科学家们首次对极端材料中的原子温度进行了直接测量，推翻了关于固体过热极限的已有 40 年历史的理论。

SLAC国家加速器实验室及其合作机构的研究人员使用强大的激光和超亮的X射线，将金加热到惊人的19000K，这一温度是金熔点的14倍多，而金仍保持固态。这一突破不仅重新定义了极端条件下物质的极限，也为人们深入了解行星内部、聚变能研究和高能量密度物理开辟了道路。

测量不可测之物：破解热量密码

测量极热物质的温度是科学领域中最艰巨的挑战之一。从太阳湍动的等离子体，到行星内部巨大的压力，再到核聚变反应堆内极端的环境，某些物质会达到一种被称为“温暖稠密物质”的状态，其温度会上升至数十万开尔文度。

对于科学家而言，了解这些材料的准确温度对于理解其行为至关重要。然而，直到最近，想要获取准确的读数几乎是不可能的。

“我们有测量这些系统密度和压力的好方法，但没有测量温度的好方法，”美国能源部SLAC国家加速器实验室的科学家鲍勃·纳格勒说道。“在这些研究中，温度总是估计值，误差范围很大，这真的阻碍了我们的理论模型的发展。这是一个存在了几十年的问题。”

打破理论界限

如今，《自然》杂志报道了一项突破性研究，研究人员首次直接测量了温暖致密物质中的原子温度。与以往依赖复杂模型的方法不同，这种方法是通过追踪原子的实际速度来计算温度的。在首次实验中，研究团队将固体金加热到远超其预测的热极限，推翻了已有40年历史的物理理论。

Nagler 与 SLAC 极端条件物质 (MEC) 仪器的研究人员以及内华达大学里诺分校 (University of Nevada, Reno) 物理系副教授 Tom White 共同领导了本研究。本研究团队还包括来自贝尔法斯特女王大学、欧洲 XFEL（X 射线自由电子激光）、哥伦比亚大学、普林斯顿大学、牛津大学、加州大学默塞德分校和考文垂华威大学的研究人员。

测温——激光、黄金和X射线

近十年来，该团队一直致力于开发一种方法，以规避测量极端温度时通常遇到的挑战——特别是在实验室中创造这些温度的条件持续时间很短，以及校准这些复杂系统对其他材料的影响程度存在困难。

“最后，我们直接且毫不含糊地进行了一次直接测量，证明了一种可在整个领域应用的方法，”怀特（White）说。

在 SLAC 的物质紧急冷却 (MEC) 装置中，团队使用激光对金样品进行过热处理。当热量迅速穿过纳米级厚度的样品时，其原子开始以与温度上升直接相关的速度振动。随后，团队从直线加速器相干光源 (LCLS) 中向过热样品发射了一束超亮 X 射线脉冲。当 X 射线从振动的原子上散射时，其频率会发生轻微偏移，从而揭示出原子的速度，进而得知温度。

SLAC 高能量密度科学部门主任兼本文合著者西格弗里德·格伦策 (Siegfried Glenzer) 表示：“本研究开发的新型测温技术表明，LCLS 在激光加热物质研究领域处于前沿地位。LCLS 与这些创新技术相结合，在推动高能量密度科学和惯性聚变等变革性应用方面发挥着重要作用。”

意外发现过热现象

研究团队对于成功演示了这项技术感到激动不已——当他们更加深入地研究数据时，他们有了更为激动人心的发现。

怀特（White）说：“我们惊讶地发现，这些过热固体的温度比我们最初预料的要高得多，这推翻了20世纪80年代就已存在的一个长期理论。这并非我们的初衷，但这就是科学的意义所在——发现你原本不知道存在的新事物。”

过热科学及其风险

每种物质都有特定的熔点和沸点，分别标志着物质从固态变为液态、从液态变为气态的转变。然而，也有例外。例如，当水在非常光滑的容器中被迅速加热时（如在微波炉中加热一杯水），水可能会变得“过热”，温度超过212华氏度（100摄氏度）却不沸腾。这是因为没有粗糙的表面或杂质来触发气泡的形成。

但这种大自然的把戏伴随着更高的风险：一个系统的温度越是远离其正常的熔点和沸点，就越容易发生科学家所说的“灾难”——即因环境的轻微变化而突然开始熔化或沸腾。例如，在微波炉中过热的水在受到干扰时会剧烈沸腾，可能会造成严重烫伤。

虽然一些实验表明，通过快速加热材料有可能绕过这些中介限制，但怀特（White）解释说，“熵灾仍然被视为终极边界”。

挑战熵增灾难的黄金

在该团队的最新研究中，他们发现金被加热到了惊人的 19,000 开尔文（33,740 华氏度）——这超过了其熔点的 14 倍，也远超提出的熵灾变极限——而金在此过程中依然保持着固体晶体结构。

惊人的秘密：足够快的加热

“重要的是要澄清，我们并没有违反热力学第二定律，”怀特笑着说道，“我们的实验证明，如果物质被迅速加热，在我们的案例中，是在十亿分之一秒内，这些灾难是可以避免的。”

研究人员认为，快速加热使黄金无法膨胀，从而使其保持固态。该研究表明，如果加热速度足够快，过热材料的温度或许没有上限。

对行星科学和聚变科学的影响

Nagler 指出，由于缺乏直接测量温度的可靠方法，研究温暖致密物质的研究人员很可能多年来一直在不知不觉中超越了熵灾变极限。

“如果我们利用这种技术的首次实验会对既定科学带来重大挑战，那么我迫不及待地想知道接下来还会有什么其他发现，”纳格勒（Nagler）说道。

仅以其中一个例子说明，怀特（White）和纳格勒（Nagler）的团队今年夏天再次使用此方法研究受到冲击压缩的材料温度，以复制行星内部的条件。

Nagler 也急于将这项新技术（可以精确定位 1,000 到 500,000 开尔文范围内的原子温度）应用于 SLAC 的惯性聚变能研究中。“当聚变燃料靶在聚变反应堆中内爆时，靶会处于温暖的致密状态，”Nagler 介绍道。“为了设计出有用的靶，我们需要知道它们会在什么温度下发生重要的状态变化。现在，我们终于有了测量这些状态的方法。”

参考文献：《超越预测熵灾阈值的金超热现象》，作者：托马斯·G·怀特、特拉维斯·D·格里芬、丹尼尔·海登、李海佳、埃里克·加尔捷、埃里克·坎宁安、迪米特里·哈加尼、阿德里安·德斯坎普斯、伦纳特·沃伦韦伯、本·阿门特劳特、卡尔森·康弗里、凯伦·阿佩尔、卢克·B·弗莱彻、塞巴斯蒂安·格德、J.B.黑斯廷斯、杰里米·伊拉塔巴尔、艾玛·E·麦克布莱德、雅各布·莫利纳、朱利奥·莫纳科、兰登·莫里森、亨特·斯特拉梅尔、萨敏·尤努斯、乌尔夫·扎斯特拉乌、西格弗里德·H·格伦泽、詹卢卡·格雷戈里、迪尔克·O·格里克和鲍勃·纳格勒，发表于2025年7月23日，《自然》杂志。数字对象唯一标识符（DOI）：10.1038/s41586-025-09253-y

本研究部分由能源部国家核安全管理局和科学聚变能源科学办公室资助。LCLS是能源部科学办公室用户设施。

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