膜樣品迅速加熱。當(dāng)熱量快速傳遞時，薄膜樣品中的原子會隨之振動，并且振動速度與溫度直接相關(guān)。接著，研究人員采用了一種被稱為“非彈性X射線散射”的技術(shù)來測量樣品的溫度：當(dāng)這束X射線脈沖穿過樣品，樣品中的振動原子會吸收X射線光子的能量，再發(fā)射出頻率略有變化的新的光子。

利用這種方法，研究團隊觀察到，激光能在僅僅數(shù)萬億分之一秒的瞬間，將金加熱到高達約19000開爾文。這是科學(xué)家首次成功直接測量溫密物質(zhì)中原子的溫度。

熵災(zāi)難下的幸存

更令人興奮的是：當(dāng)他們進一步分析實驗數(shù)據(jù)時，發(fā)現(xiàn)了更加顛覆性的結(jié)果：這一發(fā)現(xiàn)推翻了物理學(xué)界長期以來被稱為“熵災(zāi)難”（entropy catastrophe）的理論極限。根據(jù)這一理論，固體在高于其熔點三倍的溫度下會失去穩(wěn)定性并自發(fā)熔化。

但新研究卻通過實驗表明，當(dāng)他們利用激光將熔點為1337開爾文的金，加熱到遠高于這個臨界值的溫度，卻依舊保持固體晶體結(jié)構(gòu)。研究團隊認為，金之所以能保持固態(tài)，是因為超快加熱抑制了金的熱膨脹。這一發(fā)現(xiàn)意味著：如果加熱足夠迅速，那么材料的過熱狀態(tài)可能并不存在固定的溫度上限。

這是研究人員從未設(shè)想過會出現(xiàn)的結(jié)果，完全顛覆了上世紀80年代以來的理論框架。但他們強調(diào)，這樣的結(jié)果并沒有違反熱力學(xué)第二定律，而是證實了，如果材料被加熱得足夠快——比如在萬億分之一秒內(nèi)完成，就能在極短的時間尺度下“避開”這種熵災(zāi)難。

科學(xué)新前沿：未來應(yīng)用廣闊

研究人員指出，過去研究溫密物質(zhì)的科學(xué)家，或許早已在不知不覺中突破了“熵災(zāi)難”理論設(shè)定的溫度極限，只是因無法直接測溫而未曾察覺。他們表示，如果這項首次實現(xiàn)的實驗就挑戰(zhàn)了既有理論，那么他們迫不及待想知道接下來還能發(fā)現(xiàn)什么。例如，今年夏天，研究團隊再次利用這一技術(shù)，測量了了通過沖擊壓縮模擬行星深層環(huán)境的材料溫度。他們還計劃將這項技術(shù)用于慣性聚變研究，因為這項技術(shù)可以精確測量1000到50萬開爾文范圍內(nèi)的原子溫度。

#參考來源：

https://www6.slac.stanford.edu/news/2025-07-23-limit-does-not-exist-superheated-gold-survives-entropy-catastrophe

https://www.unr.edu/nevada-today/news/2025/surviving-the-entropy-catastrophe

https://www.nature.com/articles/d41586-025-02332-0

https://www.nature.com/articles/d41586-025-02128-2

https://www.nature.com/articles/s41586-025-09253-y

#圖片來源：

封面圖&首圖：Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory