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【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(lùn)，实(shí)验(yàn)发(fā)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(gòu)。这(zhè)一(yī)突(tū)破(pò)性(xìng)发(fā)现(xiàn)不(bù)仅(jǐn)挑(tiāo)战(zhàn)了(le)我(wǒ)们(men)对(duì)过(guò)热(rè)现(xiàn)象(xiàng)的(de)理(lǐ)解(jiě)，也(yě)为(wèi)惯(guàn)性(xìng)核(hé)聚(jù)变(biàn)研(yán)究(jiū)等(děng)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。

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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(rè)。随(suí)着(zhe)热(rè)量(liàng)的(de)传(chuán)递(dì)，样(yàng)品(pǐn)中(zhōng)的(de)原(yuán)子(zi)开(kāi)始(shǐ)振(zhèn)动(dòng)，其(qí)振(zhèn)动(dòng)的(de)速(sù)度(dù)随(suí)着(zhe)温(wēn)度(dù)的(de)升(shēng)高(gāo)而(ér)增(zēng)大(dà)。

接(jiē)着(zhe)，研(yán)究(jiū)人(rén)员(yuán)采用(yòng)了(le)一(yī)种(zhǒng)被(bèi)称(chēng)为(wèi)“非(fēi)弹(dàn)性(xìng)X射(shè)线(xiàn)散(sàn)射(shè)”的(de)技(jì)术(shù)来(lái)测(cè)量(liàng)温(wēn)度(dù)：当(dāng)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(chū)原(yuán)子(zi)的(de)温(wēn)度(dù)。

图(tú)：研(yán)究(jiū)人(rén)员(yuán)用(yòng)激(jī)光(guāng)对(duì)样(yàng)品(pǐn)进(jìn)行(xíng)加(jiā)热(rè)，接(jiē)着(zhe)用(yòng)X射(shè)线(xiàn)来(lái)测(cè)量(liàng)温(wēn)度(dù)。图(tú)源(yuán)：Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory）

通(tōng)过(guò)这(zhè)种(zhǒng)测(cè)量(liàng)方(fāng)法(fǎ)，研(yán)究(jiū)人(rén)员(yuán)观(guān)察(chá)到(dào)，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(yùn)动(dòng)，并(bìng)变(biàn)得(de)无(wú)序(xù)，从(cóng)而(ér)避(bì)免(miǎn)了(le)熵(shāng)灾(zāi)难(nán)的(de)发(fā)生(shēng)。这(zhè)意(yì)味(wèi)着(zhe)，如(rú)果(guǒ)加(jiā)热(rè)足(zú)够(gòu)迅(xùn)速(sù)，过(guò)热(rè)的(de)上(shàng)限(xiàn)可(kě)能(néng)比(bǐ)之(zhī)前(qián)的(de)理(lǐ)论(lùn)预(yù)测(cè)要(yào)高(gāo)得(de)多(duō)，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(zhōng)所(suǒ)测(cè)得(de)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 高级工程师

出品：中国科协科普部

监制：中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司