如果把你手中的金戒指丟進(jìn)煉鋼爐會(huì)發(fā)生什么？那肯定是立刻化成一滴晃動(dòng)的金水。這是每個(gè)人都知道的常識(shí)，黃金這樣的金屬，在一定高溫下都會(huì)融化。但最近，美國(guó)科學(xué)家竟將黃金加熱到19000℃，接近太陽表面溫度的三倍。

令人震撼的是，黃金并沒有熔化，它頑強(qiáng)保持著固態(tài)！這完全顛覆了人們以往認(rèn)知。這究竟是怎么回事呢？難道科學(xué)家新發(fā)現(xiàn)了什么可以導(dǎo)致當(dāng)今物理學(xué)大廈崩塌的新理論？

飛秒激光熔金

先來說一下這個(gè)顛覆傳統(tǒng)認(rèn)知的實(shí)驗(yàn)。為了將黃金完美加熱至極高的溫度，美國(guó)的科學(xué)家們動(dòng)用了SLAC國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室的尖端武器：超短脈沖激光。這種的加熱速度快得難以想象，超過了每秒1000萬億攝氏度！

激光目標(biāo)是一層薄得不可思議的金箔，只有50nm厚，大概只有普通病毒厚度的一半。激光脈沖精準(zhǔn)地“擊中”了這層金箔，但時(shí)間極短，僅僅持續(xù)了40飛秒。飛秒有多短？即使是光，在真空中一飛秒也只能跑0.3μm，一飛秒也僅僅相當(dāng)于1000萬分之一秒。

就在這比剎那還要快上萬億倍的瞬間，金箔被加熱到了約19000℃，這相當(dāng)于黃金正常熔點(diǎn)（1064℃）的14倍！

那么問題來了，這樣精準(zhǔn)的溫度是如何測(cè)出的呢？科學(xué)家為什么知道黃金最終沒有被融化呢？這里用到了另一項(xiàng)精妙的技術(shù)：非彈性X射線散射。科學(xué)家們用另一束強(qiáng)大的X射線去照射這塊被激光瞬間加熱的金箔。

X射線光子會(huì)與劇烈振動(dòng)的金原子發(fā)生碰撞并發(fā)生反彈散射。而通過極其精密地測(cè)量這些反彈出來的X射線光子的能量的細(xì)微變化，科學(xué)家們就能直接“讀出”金原子在高溫下活躍程度。進(jìn)而精確計(jì)算出金箔內(nèi)部離子的溫度。

結(jié)果儀器清晰地顯示：溫度確實(shí)飆升到了19000℃，但X射線散射的圖譜明確無誤地表明，金的原子們雖然承受了極高的溫度，處于劇烈抖動(dòng)狀態(tài)，卻依然整整齊齊地排列在它們?cè)瓉淼木Ц裎恢蒙?，保持著固態(tài)的晶體結(jié)構(gòu)！

崩塌傳統(tǒng)理論

這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果徹底顛覆了學(xué)界長(zhǎng)期以來的一個(gè)認(rèn)知。過去的主流理論（被稱為“熵災(zāi)難”或“熵突變”理論）認(rèn)為，按照熱力學(xué)定律，一個(gè)系統(tǒng)總是朝著更無序（熵增）的狀態(tài)發(fā)展。而如果一個(gè)物體（如金）被加熱，它內(nèi)部的“熵”就會(huì)增加。

不管這個(gè)熵增過程是緩慢還是快速，當(dāng)溫度突破一個(gè)臨界點(diǎn)（其3倍熔點(diǎn)的溫度），它內(nèi)部的“熵”狀態(tài)就會(huì)達(dá)到甚至超過液態(tài)，這時(shí)它無論如何都必須熔化。

在傳統(tǒng)的，相對(duì)較慢的加熱方式下，實(shí)驗(yàn)材料總是在到達(dá)臨界溫度之前，因?yàn)闊崤蛎浕蛘咂渌蛉刍?！而這次，美國(guó)科學(xué)家用新的實(shí)驗(yàn)方法，終于對(duì)此前的理論做了驗(yàn)證，在極短的時(shí)間內(nèi)完成了對(duì)黃金的加熱，并打破了此前的“熵突變”理論。

