2025-08-26 09:30:22
【导语】过热现象，即物质在超过其正常熔沸点时仍不转变状态，一直是物理学界的有趣话题。传统理论认为，任何物质都不可能被加热到超过其熔点三倍的温度而保持固态，否则将违反热力学第二定律，引发所谓的“熵灾难”。然而，最近发表于《自然》杂志的一项研究推翻了这一理论，实验发现(xiàn)金(jīn)在(zài)超(chāo)过(guò)其(qí)熔(róng)点(diǎn)14倍(bèi)的(de)高(gāo)温(wēn)下(xià)仍(réng)保(bǎo)持(chí)了(le)固(gù)体(tǐ)结(jié)构。这一突破性发现不仅挑战了我们对过热现象的理解，也为惯性核聚变研究等应用领域带来了新的可能性。本文将深入探讨这一发现及其背后的科学原理。
图虫创意
我们知道，每种物质都有明确的熔点和沸点。固体在达到熔点时会转变成液体，而液体在达到沸点时则会转变成气体。
然而，有时会出现一些例外情况。例如，蒸馏水在微波炉中被快速加热时，可能发生所谓的过热现象，即水温超过了100℃，仍然保持液态，而没有发生沸腾。而且，温度偏离正常沸点的程度越大，发生“灾难”的风险就越高。这里的“灾难”指的是，即使是微小的外部扰动（例如搅拌或轻微碰撞），都会导致过热的水突然猛烈沸腾。过热现象不仅会发生在液体上，固体晶体也可能会出现过热现象，即使温度超过其熔点，却仍保持固态。
一个有意思的问题是，过热是否存在一个温度极限？换句话说，是否存在一个临界温度，一旦超过水就必须自发的沸腾，固体晶体也一定会熔化呢？
1988年，两名物理学家计算出，任何物质都不可能被加热到温度超过其熔点的三倍，而仍然保持固体状态。原因是，当温度超过熔点的三倍，固体的熵（或者说无序度）将比其对应的液体的熵还要高。此时固体将自发融化，否则就违反了热力学第二定律。这一现象也被称为“熵灾难”。
然而，在最近一篇发表于《自然》杂志的研究中，研究人员在实验中却发现金的过热极限远超熔点的三倍，推翻了传统的熵灾难理论。
在这项实验中，研究人员使用一束持续时间仅45飞秒的高能量、强聚焦激光脉冲，将一个50纳米厚的金薄膜样品迅速加热。随着热量的传递，样品中的原子开始振动，其振动的速度随着温度的升高而增大。
接着，研究人员采用了一种被称为“非弹性X射线散射”的技术来测量温度：当X射线脉穿过样品并与振动的原子发生相互作用时，X射线的频率会发生微小变化。这种频率的变化反映了原子振动的速度，进而使研究人员能够推算出原子的温度。
图：研究人员用激光对样品进行加热，接着用X射线来测量温度。图源：Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory）
通过这种测量方法，研究人员观察到，在极短的数万亿分之一秒的瞬间，激光能够将金的温度提升至约19000开尔文。这个惊人的温度是金的熔点的14倍以上，但他们却惊讶的发现，金在如此温度下却依然保持了固体晶体结构，远远超过了理论预测的熵灾难极限。
那么，这个实验结果是否违反了热力学第二定律？并没有。这是因为金样品是在极短时间内被加热到如此高的温度，所以金原子几乎没有时间运动，并变得无序，从而避免了熵灾难的发生。这意味着，如果加热足够迅速，过热的上限可能比之前的理论预测要高得多，甚至可能根本不存在明确的上限。
当然，也有一些科学家对温度测量的有效性提出了质疑。温度通常是在热平衡系统中定义的，热平衡是指系统中所有粒子的温度分布是均匀的，但由于在实验中加热的时间极其短暂，样品中的原子可能没有足够时间达到热平衡。所以在新研究中所测得的温度可能反映的是非热平衡状态下的原子的温度，而非材料的真实温度。
接下来，研究人员可以探索许多有趣的问题，例如，是否在其他材料中也能观察到类似的过热现象？原子在热平衡和非热平衡状态下的行为是否存在差异？此外，鉴于这一发现突破了先前的理论，进一步研究过热现象的理论也变得尤为重要。在应用方面，这项技术能够精确测量1000到50万开尔文的原子温度，预计将对惯性核聚变研究产生重要影响。尽管目前的研究结果仍存在一些不确定性，但这项突破性发现无疑为我们打开了许多新的研究和应用可能性。
本文为·创作培育计划扶持作品
作者：原理
审核：周晓亮 北京交通大学物理学实验室 高级工程(chéng)师(shī)
出(chū)品(pǐn)：中(zhōng)国(guó)科(kē)协(xié)科(kē)普(pǔ)部(bù)
监(jiān)制(zhì)：中(zhōng)国(guó)科(kē)学(xué)技(jì)术(shù)出(chū)版(bǎn)社(shè)有(yǒu)限(xiàn)公(gōng)司(sī)、北(běi)京(jīng)中(zhōng)科(kē)星(xīng)河(hé)文化(huà)传(chuán)媒(méi)有(yǒu)限(xiàn)公(gōng)司(sī)
MORE
