【導(dǎo)語(yǔ)】過(guò)熱(rè)現(xiàn)象(xiàng)，即(jí)物(wù)質(zhì)在(zài)超(chāo)過(guò)其(qí)正(zhèng)常(cháng)熔(róng)沸(fèi)點(diǎn)時(shí)仍(réng)不(bù)轉(zhuǎn)變(biàn)狀(zhuàng)態(tài)，一(yī)直(zhí)是(shì)物(wù)理(lǐ)學(xué)界(jiè)的(de)有(yǒu)趣(qù)話(huà)題(tí)。傳(chuán)統(tǒng)理(lǐ)論(lùn)認(rèn)為(wèi)，任(rèn)何(hé)物(wù)質(zhì)都(dōu)不(bù)可(kě)能(néng)被(bèi)加(jiā)熱(rè)到(dào)超(chāo)過(guò)其熔點三倍的溫度而保持固態，否則將違反熱力學第二定律，引發所謂的“熵災難”。然而，最近發表於《自然》雜誌的一項(xiàng)研(yán)究(jiū)推(tuī)翻(fān)了(le)這(zhè)一(yī)理(lǐ)論(lùn)，實驗發現金在超過其熔點14倍的高溫下仍保持了固體結構。這一突破性發現不僅挑戰了糖心免费视频對過熱現象的理解，也為慣性核聚變研究等應用領域帶來了新的可能性。本文將深入探討這一發現及其背後的科學原理。

圖蟲創(chuàng)意(yì)

我(wǒ)們知道，每種物質都有明確的熔點和沸點。固體在達到熔點時會轉變成液體，而液體在達到沸點時則會轉變成氣體。

然而，有時會出現一些例外情況。例如，蒸餾水在微波爐中被快速加熱時，可能發生所謂的過熱現象，即水溫超過了100℃，仍然保持液態，而沒有發生沸騰。而且，溫度偏離正常沸點的程度越大，發生“災難”的風險就越高。這裏的“災難”指的是，即使是微小的外部擾動（例如攪拌或輕微碰撞），都會導致過熱的水突然猛烈沸騰。過熱現象不僅會發生在液體上，固體晶體也可能會出現過熱現象，即使溫度超過其熔點，卻仍保持固態。

一個有意思的問題是，過熱是否存在一個溫度極限？換句話說，是否存在一個臨界溫度，一旦超過水就必須自發的沸騰，固體晶體也一定會熔化呢？

1988年，兩名物理學家計算出，任何物質都不可能被加熱到溫度超過其熔點的三倍，而仍然保持固體狀態。原因是，當溫度超過熔點的三倍，固體的(de)熵(shāng)（或(huò)者(zhě)說(shuō)無(wú)序(xù)度(dù)）將(jiāng)比(bǐ)其(qí)對(duì)應(yīng)的(de)液(yè)體(tǐ)的(de)熵(shāng)還(hái)要(yào)高(gāo)。此(cǐ)時(shí)固(gù)體(tǐ)將(jiāng)自(zì)發(fā)融(róng)化(huà)，否(fǒu)則(zé)就(jiù)違(wéi)反(fǎn)了(le)熱(rè)力(lì)學(xué)第(dì)二(èr)定(dìng)律(lǜ)。這(zhè)一(yī)現(xiàn)象(xiàng)也(yě)被(bèi)稱(chēng)為(wèi)“熵(shāng)災(zāi)難”。

然而，在最近一篇發(fā)表(biǎo)於(yú)《自(zì)然(rán)》雜(zá)誌(zhì)的(de)研(yán)究(jiū)中(zhōng)，研究人員在實驗中卻發現金的過熱極限遠超熔點的三倍，推翻了傳統的熵災難理論。

在這項實驗中，研究人員使用一束持續時間僅45飛秒的高能量、強聚焦激光脈衝，將一個50納米厚的金薄膜樣品迅速加熱。隨著熱量的傳遞，樣品中的原子開始振動，其振動的速度隨著溫度的升高而增大。

接著，研究人員采用了一種被稱為“非彈性X射線散射”的技術來測量溫度：當X射線脈穿過樣品並與振動的原子發生相互作用時，X射線的頻率會發生微小變化。這種頻率的變化反映了原子振動的速度，進而使研究人員能夠推算出原子的溫度。

圖：研究人員用激光對樣品進行加熱，接著用X射線來測量溫度。圖源：Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory）

通過這種(zhǒng)測(cè)量(liàng)方(fāng)法(fǎ)，研(yán)究(jiū)人(rén)員(yuán)觀(guān)察(chá)到(dào)，在(zài)極(jí)短的數萬億分之一秒的瞬間，激光能夠將金的溫度提升至約19000開爾文。這個驚人的溫度是金的熔點的14倍以上，但他們卻驚訝的發現，金在如此溫度下卻依然保持了固體晶體結構，遠遠超過了理論預測的熵災難極限。

那麽，這個實驗結果是否違反了熱力學第二定律？並沒有。這是因為金樣品是在極短時間內被加熱到如此高的溫度，所以金原子幾乎沒有時間運動，並變得無序，從而避免了熵災難的發生。這意味著，如果加熱足夠迅速，過熱的上限可能比之前的理論預測要高得多，甚至可能根本不存在明確的上限。

當然，也有一些科學家對溫度測量的有效性提出了質疑。溫度通常是在熱平衡係統中定義的，熱平衡是指係統中所有粒子的溫度分布是均勻的，但由於在實驗中加熱的時間極其短暫，樣品中的原子可能沒有足夠時間達到熱平衡。所以在新研究中所測得的溫度可能反映的是非熱平衡狀態下的原子(zi)的(de)溫(wēn)度(dù)，而(ér)非材料的真實溫度。

接下來，研究人員可以探索許多有趣的問題，例如，是否在其他材料中也能觀察到類似的過熱現象？原子在熱平衡和非熱平衡狀態下的行為是否存在差異？此外，鑒於這一發現突破了先前的理論，進一步研究過熱現象的理論也變得尤為重要。在應用方麵，這項技術能夠精確測量1000到50萬開爾文的原子溫度，預計將對慣性核聚變研究產生重要影響。盡管目前的研究結果仍存在一些不確定性，但這項突破性發現無疑為糖心免费视频打開了許多新的研究和應用可能性。

本文為·創作培育計劃扶持作品

作者：原理

審核：周曉亮 北京交通大學物理學實驗室 高級工程師

出品：中國科協科普部

監製：中國科學技術出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司