但是，這并不代表該實(shí)驗(yàn)違背了熱力學(xué)定律。科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，黃金之所以來不及熔化，是因?yàn)榧訜崴俣葘?shí)在太快。當(dāng)高溫襲來時(shí)，金原子雖然出現(xiàn)了瘋狂振動(dòng)，但整體結(jié)構(gòu)并未發(fā)生變化，晶格還未來得及顯著膨脹，其內(nèi)部的熵依然保持著固體下的狀態(tài)。

然而，僅僅40飛秒的測(cè)量結(jié)束后，黃金迅速熔化并完成了能量釋放，熵最終還是達(dá)到了液體狀態(tài)的程度。實(shí)驗(yàn)所顛覆的，只是在特定前提（平衡態(tài)，慢加熱）下推導(dǎo)出的“熵突變”理論極限。

未來應(yīng)用前景

這項(xiàng)突破，遠(yuǎn)不止顛覆一個(gè)理論這么簡(jiǎn)單。最直接的用途，就是科學(xué)家終于有辦法直接測(cè)量極端環(huán)境下的溫度了。

比如探索我們腳下的地球核心，或者其他行星，如木星、土星這些氣態(tài)巨行星的內(nèi)部。那里承受著難以想象的高壓和高溫。物質(zhì)在那種極端條件下會(huì)表現(xiàn)出什么奇異性質(zhì)？

以前科學(xué)家只能靠計(jì)算機(jī)模擬來推測(cè)。現(xiàn)在有了這種超快加熱和直接測(cè)溫技術(shù)，科學(xué)家就能在實(shí)驗(yàn)室里，在極短的時(shí)間內(nèi)，模擬出類似行星內(nèi)部的極端狀態(tài)，并精確測(cè)量其中的溫度和物質(zhì)行為。這無疑將極大地深化我們對(duì)行星形成，演化以及內(nèi)部動(dòng)力學(xué)過程的理解。

其次，這項(xiàng)突破對(duì)可控核聚變的發(fā)展也意義非凡。比如“慣性約束聚變”技術(shù)路線，科學(xué)家們必須用超高能的激光在百萬分之一秒內(nèi)，將微小的燃料顆粒瞬間壓縮并加熱到比太陽核心還要熾熱的狀態(tài)，才能觸發(fā)核聚變反應(yīng)所需的極端條件。

這個(gè)過程中，燃料內(nèi)部溫度分布的精確測(cè)量是優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，提高點(diǎn)火效率的關(guān)鍵。現(xiàn)在，這種基于X射線散射的直接測(cè)溫方法，為診斷和優(yōu)化聚變實(shí)驗(yàn)提供了前所未有的工具，有望加速清潔聚變能源的研發(fā)進(jìn)程。

最后，這項(xiàng)研究也為材料科學(xué)開辟了新思路。研究團(tuán)隊(duì)透露，他們?cè)诹硪环N貴金屬：銀的實(shí)驗(yàn)中也觀察到了初步跡象，表明它同樣可能超越其理論上的熵崩潰溫度。

過去科學(xué)家想要知道一塊材料在超高壓力、超高溫度下的表現(xiàn)，往往只能靠理論模型去推算。而有了這項(xiàng)技術(shù)，科學(xué)家或許可以實(shí)現(xiàn)“定制”材料的相變過程，按照需求設(shè)計(jì)出全新的材料加工技術(shù)，開發(fā)出性能更強(qiáng)大，結(jié)構(gòu)更特殊的新材料。

結(jié)尾

這場(chǎng)黃金實(shí)驗(yàn)并不是什么“物理學(xué)大廈崩塌”，更像是給大廈開了幾扇新的窗戶。這也間接說明了，“天下武功，唯快不破”在物理學(xué)的世界也同樣適用，只要速度足夠快，真的有可能顛覆游戲規(guī)則。

當(dāng)然，科學(xué)是從來不怕顛覆的。這次黃金沒按理論熔化，下次可能就有更多“反常識(shí)”現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)。而科學(xué)的每一次“顛覆”，也從來不是推翻真理，而是讓我們?cè)诟|闊的疆域里，重新理解永恒的自然法則。